om een hoog rendement, grote beheersbaarheid en energiebesparing te realiseren in industriële inductiemotorgerelateerde toepassingen, is het noodzakelijk regelbare frequentieomvormersystemen toe te passen. Frequentieomvormer systeem is tegenwoordig AC motor gevoed door een statische frequentieomvormer. De up-to-date frequentieomvormer werkt geweldig voor AC motor toepassingen en eenvoudige installatie. Een belangrijke kwestie, echter, wordt veroorzaakt door de niet-sinusoïdale uitgangsspanning. Deze factor heeft veel ongewenste problemen veroorzaakt. Verhoogde inductie motorverliezen, lawaai en trillingen, schadelijke impact op het inductie-Isolatiesysteem en lageruitval zijn voorbeelden van problemen met frequentieomvormers. Verhoogde inductieverliezen betekenen een de-rating van de inductie uitgangsvermogen om oververhitting te voorkomen. Uit metingen in het lab blijkt dat de temperatuurstijging met frequentieomvormer 40% hoger kan zijn dan met algemene voedingen. Doorlopend onderzoek en verbetering van frequentieomvormers hebben veel van deze problemen opgelost. Helaas lijkt het erop dat het oplossen van het ene probleem het andere heeft geaccentueerd. Het verminderen van de inductie-en frequentieomvormerverliezen heeft de neiging om de schadelijke impact op de isolatie te verhogen. De inductiefabrikanten zijn zich daar natuurlijk van bewust. Nieuwe inductieontwerpen (omvormerbestendige motoren) beginnen op de markt te verschijnen. Betere statorwikkeling isolatie en andere structurele verbeteringen zorgen voor inductiemotoren die beter worden aangepast voor frequentieomvormer toepassingen.
Inleiding
een van de ernstigste problemen voor de inductiemotor was de moeilijkheid om deze aan te passen aan de toerentalafstelling. De synchrone snelheid van een wisselstroommotor wordt bepaald door de volgende vergelijking.
ns = 120 * f / p
ns = synchrone snelheid
f = power grid frequentie
p = poolnummer
de enige manier om de snelheid aan te passen, voor een bepaald poolnummer is door de frequentie te veranderen.
het basisprincipe
in theorie is het basisidee eenvoudig, het proces van het omzetten van de stabiele hoogspanningsfrequentie in een variabele frequentie wordt in principe in twee stappen uitgevoerd:
- de wisselstroombron wordt gelijkgericht in een gelijkspanning.
- de gelijkspanning wordt opgesplitst in een wisselspanning van de gewenste frequentie.
een frequentieomvormer bestaat in principe uit drie blokken: de gelijkrichter, de DC-link en de omvormer.
verschillende typen frequentieomvormers
PWM Voltage Source Inverter (VSI)
de pwm (Pulse Width Modulation) wordt op grote schaal toegepast in de frequentieomvormer-industrie. Ze zijn verkrijgbaar van een paar honderd watt tot megawatt.
een PWM-omzetter hoeft niet exact overeen te komen met de belasting, hij hoeft alleen maar te controleren of de belasting geen stroom verbruikt die hoger is dan de PWM-omzetter is opgegeven. Het is heel goed mogelijk om een 20 kW inductie te laten draaien met een 100 kW PWM converter. Dit is een groot voordeel dat de bediening gemakkelijker maakt voor de toepassing.
tegenwoordig gebruikt de PWM-frequentieomvormer een bipolaire vertaler met geïsoleerde poort (IGBT). Moderne PWM frequentieomvormers presteren zeer goed, en zijn niet ver achter ontwerpen met behulp van een sinusoïdale voeding – in ieder geval niet in het vermogensbereik tot 100 kW of zo.
huidige Bronomvormer (CSI)
de huidige bronomvormer is een ruw en vrij eenvoudig ontwerp vergeleken met de PWM. Het maakt gebruik van eenvoudige thyristors of SCRs in de stroomcircuits, waardoor het veel goedkoper. Het heeft ook het voordeel van zeer betrouwbaar. Het ontwerp maakt het kortsluitvast door de grote smoorspoelen in de DC link. Het is groter dan de PWM.
vroeger was de stroombron-omvormer de beste keuze voor grote belastingen. Een nadeel met de stroombron omvormer is de noodzaak van aanpassing aan de belasting. De frequentieomvormer moet worden ontworpen voor de gebruikte inductiemotor. In feite is de inductie zelf een deel van het omgekeerde circuit.
de stroombron-omvormer voorziet de inductiemotor van een vierkante stroom. Bij lage toerentallen produceert de inductie een tandwielkoppel. Dit type van frequentieomvormer zal meer lawaai op de leveringsbron in vergelijking met de PWM-convertor produceren. Filteren is noodzakelijk.
transiënten van zware spanning in de uitgangsspanning zijn een bijkomend nadeel van de stroombron-omvormer. De transiënten kunnen in het ergste geval bijna tweemaal de nominale spanning bereiken. Ook bestaat het risico dat de wikkelisolatie voortijdig Versleten wordt als deze frequentieomvormer wordt gebruikt. Dit effect is het ernstigst wanneer de belasting niet goed overeenkomt met de frequentieomvormer. Dit kan gebeuren bij deellast. Dit soort frequentieomvormer verliest zijn populariteit meer en meer.
Flux vectorregeling (FVC)
een flux vectorregeling is een meer geavanceerd type frequentieomvormer dat wordt gebruikt in toepassingen met extreme regeleisen. In papierfabrieken is het bijvoorbeeld noodzakelijk om de snelheid en de stretchkrachten zeer nauwkeurig te regelen.
een FVC – frequentieomvormer heeft altijd een soort terugkoppelingslus. Dit soort frequentieomvormer is over het algemeen van minder belang bij pomptoepassingen. Het is duur en de voordelen ervan kunnen niet worden benut.
Effect op de motor
een inductie werkt het best wanneer deze wordt geleverd met een zuivere sinusoïdale spanningsbron. Dit is meestal het geval wanneer aangesloten op een robuuste voedingsbron.
wanneer een inductie wordt aangesloten op een frequentieomvormer, wordt deze gevoed met een niet-sinusoïdale spanning—meer als een gehakte vierkante spanning. Als we een 3-fase inductie voorzien van een symmetrische 3-fase vierkante spanning, zullen alle harmonischen die veelvouden van drie zijn, evenals de even getallen, worden geëlimineerd vanwege symmetrie. Maar, nog steeds links zijn de nummers 5; 7 en 11; 13 en 17;19 en 23; 25 en ga zo maar door. Voor elk paar harmonischen is het lagere getal omgekeerd draaiend en het hogere getal voorwaarts draaiend.
het toerental van de inductiemotor wordt bepaald door het fundamentele getal, of nummer 1, vanwege zijn sterke dominantie. Wat gebeurt er nu met de harmonischen?
vanuit het oogpunt van harmonischen lijkt de inductie de rotor Geblokkeerd te hebben, wat betekent dat de slip ongeveer 1 is voor de harmonischen. Deze bieden geen nuttig werk. Het resultaat is vooral rotorverliezen en extra verwarming. Met name in onze toepassing is dit een ernstig resultaat. Met moderne technologie is het echter mogelijk om een groot deel van de harmonische inhoud in de inductiestroom te elimineren, waardoor de extra verliezen worden verminderd.
frequentieomvormer vóór
de vroegste frequentieomvormers gebruikten vaak een eenvoudige vierkante spanning om de inductiemotor te voeden. Ze veroorzaakten opwarmproblemen en de inducties liepen met een typische ruis veroorzaakt door koppelrimpel. Veel betere prestaties werden bereikt door simpelweg het elimineren van de vijfde en de zevende. Dat werd gedaan door wat extra schakeling van het spanningssignaal.
frequentieomvormer vandaag
tegenwoordig is de techniek geavanceerder en zijn de meeste nadelen verleden tijd. De ontwikkeling van fast power semiconductors en de microprocessor heeft het mogelijk gemaakt om het schakelpatroon zodanig aan te passen dat de meeste schadelijke harmonischen worden geëlimineerd.
schakelfrequenties tot 20 kHz zijn beschikbaar voor frequentieomvormers in het middelzware vermogensbereik (tot enkele tientallen kW). De inductiestroom met dit type frequentieomvormer zal bijna sinusvormig zijn.
bij een hoge schakelfrequentie worden de inductieverliezen laag gehouden, maar de verliezen in de frequentieomvormer zullen toenemen. De totale verliezen zullen hoger worden bij te hoge schakelfrequenties.
De motor basistheorie
Het koppel productie in een asynchrone motor kan worden uitgedrukt als
T = V * τ * B
V = Actieve rotor volume
τ = Stroom per meter stator droeg omtrek
B = magnetische Flux in de luchtspleet
B = evenredig met (E / ω) = E / (2 * π * f)
ω = hoek frequentie van de stator spanning
E = geïnduceerde stator spanning
Voor het verkrijgen van de beste prestaties bij verschillende snelheden, wordt het noodzakelijk om te zorgen voor een passende magnetisatie niveau voor de inductie voor elk toerental.
een reeks van verschillende koppeleigenschappen wordt weergegeven als volgt: Voor de constante koppelbelasting moet de V / F-verhouding constant zijn. Voor de vierkante koppelbelasting zal een constante V / F-verhouding resulteren in een te hoge magnetisatie bij een lager toerental. Hierdoor ontstaan onnodig hoge ijzerverliezen en weerstandsverliezen (I2R).
het is beter een vierkante V/F-verhouding te gebruiken. De ijzerverliezen en de I2R-verliezen worden zo teruggebracht tot een niveau dat meer aanvaardbaar is voor het werkelijke belastingskoppel.
als we naar de figuur kijken, zien we dat de spanning zijn maximum heeft bereikt en niet kan worden verhoogd boven de 50Hz basisfrequentie. Het bereik boven de basisfrequentie wordt het veld verzwakt bereik genoemd. Een gevolg hiervan is dat het niet langer mogelijk is om het benodigde koppel te behouden zonder de stroom te verhogen. Dit zal leiden tot verwarmingsproblemen van dezelfde aard als bij normale onderspanningen van een sinusvormig elektriciteitsnet. De nominale stroom van de frequentieomvormer zal waarschijnlijk worden overschreden.
draaiend in het veld-verzwakkende bereik
soms is het verleidelijk om de pomp te laten draaien met frequenties boven de frequentie van het commerciële elektriciteitsnet om een werkpunt te bereiken dat anders onmogelijk zou zijn. Dat vraagt om extra bewustzijn. Het asvermogen voor een pomp zal toenemen met de kubus van snelheid. Een oversnelheid van 10% vereist 33% meer uitgangsvermogen. Grofweg kunnen we verwachten dat de temperatuurstijging met ongeveer 75% zal stijgen.
er is echter een limiet aan wat we uit de inductie bij oversnelheid kunnen persen. Het maximumkoppel van de inductie zal dalen als een functie van 1 / F in het veld-verzwakking bereik.
het is duidelijk dat de inductie zal uitvallen als de frequentieomvormer deze niet kan ondersteunen met een spanning die overeenkomt met die welke nodig is voor het koppel.
Derating
in veel gevallen wordt de inductie uitgevoerd op maximale capaciteit van een sinusoïdaal elektriciteitsnet en eventuele extra verwarming kan niet worden getolereerd. Als een dergelijke inductie wordt gevoed door een soort frequentieomvormer, moet deze hoogstwaarschijnlijk op een lager uitgangsvermogen worden uitgevoerd om oververhitting te voorkomen.
het is niet ongebruikelijk dat een frequentieomvormer voor grote pompen van meer dan 300 kW extra inductieverliezen van 25-30% toevoegt. In het bovenste vermogensbereik hebben slechts enkele frequentieomvormers een hoge schakelfrequentie: 500 tot 1000 Hz is gebruikelijk voor de vorige generatie frequentieomvormers.
om de extra verliezen te compenseren, moet het uitgangsvermogen worden verminderd. Wij adviseren een algemene derating van 10-15% voor grote pompen.
omdat de frequentieomvormer het net verontreinigt met harmonischen, wordt soms een ingangsfilter voorgeschreven door het energiebedrijf. Dit filter zal de beschikbare spanning met typisch 5-10% verminderen. De inductie zal dus lopen op 90-95% van de nominale spanning. Het gevolg is extra verwarming. Derating kan nodig zijn.
voorbeeld
ga ervan uit dat het uitgangsvermogen van de eigenlijke pompmotor 300 kW bij 50 Hz bedraagt en dat de temperatuurstijging 80°C bedraagt bij gebruik van een sinusoïdaal elektriciteitsnet. Extra verliezen van 30% zullen resulteren in een inductie die 30% warmer is. Een voorzichtige aanname is dat de temperatuurstijging varieert met het kwadraat van het asvermogen.
om de temperatuur van 80°C niet te overschrijden, moet het asvermogen worden verminderd tot
= √(1/1.3) * 300 = 263kW
de vermindering kan worden bereikt door de diameter van de waaier te verminderen of door te versnellen.
verliezen aan frequentieomvormers
wanneer het totale rendement van een frequentieomvormersysteem is bepaald, moeten de interne verliezen van de frequentieomvormers worden meegeteld. Deze frequentieomvormer verliezen zijn niet constant en niet gemakkelijk te bepalen. Ze bestaan uit een constant onderdeel en een lastafhankelijk onderdeel.
constante verliezen:
Koelverliezen—koelventilator) – verliezen in de elektronische circuits, enzovoort.
Load dependent losses:
Switching losses and lead losses in the power semiconductors.
de volgende figuur toont het rendement van de frequentieomvormer als functie van de frequentie bij een kubieke belasting voor eenheden met een vermogen van 45, 90 en 260 kW. De curven zijn representatief voor frequentieomvormers in het vermogensbereik van 50-300 kW; met een schakelfrequentie gelijk aan ongeveer 3 kHz en met een IGBT van de tweede generatie.
effecten op motorisolatie
de uitgangsspanningen van moderne frequentieomvormers hebben een zeer korte stijgtijd van de spanning.
dU / dT = 5000V / µs is een veel voorkomende waarde.
dergelijke steile spanningshellingen veroorzaken buitensporige spanning in de isolatiematerialen van de inductiewikkeling. Bij korte stijgtijden wordt de spanning in de statorwikkeling niet gelijkmatig verdeeld. Bij een sinusvormige voeding wordt de draaisnelheid in een inductiewikkeling normaal gesproken gelijk verdeeld. Met een frequentieomvormer aan de andere kant, zal tot 80% van de spanning dalen over de eerste en de tweede beurt. Aangezien de isolatie tussen de draden een zwak punt vormt, kan dit gevaarlijk blijken te zijn voor de inductie. Een korte stijgtijd veroorzaakt ook spanningsreflectie in de inductiekabel. In het ergste geval zal dit fenomeen de spanning over de inductie terminals verdubbelen. Een inductie die wordt gevoed door een 690-volt frequentieomvormer kan tussen de fasen tot 1 900 volt worden blootgesteld.
de spanningsamplitude hangt af van de lengte van de inductiekabel en de stijgtijd. Bij zeer korte stijgtijden vindt volledige reflectie plaats in een kabel van 10 tot 20 meter lang.
voor een goede werking en een lange levensduur van de motor is het absoluut noodzakelijk dat een wikkeling wordt aangepast voor gebruik met een frequentieomvormer. Inducties voor spanningen boven 500 volt moeten een vorm van versterkte isolatie hebben. De statorwikkeling moet worden geïmpregneerd met een hars dat zorgt voor een isolatie vrij van bellen of holtes. Gloedontladingen beginnen vaak rond holtes. Dit fenomeen zal uiteindelijk de isolatie te vernietigen.
er zijn manieren om een motor te beschermen. Naast een versterkt Isolatiesysteem kan het nodig zijn een filter tussen de frequentieomvormer en de inductie te plaatsen. Dergelijke filters zijn verkrijgbaar bij de meeste bekende leveranciers van frequentieomvormers.
een filter vertraagt doorgaans de stijgtijd van de spanning van
dU / dT = 5000V/µs tot 500-600V / µs
Lagerstoring
storing van roterende machines kan vaak verband houden met lagerstoring. Naast overmatige verwarming, onvoldoende smering of metaalmoeheid kan elektrische stroom door de lagers de oorzaak zijn van vele mysterieuze lageronderbrekingen, vooral bij grote inducties. Dit fenomeen wordt over het algemeen veroorzaakt door non-symmetrie in het magnetische circuit, dat een kleine spanning in de statorstructuur induceert, of door een nulsequentiestroom. Als de potentie tussen de statorstructuur en de aseenheid hoog genoeg wordt, vindt er een ontlading plaats door het lager. Kleine elektrische ontladingen tussen de rollende elementen en de lagerbaan zullen uiteindelijk het lager beschadigen.
het gebruik van frequentieomvormers vergroot de kans dat dit type lagerstoring optreedt. De schakeltechniek van een moderne frequentieomvormer zorgt voor een nulvolgorde stroom die onder bepaalde omstandigheden zijn weg vindt door de lagers.
de gemakkelijkste manier om dit probleem op te lossen is door een obstakel voor de stroom op te werpen. De gebruikelijke methode is om een lager te gebruiken met een isolerende coating op de buitenste ring.
conclusies
het gebruik van een frequentieomvormer is niet probleemloos. Veel vragen die aandacht moeten krijgen tijdens het ontwerpwerk. Moet bijvoorbeeld het beschikbare asvermogen worden beperkt om overmatige verwarming te voorkomen? Het kan nodig blijken om op een lager uitgangsvermogen te draaien om dit probleem te voorkomen.
is de isolatie van de inductiemotor bestand tegen de effecten van de omvormer? Is filteren nodig? Moderne, efficiënte omvormers hebben een nadelige invloed op de isolatie als gevolg van hoge schakelfrequentie en korte spanningsstijgingstijd.
welke maximale kabellengte kan worden gebruikt zonder volledige spanningsreflectie? De spanningsamplitude hangt af van zowel de kabellengte als de stijgtijd. Bij zeer korte stijgtijden zal volledige reflectie optreden in kabels van 10 tot 20 meter lang.
zou het nodig zijn geïsoleerde lagers te gebruiken om te voorkomen dat een nulsequentie-stroom naar de lagers komt?
alleen als we al deze vragen uit de weg ruimen, kunnen we de juiste beslissingen nemen over het gebruik van een frequentieomvormer.