för att uppnå hög effektivitet, stor hanterbarhet och energibesparing i industriella induktionsmotorrelaterade applikationer är det nödvändigt att anta styrbara frekvensomvandlarsystem. Frekvensomvandlare systemet numera är AC-motor matas av en statisk frekvensomvandlare. Den uppdaterade frekvensomvandlaren fungerar bra för AC – motorapplikationer och enkel installation. En viktig fråga orsakas emellertid av den icke-sinusformiga utspänningen. Denna faktor har orsakat många oönskade problem. Ökade induktionsmotorförluster, buller och vibrationer, skadlig inverkan på induktionsisoleringssystemet och lagerfel är exempel på frekvensomvandlarrelaterade systemproblem. Ökade induktionsförluster innebär en de-rating av induktionseffekten för att förhindra överhettning. Mätning i labbet visar att temperaturhöjningar kan vara 40% högre med frekvensomvandlare jämfört med allmänna Nätaggregat. Kontinuerlig forskning och förbättring av frekvensomvandlare har löst många av dessa problem. Tyvärr verkar det som att lösa ett problem har accentuerat ett annat. Att minska induktions-och frekvensomvandlarförlusterna tenderar att öka den skadliga påverkan på isoleringen. Induktionstillverkarna är naturligtvis medvetna om detta. Nya induktionsdesigner (inverterresistenta motorer) börjar dyka upp på marknaden. Bättre statorlindningsisolering och andra strukturella förbättringar säkerställer induktionsmotorer som kommer att anpassas bättre för frekvensomvandlarapplikationer.
Inledning
ett av de allvarligaste problemen med induktionsmotorn har varit svårigheten att anpassa den till hastighetsjustering. Den synkrona hastigheten hos en växelströmsmotor bestäms av följande ekvation.

ns = 120 * f / p

ns = synkron hastighet
f = nätfrekvens
p = polnummer
det enda sättet att justera hastigheten, för ett givet polnummer är att ändra frekvensen.
grundprincipen
i teorin är grundtanken enkel, processen att omvandla den stabila kraftledningsfrekvensen till en variabel frekvens görs i princip i två steg:

1. VÄXELSTRÖMSKÄLLAN likriktas till en likspänning.
2. likspänningen hakas upp i en växelspänning med önskad frekvens.

en frekvensomvandlare består i grunden av tre block: likriktaren, DC-länken och omformaren.

olika typer av frekvensomvandlare
PWM spänningskällan Inverter (VSI)
PWM (pulsbreddsmodulering) används i stor utsträckning i frekvensomvandlarindustrin. De är tillgängliga från flera hundra watt upp till megawatt.

en PWM-omvandlare behöver inte matcha lasten exakt, det behöver bara se till att lasten inte förbrukar ström högre än PWM-omvandlaren är klassad för. Det är ganska möjligt att köra en 20 kW induktion med en 100 kW PWM-omvandlare. Detta är en stor fördel som gör driften enklare för applikationen.

numera använder PWM-frekvensomvandlaren isolerad Grind bipolär Översättare (IGBT). Moderna PWM-frekvensomvandlare fungerar mycket bra och ligger inte långt efter mönster med en sinusformad strömförsörjning – åtminstone inte i effektområdet upp till 100 kW eller så.
Strömkällomvandlare (CSI)
strömkällomvandlaren är en grov och ganska enkel design jämfört med PWM. Den använder enkla tyristorer eller SCR i strömkretsarna, vilket gör det mycket billigare. Det har också fördelen av att vara mycket pålitlig. Konstruktionen gör den kortslutningssäker på grund av de stora induktorerna i DC-länken. Det är större än PWM.

tidigare var den aktuella källan inverter det bästa valet för stora laster. En nackdel med strömkällomriktaren är behovet av matchning till lasten. Frekvensomvandlaren måste vara konstruerad för den induktionsmotor som används. Faktum är att induktionen i sig är en del av den inverterade kretsen.
strömkällomriktaren förser induktionsmotorn med en fyrkantig ström. Vid låga hastigheter producerar induktionen ett kuggmoment. Denna typ av frekvensomvandlare genererar mer brus på matningskällan jämfört med PWM-omvandlaren. Filtrering är nödvändig.
tunga spänningstransienter i utspänningen är en ytterligare nackdel med strömkällomriktaren. Transienterna kan i värsta fall nå nästan dubbelt så mycket som Nominell spänning. Det finns också en risk att lindningsisoleringen slits ut för tidigt om denna frekvensomvandlare används. Denna effekt är mest allvarlig när belastningen inte matchar frekvensomvandlaren korrekt. Detta kan hända när du kör vid delbelastning. Denna typ av frekvensomvandlare förlorar sin popularitet mer och mer.
Flux Vector Control (FVC)
en flux vector control är en mer sofistikerad typ av frekvensomvandlare som används i applikationer som har extrema kontrollkrav. I pappersbruk är det till exempel nödvändigt att kontrollera hastighet och sträckkrafter mycket exakt.
en FVC-frekvensomvandlare har alltid någon form av återkopplingsslinga. Denna typ av frekvensomvandlare är i allmänhet av mindre intresse för pumpapplikationer. Det är dyrt, och dess fördelar kan inte utnyttjas.
effekt på motorn
en induktion fungerar bäst när den levereras med en ren sinusformad spänningskälla. Detta är oftast fallet när det är anslutet till en robust kraftkälla.
när en induktion är ansluten till en frekvensomvandlare, kommer den att levereras med en icke-sinusformad spänning—mer som en hackad kvadratspänning. Om vi levererar en 3-fas induktion med en symmetrisk 3-fas kvadratspänning, kommer alla övertoner som är multiplar av tre, liksom jämntal, att elimineras på grund av symmetri. Men fortfarande kvar är siffrorna 5; 7 och 11;13 och 17;19 och 23; 25 och så vidare. För varje par övertoner roterar det lägre numret bakåt och det högre numret roterar framåt.

induktionsmotorns hastighet bestäms av grundtalet, eller nummer 1, på grund av dess starka dominans. Vad händer nu med övertonerna?
ur övertonssynpunkt verkar induktionen ha rotorn blockerad, vilket innebär att glidningen är ungefär 1 för övertonerna. Dessa ger inget användbart arbete. Resultatet är mestadels rotorförluster och extra uppvärmning. I vår ansökan i synnerhet är detta ett allvarligt resultat. Med modern teknik är det dock möjligt att eliminera mycket av det harmoniska innehållet i induktionsströmmen, vilket minskar de extra förlusterna.
frekvensomvandlare före
de tidigaste frekvensomvandlarna använde ofta en enkel fyrkantig spänning för att leverera induktionsmotorn. De orsakade uppvärmningsproblem och induktionerna sprang med ett typiskt ljud orsakat av vridmomentrippel. Mycket bättre prestanda uppnåddes genom att helt enkelt eliminera den femte och den sjunde. Det gjordes genom lite extra växling av spänningssignalen.
frekvensomvandlare idag
numera är tekniken mer sofistikerad och de flesta nackdelarna är historia. Utvecklingen av snabba krafthalvledare och mikroprocessorn har gjort det möjligt att skräddarsy omkopplingsmönstret på ett sådant sätt att de flesta skadliga övertonerna elimineras.
kopplingsfrekvenser upp till 20 kHz är tillgängliga för frekvensomformare i medeleffektområdet (upp till några tiotals kW). Induktionsströmmen med denna typ av frekvensomvandlare kommer att vara nästan sinusformad.
vid en hög omkopplingsfrekvens hålls induktionsförluster låga, men förluster i frekvensomvandlaren ökar. De totala förlusterna blir högre vid alltför höga kopplingsfrekvenser.
en del motor grundläggande teori
vridmomentet produktionen i en induktionsmotor kan uttryckas som

T = V * kg * B

V = aktiv rotorvolym
kg = ström per meter statorborrningsomkrets
B = flödestäthet i luftgapet

B = proportionell mot (e / kg) = E / (2 * kg * f)

6b = vinkelfrekvens för statorspänningen
e = inducerad statorspänning
för att uppnå bästa prestanda vid olika hastigheter blir det nödvändigt att upprätthålla en lämplig Magnetiseringsnivå för induktionen för varje hastighet.
en rad olika vridmomentegenskaper visas som följande figur. För konstant vridmomentbelastning måste v / F-förhållandet vara konstant. För kvadratmomentbelastningen kommer ett konstant V/F-förhållande att resultera i alltför hög magnetisering vid lägre hastighet. Detta kommer att generera onödigt höga järnförluster och motståndsförluster (i2r).

det är bättre att använda ett kvadratiskt V/F-förhållande. Järnförlusterna och i2r-förlusterna reduceras således till en nivå som är mer acceptabel för det faktiska belastningsmomentet.

om vi tittar på figuren finner vi att spänningen har nått sitt maximala och inte kan ökas över 50Hz basfrekvensen. Området ovanför basfrekvensen kallas fältförsvagningsområdet. En konsekvens av detta är att det inte längre är möjligt att behålla det nödvändiga vridmomentet utan att öka strömmen. Detta kommer att resultera i uppvärmningsproblem av samma slag som med normala underspänningar som löper från ett sinusformat elnät. Frekvensomvandlarens Märkström kommer sannolikt att överskridas.
kör i fältförsvagningsområdet
ibland finns det en frestelse att köra pumpen vid frekvenser över den kommersiella elnätsfrekvensen för att nå en arbetspunkt som annars skulle vara omöjlig. Att göra det kräver extra medvetenhet. Axelkraften för en pump ökar med kuben av hastighet. En överhastighet på 10% kräver 33% mer uteffekt. Grovt sett kan vi förvänta oss att temperaturökningen kommer att öka med cirka 75%.

det finns ändå en gräns för vad vi kan pressa ut ur induktionen vid överhastighet. Det maximala vridmomentet för induktionen kommer att sjunka som en funktion av 1 / F i fältförsvagningsområdet.
det är uppenbart att induktionen kommer att falla ut om frekvensomvandlaren inte kan stödja den med en spänning som motsvarar den som behövs av vridmomentet.
Derating
i många fall körs induktionen med maximal kapacitet från ett sinusformat elnät och eventuell extra uppvärmning kan inte tolereras. Om en sådan induktion drivs från en frekvensomvandlare av något slag måste den troligen köras med lägre uteffekt för att undvika överhettning.
det är inte ovanligt att en frekvensomvandlare för stora pumpar över 300 kW tillför extra induktionsförluster på 25-30%. I det övre effektområdet har endast ett fåtal frekvensomvandlare en hög omkopplingsfrekvens: 500 till 1000 Hz är vanligt för den tidigare generationen frekvensomvandlare.
för att kompensera för de extra förlusterna är det nödvändigt att minska uteffekten. Vi rekommenderar en generell nedgradering på 10-15% för stora pumpar.
eftersom frekvensomvandlaren förorenar matningsnätet med övertoner, föreskrivs ibland ett ingångsfilter av kraftbolaget. Detta filter minskar den tillgängliga spänningen med typiskt 5-10%. Induktionen kommer följaktligen att köras vid 90-95% av Nominell spänning. Konsekvensen är ytterligare uppvärmning. Derating kan vara nödvändigt.
exempel
Antag att uteffekten för den faktiska pumpmotorn är 300 kW vid 50 Hz och temperaturökningen är 80 kg C med hjälp av ett sinusformat elnät. Extra förluster på 30% kommer att resultera i en induktion som är 30% varmare. Ett konservativt antagande är att temperaturökningen varierar med kvadraten på axelkraften.

för att inte överstiga 80 C C måste vi minska axelkraften till

Preducerad = √(1/1.3) * 300 = 263kw

reduktionen kan uppnås antingen genom att minska pumphjulets diameter eller genom att påskynda ner.
Frekvensomvandlarförluster
när den totala effektiviteten hos ett frekvensomvandlarsystem bestäms måste frekvensomvandlarens interna förluster inkluderas. Dessa frekvensomvandlarförluster är inte konstanta och inte lätta att bestämma. De består av en konstant del och en lastberoende del.
konstanta förluster:
Kylförluster—kylfläkt) – förluster i de elektroniska kretsarna och så vidare.
Belastningsberoende förluster:
Kopplingsförluster och blyförluster i krafthalvledarna.
följande figur visar frekvensomvandlarens effektivitet som funktion av frekvensen vid en kubisk belastning för enheter med en effekt på 45, 90 och 260 kW. Kurvorna är representativa för frekvensomvandlare i effektområdet 50-300 kW; med omkopplingsfrekvensen lika med ca 3 kHz och med en IGBT av andra generationen.

effekter på motorisolering
utgångsspänningarna från moderna frekvensomvandlare har en mycket kort spänningshöjningstid.

dU/dT = 5000v / acuss är ett gemensamt värde.

sådana branta spänningshöjningar kommer att orsaka onödig stress i induktionslindningens isoleringsmaterial. Med korta stigtider är spänningen i statorlindningen inte jämnt fördelad. Med en sinusformad strömförsörjning är svängspänningen i en induktionslindning normalt lika fördelad. Med en frekvensomvandlare å andra sidan kommer upp till 80% av spänningen att falla över den första och den andra svängen. Eftersom isoleringen mellan ledningarna utgör en svag punkt kan detta visa sig vara farligt för induktionen. En kort stigningstid orsakar också spänningsreflektion i induktionskabeln. I värsta fall kommer detta fenomen att fördubbla spänningen över induktionsterminalerna. En induktion som matas från en 690-volts frekvensomvandlare kan utsättas för upp till 1 900 volt mellan faserna.
spänningsamplituden beror på induktionskabelns längd och stigningstiden. Med mycket korta stigtider sker full reflektion i en kabel 10 till 20 meter lång.
för att säkerställa funktion och god motorlivstid är det absolut nödvändigt att en lindning anpassas för användning med en frekvensomvandlare. Induktioner för spänningar över 500 volt måste ha någon form av förstärkt isolering. Statorlindningen måste impregneras med ett harts som säkerställer en isolering fri från bubblor eller hålrum. Glödutsläpp börjar ofta runt hålrum. Detta fenomen kommer så småningom att förstöra isoleringen.
det finns sätt att skydda en motor. Utöver ett förstärkt isoleringssystem kan det vara nödvändigt att sätta in ett filter mellan frekvensomvandlaren och induktionen. Sådana filter är tillgängliga från de flesta kända frekvensomvandlare leverantörer.
ett filter kommer vanligtvis att sakta ner spänningsökningstiden från

dU/dT = 5000v/uspis till 500-600V/uspis

lagerfel
nedbrytning av roterande maskiner kan ofta relateras till lagerfel. Förutom överdriven uppvärmning, otillräcklig smörjning eller metallutmattning kan elektrisk ström genom lagren vara orsaken bakom många mystiska lagerbrott, särskilt med stora induktioner. Detta fenomen orsakas vanligtvis av icke-symmetri i magnetkretsen, vilket inducerar en liten spänning i statorstrukturen eller av en nollsekvensström. Om potentialen mellan statorstrukturen och axelenheten blir tillräckligt hög, kommer en urladdning att ske genom lagret. Små elektriska urladdningar mellan rullelementen och lagerbanan kommer så småningom att skada lagret.
användningen av frekvensomvandlare ökar sannolikheten för att denna typ av lagerfel uppstår. Omkopplingstekniken hos en modern frekvensomvandlare orsakar en nollsekvensström som under vissa omständigheter finner sin väg genom lagren.
det enklaste sättet att bota detta problem är att höja ett hinder för strömmen. Den vanliga metoden är att använda ett lager med en isolerande beläggning på ytterringen.
slutsatser
användning av en frekvensomvandlare betyder inte problemfri. Massor av frågor som måste uppmärksammas under designarbetet. Kommer det till exempel att vara nödvändigt att begränsa den tillgängliga axelkraften för att förhindra överdriven uppvärmning? Det kan visa sig nödvändigt att köra med lägre uteffekt för att undvika problemet.
kommer induktionsmotorisoleringen att motstå effekter från omformaren? Är filtrering nödvändig? Moderna, effektiva växelriktare har skadlig inverkan på isoleringen på grund av hög Kopplingsfrekvens och kort spänningshöjningstid.
vilken Maximal kabellängd kan användas utan att producera full spänningsreflektion? Spänningsamplituden beror på både kabellängden och stigningstiden. Med mycket korta stigtider kommer full reflektion att ske i kablar 10 till 20 meter långa.
kan det vara nödvändigt att använda isolerade lager för att förhindra en nollsekvensström från att hitta sin väg till lagren?
först när vi är klara av alla dessa frågor kommer vi att kunna fatta rätt beslut om användningen av en frekvensomvandlare.