aby uzyskać wysoką wydajność, dużą łatwość zarządzania i oszczędność energii w zastosowaniach związanych z przemysłowym silnikiem indukcyjnym, konieczne jest przyjęcie sterowanych systemów przetwornicy częstotliwości. Obecnie system przetwornicy częstotliwości jest silnikiem prądu przemiennego zasilanym przez statyczną przetwornicę częstotliwości. Nowoczesna Przetwornica częstotliwości świetnie nadaje się do zastosowań w silnikach prądu przemiennego i łatwej instalacji. Ważną kwestią jest jednak nie sinusoidalne napięcie wyjściowe. Czynnik ten spowodował wiele niepożądanych problemów. Zwiększone straty silnika indukcyjnego, hałas i wibracje, szkodliwy wpływ na system izolacji indukcyjnej i awaria łożysk to przykłady problemów związanych z układami związanymi z przetwornicą częstotliwości. Zwiększone straty indukcyjne oznaczają zmniejszenie mocy wyjściowej indukcji, aby zapobiec przegrzaniu. Pomiary w laboratorium pokazują, że wzrost temperatury może być o 40% wyższy w przypadku przetwornicy częstotliwości w porównaniu z ogólnymi zasilaczami. Ciągłe badania i ulepszanie przetwornic częstotliwości rozwiązały wiele z tych problemów. Niestety, wydaje się, że rozwiązanie jednego problemu akcentowało inny. Zmniejszenie strat indukcji i przetwornicy częstotliwości ma tendencję do zwiększania szkodliwego wpływu na izolację. Producenci indukcji są oczywiście tego świadomi. Na rynku zaczynają pojawiać się nowe konstrukcje indukcyjne (silniki inwerterowe). Lepsza izolacja uzwojenia stojana i inne ulepszenia konstrukcyjne zapewniają silniki indukcyjne, które będą lepiej dostosowane do zastosowań z przetwornicą częstotliwości.
wprowadzenie
jednym z najpoważniejszych problemów silnika indukcyjnego była trudność dostosowania go do regulacji prędkości. Prędkość synchroniczna silnika PRĄDU PRZEMIENNEGO jest określona za pomocą następującego równania.
ns = 120 * f / P
NS = prędkość synchroniczna
f = częstotliwość sieci energetycznej
p = numer bieguna
jedynym sposobem regulacji prędkości dla danego numeru bieguna jest zmiana częstotliwości.
podstawowa zasada
w teorii podstawowa idea jest prosta, proces przekształcania stabilnej częstotliwości linii zasilającej w zmienną częstotliwość odbywa się zasadniczo w dwóch krokach:
- źródło prądu przemiennego jest prostowane na napięcie DC.
- napięcie DC jest rozcinane na napięcie AC o żądanej częstotliwości.
Przetwornica częstotliwości składa się zasadniczo z trzech bloków: prostownika, łącza DC i falownika.
różne typy przetwornic częstotliwości
Inwerter źródła napięcia PWM (VSI)
PWM (modulacja szerokości impulsu) jest szeroko stosowana w przemyśle przetwornic częstotliwości. Są one dostępne od kilkuset watów do megawatów.
konwerter PWM nie musi dokładnie dopasowywać obciążenia, wystarczy tylko upewnić się, że obciążenie nie zużywa prądu wyższego niż konwerter PWM jest przeznaczony. Jest całkiem możliwe uruchomienie indukcji 20 kW z przetwornikiem PWM 100 kW. Jest to wielka zaleta, która ułatwia obsługę aplikacji.
obecnie Przetwornica częstotliwości PWM wykorzystuje izolowany dwubiegunowy Tłumacz (IGBT). Nowoczesne przetwornice częstotliwości PWM sprawdzają się bardzo dobrze i nie są daleko w tyle za konstrukcjami wykorzystującymi zasilacz sinusoidalny-przynajmniej nie w zakresie mocy do 100 kW.
falownik źródła prądu (CSI)
falownik źródła prądu jest szorstki i dość prosta konstrukcja w porównaniu z PWM. Wykorzystuje proste Tyrystory lub SCR w obwodach zasilania, co czyni go znacznie tańszym. Ma również zalety bycia bardzo niezawodnym. Konstrukcja sprawia, że jest odporny na zwarcie ze względu na duże cewki indukcyjne w ogniwie DC. Jest większy niż PWM.
wcześniej falownik źródła prądu był najlepszym wyborem dla dużych obciążeń. Wadą inwertera źródła prądu jest konieczność dopasowania do obciążenia. Przetwornica częstotliwości musi być zaprojektowana dla zastosowanego silnika indukcyjnego. W rzeczywistości sama indukcja jest częścią obwodu odwróconego.
falownik źródła prądu dostarcza silnikowi indukcyjnemu prąd w kształcie kwadratu. Przy niskich prędkościach indukcja wytwarza moment obrotowy. Ten typ przetwornicy częstotliwości generuje więcej szumów na źródle zasilania w porównaniu do konwertera PWM. Filtrowanie jest konieczne.
ciężkie przejścia napięciowe w napięciu wyjściowym są dodatkową wadą falownika źródła prądu. Tranzystory mogą osiągnąć prawie dwa razy Napięcie nominalne w najgorszych przypadkach. Istnieje również ryzyko przedwczesnego zużycia izolacji uzwojenia, jeśli używana jest ta Przetwornica częstotliwości. Efekt ten jest najpoważniejszy, gdy obciążenie nie pasuje prawidłowo do przetwornicy częstotliwości. Może się to zdarzyć podczas pracy przy częściowym obciążeniu. Ten rodzaj przetwornicy częstotliwości traci coraz większą popularność.
sterowanie wektorowe strumienia (FVC)
sterowanie wektorowe strumienia jest bardziej wyrafinowanym typem przetwornicy częstotliwości, który jest używany w aplikacjach o ekstremalnych wymaganiach sterowania. Na przykład w papierniach konieczne jest bardzo precyzyjne kontrolowanie prędkości i sił rozciągających.
Przetwornica częstotliwości FVC zawsze ma jakąś pętlę sprzężenia zwrotnego. Ten rodzaj przetwornicy częstotliwości jest na ogół mało interesujące w zastosowaniach pomp. Jest to kosztowne, a jego korzyści nie można wykorzystać.
wpływ na silnik
indukcja działa najlepiej, gdy jest zasilana z czystego źródła napięcia sinusoidalnego. Dzieje się tak głównie w przypadku podłączenia do solidnego źródła zasilania sieciowego.
gdy indukcja jest podłączona do przetwornicy częstotliwości, będzie ona zasilana napięciem niesinusoidalnym – bardziej jak napięcie kwadratowe. Jeśli dostarczymy indukcję trójfazową z symetrycznym trójfazowym napięciem kwadratowym, wszystkie harmoniczne, które są wielokrotnościami trzech, jak również liczby parzyste, zostaną wyeliminowane z powodu symetrii. Ale nadal pozostają liczby 5; 7 i 11;13 i 17;19 i 23; 25 i tak dalej. Dla każdej pary harmonicznych, niższa liczba jest odwrotnym obrotem, A wyższa liczba jest obrotem do przodu.
prędkość silnika indukcyjnego jest określona przez liczbę podstawową lub liczbę 1, ze względu na jego silną dominację. Co się teraz stanie z harmonicznymi?
z punktu widzenia harmonicznych, wydaje się, że indukcja ma zablokowany wirnik, co oznacza, że poślizg jest w przybliżeniu 1 dla harmonicznych. Nie zapewniają one żadnej przydatnej pracy. Rezultatem są głównie straty wirnika i dodatkowe ogrzewanie. W szczególności w naszej aplikacji jest to poważny wynik. Dzięki nowoczesnej technologii możliwe jest jednak wyeliminowanie znacznej części zawartości harmonicznej w prądzie indukcyjnym, zmniejszając w ten sposób dodatkowe straty.
Przetwornica częstotliwości przed
najwcześniejsze przetwornice częstotliwości często używały prostego kwadratowego napięcia do zasilania silnika indukcyjnego. Powodowały one problemy z nagrzewaniem się, a indukcja przebiegała z typowym hałasem spowodowanym tętnieniem momentu obrotowego. Znacznie lepsze osiągi osiągnięto po prostu eliminując piątą i siódmą. Dokonano tego poprzez dodatkowe przełączenie sygnału napięciowego.
Przetwornica częstotliwości dzisiaj
obecnie technika jest bardziej wyrafinowana, a większość wad to historia. Rozwój półprzewodników szybkiej mocy i mikroprocesora umożliwił dostosowanie wzorca przełączania w taki sposób, że wyeliminowano większość szkodliwych harmonicznych.
częstotliwości przełączania do 20 kHz są dostępne dla przetwornic częstotliwości w zakresie średniej mocy (do kilkudziesięciu kW). Prąd indukcyjny z tego typu przetwornicą częstotliwości będzie prawie zatokowy.
przy wysokiej częstotliwości przełączania straty indukcyjne są utrzymywane na niskim poziomie, ale straty w przetwornicy częstotliwości wzrosną. Całkowite straty będą wyższe przy zbyt wysokich częstotliwościach przełączania.
niektóre podstawowe teorie silnika
produkcja momentu obrotowego w silniku indukcyjnym może być wyrażona jako
t = v * τ * b
V = aktywna objętość wirnika
τ = Prąd na metr Obwód otworu stojana
B = gęstość strumienia w szczelinie powietrznej
B = proporcjonalna do (e / ω) = E / (2 * π * f)
ω = częstotliwość kątowa napięcia stojana
e = Indukowane napięcie stojana
aby uzyskać najlepszą wydajność przy różnych prędkościach, konieczne staje się utrzymanie odpowiedniego poziomu namagnesowania dla indukcji dla każdej prędkości.
zakres różnych charakterystyk momentu obrotowego przedstawiono na poniższym rysunku. Dla stałego obciążenia momentu obrotowego Stosunek V/F musi być stały. Dla kwadratowego obciążenia Momentu Obrotowego stały stosunek V / F spowoduje nadmiernie wysokie namagnesowanie przy niższej prędkości. Spowoduje to niepotrzebnie wysokie straty żelaza i straty odporności (I2R).
lepiej jest użyć kwadratowego stosunku V/F. Straty żelaza i straty I2R są więc zredukowane do poziomu bardziej akceptowalnego dla rzeczywistego momentu obrotowego obciążenia.
jeśli spojrzymy na ten rysunek, okaże się, że napięcie osiągnęło maksimum i nie można go zwiększyć powyżej częstotliwości bazowej 50Hz. Zakres powyżej częstotliwości bazowej nazywany jest zakresem osłabienia pola. Konsekwencją tego jest to, że nie jest już możliwe utrzymanie niezbędnego momentu obrotowego bez zwiększania prądu. Spowoduje to problemy z nagrzewaniem się tego samego rodzaju, co w przypadku normalnych napięć zasilanych z sinusoidalnej sieci energetycznej. Prąd znamionowy przetwornicy częstotliwości prawdopodobnie zostanie przekroczony.
Praca w zakresie osłabienia pola
czasami pojawia się pokusa, aby uruchomić pompę na częstotliwościach powyżej częstotliwości komercyjnej sieci energetycznej, aby osiągnąć punkt pracy, który w przeciwnym razie byłby niemożliwy. Wymaga to dodatkowej świadomości. Moc wału dla pompy wzrośnie wraz z sześcianem prędkości. Przekroczenie prędkości 10% będzie wymagało 33% większej mocy wyjściowej. Z grubsza rzecz biorąc, możemy się spodziewać, że wzrost temperatury wzrośnie o około 75%.
istnieje jednak granica tego, co możemy wycisnąć z indukcji przy nadmiernej prędkości. Maksymalny moment obrotowy indukcji spadnie w funkcji 1 / F w zakresie osłabienia pola.
jest oczywiste, że indukcja odpadnie, jeśli Przetwornica częstotliwości nie może jej obsługiwać napięciem odpowiadającym napięciu wymaganemu przez moment obrotowy.
w wielu przypadkach indukcja jest uruchamiana z maksymalną wydajnością z sinusoidalnej sieci energetycznej i żadne dodatkowe ogrzewanie nie może być tolerowane. Jeśli taka indukcja jest zasilana z jakiejś przetwornicy częstotliwości, to najprawdopodobniej musi być uruchomiona przy niższej mocy wyjściowej, aby uniknąć przegrzania.
nie jest niczym niezwykłym, że Przetwornica częstotliwości dla dużych pomp powyżej 300 kW spowoduje dodatkowe straty indukcyjne 25-30%. W górnym zakresie mocy tylko kilka przetwornic częstotliwości ma wysoką częstotliwość przełączania: 500 do 1000 Hz jest zwykle dla poprzedniej generacji przetwornic częstotliwości.
aby zrekompensować dodatkowe straty, konieczne jest zmniejszenie mocy wyjściowej. Zalecamy ogólne obniżenie wartości o 10-15% w przypadku dużych pomp.
ponieważ Przetwornica częstotliwości zanieczyszcza sieć zasilającą harmonicznymi, czasami filtr wejściowy jest zalecany przez firmę energetyczną. Filtr ten zmniejsza dostępne napięcie O zwykle 5-10%. Indukcja będzie zatem działać przy 90-95% napięcia nominalnego. Konsekwencją jest dodatkowe ogrzewanie. To może być konieczne.
przykład
Załóżmy, że moc wyjściowa rzeczywistego silnika pompy wynosi 300 kW przy 50 Hz, a wzrost temperatury wynosi 80°C przy użyciu sinusoidalnej sieci energetycznej. Dodatkowe straty w wysokości 30% spowodują indukcję o 30% cieplejszą. Konserwatywnym założeniem jest, że wzrost temperatury zmienia się wraz z kwadratem mocy wału.
aby nie przekroczyć 80°c, musimy zmniejszyć moc wału do
wstępnie = √(1/1.3) * 300 = 263kw
redukcję można osiągnąć poprzez zmniejszenie średnicy wirnika lub przyspieszenie w dół.
straty przemienników częstotliwości
w przypadku określenia całkowitej sprawności układu przemienników częstotliwości należy uwzględnić wewnętrzne straty przemienników częstotliwości. Te straty przetwornicy częstotliwości nie są stałe i niełatwe do określenia. Składają się one z części stałej i części zależnej od obciążenia.
straty stałe:
straty Chłodzenia (Wentylator chłodzący) – straty w obwodach elektronicznych i tak dalej.
straty zależne od obciążenia:
straty przełączania i straty ołowiu w półprzewodnikach mocy.
na poniższym rysunku przedstawiono sprawność przetwornicy częstotliwości jako funkcję częstotliwości przy obciążeniu sześciennym dla jednostek o mocy znamionowej 45, 90 i 260 kW. Krzywe są reprezentatywne dla przetwornic częstotliwości w zakresie mocy 50-300 kW; z częstotliwością przełączania równą około 3 kHz i z IGBT drugiej generacji.
wpływ na izolację silnika
napięcia wyjściowe nowoczesnych przetwornic częstotliwości mają bardzo krótki czas wzrostu napięcia.
dU/dt = 5000V/µs jest wspólną wartością.
takie strome zbocza napięcia spowodują nadmierne naprężenia w materiałach izolacyjnych uzwojenia indukcyjnego. Przy krótkich czasach narastania napięcie w uzwojeniu stojana nie jest równomiernie rozłożone. W przypadku zasilania sinusoidalnego napięcie zwrotne w uzwojeniu indukcyjnym jest zwykle równomiernie rozłożone. Z kolei w przypadku przetwornicy częstotliwości do 80% napięcia spadnie na pierwszym i drugim zakręcie. Ponieważ izolacja między przewodami stanowi słaby punkt, może to okazać się niebezpieczne dla indukcji. Krótki czas narastania powoduje również odbicie napięcia w kablu indukcyjnym. W najgorszym przypadku zjawisko to podwoi napięcie na zaciskach indukcyjnych. Indukcja zasilana z 690-woltowej przetwornicy częstotliwości może być narażona na działanie do 1900 woltów między fazami.
Amplituda napięcia zależy od długości kabla indukcyjnego i czasu narastania. Przy bardzo krótkich czasach narastania, pełne odbicie występuje w kablu o długości od 10 do 20 metrów.
aby zapewnić funkcjonalność i długą żywotność silnika, konieczne jest dostosowanie uzwojenia do stosowania z przetwornicą częstotliwości. Indukcje dla napięć powyżej 500 V muszą mieć jakąś formę wzmocnionej izolacji. Uzwojenie stojana musi być impregnowane żywicą, która zapewnia izolację wolną od pęcherzyków lub ubytków. Wyładowania jarzeniowe często zaczynają się wokół ubytków. Zjawisko to ostatecznie zniszczy izolację.
są sposoby na ochronę silnika. Poza wzmocnionym systemem izolacji może być konieczne wstawienie filtra między przetwornicę częstotliwości a indukcję. Takie filtry są dostępne u większości znanych dostawców przetwornic częstotliwości.
Filtr zazwyczaj spowalnia czas wzrostu napięcia z
dU/dt = 5000V/µs do 500-600V/µs
awaria łożyska
awaria maszyn wirujących często może być związana z awarią łożyska. Oprócz nadmiernego nagrzewania, niedostatecznego smarowania lub zmęczenia metalu, prąd elektryczny przez łożyska może być przyczyną wielu tajemniczych awarii łożysk, zwłaszcza przy dużych indukcjach. Zjawisko to jest na ogół spowodowane niesymetrią w obwodzie magnetycznym, która indukuje małe napięcie w strukturze stojana lub prądem ciągu zerowego. Jeśli potencjał między konstrukcją stojana a zespołem wału stanie się wystarczająco wysoki, wyładowanie nastąpi przez łożysko. Niewielkie wyładowania elektryczne między elementami tocznymi a bieżnią łożyska mogą ostatecznie uszkodzić łożysko.
zastosowanie przemienników częstotliwości zwiększy prawdopodobieństwo wystąpienia tego typu awarii łożysk. Technika przełączania nowoczesnej przetwornicy częstotliwości powoduje prąd o zerowej sekwencji, który w pewnych okolicznościach znajduje drogę przez łożyska.
najprostszym sposobem na wyleczenie tego problemu jest podniesienie przeszkody dla prądu. Zwykle stosuje się łożysko z powłoką izolacyjną na pierścieniu zewnętrznym.
wnioski
zastosowanie przetwornicy częstotliwości nie oznacza bezawaryjności. Wiele pytań, na które należy zwrócić uwagę podczas prac projektowych. Czy konieczne będzie np. ograniczenie dostępnej mocy wału, aby zapobiec nadmiernemu nagrzewaniu? Może okazać się konieczne, aby uruchomić przy niższej mocy wyjściowej, aby uniknąć tego problemu.
czy izolacja silnika indukcyjnego będzie odporna na działanie falownika? Czy filtrowanie jest konieczne? Nowoczesne, wydajne falowniki mają szkodliwy wpływ na izolację ze względu na wysoką częstotliwość przełączania i krótki czas narastania napięcia.
jaka maksymalna długość kabla może być użyta bez wywoływania pełnego odbicia napięcia? Amplituda napięcia zależy zarówno od długości kabla, jak i czasu narastania. Przy bardzo krótkich czasach narastania pełne odbicie nastąpi w kablach o długości od 10 do 20 metrów.
czy konieczne jest stosowanie izolowanych łożysk, aby zapobiec przedostawaniu się prądu o zerowej sekwencji do łożysk?
dopiero gdy oczyścimy się z tych wszystkich pytań, będziemy w stanie podjąć właściwe decyzje dotyczące zastosowania przetwornicy częstotliwości.