Frekvenční měnič je technologie, kterou je třeba zvládnout při provádění elektrotechnických prací. Použití frekvenčního měniče k řízení motoru je běžnou metodou v elektrickém řízení; některé metody vyžadují i znalost jeho používání.
1. V první řadě, proč používat frekvenční měnič k řízení motoru?
Motor je indukční zátěž, která brání změně proudu a při rozběhu způsobí velkou změnu proudu.
Měnič je zařízení pro řízení elektrické energie, které využívá funkci zapnutí/vypnutí výkonových polovodičových součástek k převodu průmyslového frekvenčního napájení na jinou frekvenci. Skládá se hlavně ze dvou obvodů, jeden je hlavní obvod (usměrňovací modul, elektrolytický kondenzátor a měničový modul) a druhý je řídicí obvod (deska spínaného zdroje, řídicí deska).
Aby se snížil rozběhový proud motoru, zejména u motorů s vyšším výkonem, platí, že čím větší je výkon, tím větší je rozběhový proud. Nadměrný rozběhový proud způsobí větší zátěž pro napájecí a distribuční síť. Měnič kmitočtu může tento problém se rozběhem vyřešit a umožnit plynulý rozběh motoru bez nadměrného rozběhového proudu.
Další funkcí frekvenčního měniče je úprava otáček motoru. V mnoha případech je nutné regulovat otáčky motoru pro dosažení lepší efektivity výroby a regulace otáček frekvenčním měničem byla vždy jejím největším lákadlem. Frekvenční měnič řídí otáčky motoru změnou frekvence napájecího zdroje.
2. Jaké jsou metody řízení měniče?
Pět nejčastěji používaných metod řízení motorů s měničem je následujících:
A. Metoda řízení sinusoidální pulzně šířkovou modulací (SPWM)
Jeho charakteristikami jsou jednoduchá struktura řídicího obvodu, nízké náklady, dobrá mechanická odolnost a schopnost splňovat požadavky na plynulou regulaci rychlosti běžných převodovek. Je široce používán v různých oblastech průmyslu.
Avšak při nízkých frekvencích je moment v důsledku nízkého výstupního napětí výrazně ovlivněn úbytkem napětí na statorovém odporu, což snižuje maximální výstupní moment.
Navíc jeho mechanické vlastnosti nejsou tak silné jako u stejnosměrných motorů a jeho dynamická točivá kapacita a statická regulace otáček nejsou uspokojivé. Kromě toho výkon systému není vysoký, regulační křivka se mění se zatížením, odezva momentu je pomalá, míra využití momentu motoru není vysoká a výkon se při nízkých otáčkách snižuje v důsledku existence statorového odporu a efektu mrtvé zóny měniče a zhoršuje se stabilita. Proto se lidé zabývají vektorovým řízením a regulací otáček s proměnnou frekvencí.
B. Metoda řízení napěťovým prostorovým vektorem (SVPWM)
Je založen na celkovém generačním efektu třífázového průběhu s cílem přiblížit se k ideální kruhové trajektorii rotujícího magnetického pole vzduchové mezery motoru, generovat po jednom třífázovém modulačním průběhu a řídit ho způsobem vepsaného polygonu aproximujícího kružnici.
Po praktickém použití došlo k vylepšení, tj. zavedení frekvenční kompenzace pro eliminaci chyby regulace otáček, odhadu amplitudy magnetického toku pomocí zpětné vazby pro eliminaci vlivu odporu statoru při nízkých otáčkách a uzavření výstupní napěťové a proudové smyčky pro zlepšení dynamické přesnosti a stability. Existuje však mnoho článků řídicího obvodu a není zavedeno žádné nastavení momentu, takže výkon systému nebyl zásadně zlepšen.
C. Metoda vektorové regulace (VC)
Podstatou je vytvořit střídavý motor ekvivalentní stejnosměrnému motoru a nezávisle řídit otáčky a magnetické pole. Řízením rotorového toku se statorový proud rozkládá, aby se získaly složky točivého momentu a magnetického pole, a pomocí transformace souřadnic se dosahuje ortogonálního nebo odděleného řízení. Zavedení metody vektorového řízení má přelomový význam. V praktických aplikacích je však obtížné přesně sledovat rotorový tok, a proto jsou charakteristiky systému výrazně ovlivněny parametry motoru. Vektorová transformace rotace použitá v ekvivalentním procesu řízení stejnosměrného motoru je poměrně složitá, což ztěžuje dosažení ideálního výsledku analýzy samotného regulačního efektu.
D. Metoda přímé regulace točivého momentu (DTC)
V roce 1985 profesor DePenbrock z Ruhrské univerzity v Německu jako první navrhl technologii přímé regulace momentu s frekvenční přeměnou. Tato technologie do značné míry vyřešila nedostatky výše zmíněného vektorového řízení a rychle se rozvíjela s novými myšlenkami řízení, stručnou a jasnou strukturou systému a vynikajícím dynamickým a statickým výkonem.
V současné době se tato technologie úspěšně používá pro vysoce výkonný střídavý přenos trakce elektrických lokomotiv. Přímé řízení momentu přímo analyzuje matematický model střídavých motorů ve statorovém souřadnicovém systému a řídí magnetický tok a točivý moment motoru. Není nutné srovnávat střídavé motory se stejnosměrnými motory, čímž se eliminuje mnoho složitých výpočtů při transformaci vektorové rotace; není nutné napodobovat řízení stejnosměrných motorů ani zjednodušovat matematický model střídavých motorů pro oddělení.
E. Maticová metoda řízení AC-AC
VVVF frekvenční převod, vektorový frekvenční převod a frekvenční převod s přímým řízením momentu jsou typy frekvenčních převodů AC-DC-AC. Jejich společnými nevýhodami jsou nízký vstupní účiník, velký harmonický proud, velký kondenzátor potřebný pro stejnosměrný obvod a nemožnost zpětného čerpání rekuperační energie do elektrické sítě, tj. nelze jej provozovat ve čtyřech kvadrantech.
Z tohoto důvodu vznikla maticová AC-AC frekvenční konverze. Protože maticová AC-AC frekvenční konverze eliminuje mezilehlý stejnosměrný článek, eliminuje také velký a drahý elektrolytický kondenzátor. Dokáže dosáhnout účiníku 1, sinusového vstupního proudu a může pracovat ve čtyřech kvadrantech. Systém má vysokou hustotu výkonu. Přestože tato technologie ještě není dostatečně vyspělá, stále přitahuje mnoho vědců k hloubkovému výzkumu. Její podstatou není nepřímé řízení proudu, magnetického toku a dalších veličin, ale přímé využití točivého momentu jako řízené veličiny k dosažení tohoto cíle.
3. Jak frekvenční měnič řídí motor? Jak jsou oba prvky propojeny?
Zapojení měniče pro ovládání motoru je relativně jednoduché, podobné zapojení stykače, se třemi hlavními napájecími vodiči vstupujícími a výstupujícími do motoru, ale nastavení je složitější a liší se i způsoby ovládání měniče.
Zaprvé, pokud jde o terminál měniče, ačkoli existuje mnoho značek a různých způsobů zapojení, terminály zapojení většiny měničů se příliš neliší. Obecně se dělí na vstupy spínačů dopředu a dozadu, které se používají k ovládání spouštění motoru dopředu a dozadu. Svorky zpětné vazby se používají ke zpětné vazbě provozního stavu motoru.včetně provozní frekvence, rychlosti, poruchového stavu atd.
Pro řízení nastavení otáček některé frekvenční měniče používají potenciometry, jiné přímo tlačítka, přičemž všechny jsou ovládány fyzickým zapojením. Dalším způsobem je použití komunikační sítě. Mnoho frekvenčních měničů nyní podporuje řízení přes komunikaci. Komunikační linku lze použít k ovládání spouštění a zastavování, otáčení vpřed a vzad, nastavení otáček atd. motoru. Současně se komunikací přenášejí i zpětnovazební informace.
4. Co se stane s výstupním točivým momentem motoru, když se změní jeho otáčky (frekvence)?
Počáteční a maximální točivý moment při pohonu frekvenčním měničem jsou menší než při pohonu přímo ze zdroje napájení.
Motor má při napájení ze zdroje velký rozběhový a akcelerační náraz, ale tyto nárazy jsou slabší při napájení z frekvenčního měniče. Přímý rozběh ze zdroje generuje velký rozběhový proud. Při použití frekvenčního měniče se výstupní napětí a frekvence frekvenčního měniče postupně přidávají k motoru, takže rozběhový proud a náraz jsou menší. Točivý moment generovaný motorem obvykle klesá s klesající frekvencí (snižující se rychlostí). Skutečné údaje o snížení budou vysvětleny v některých manuálech k frekvenčním měničům.
Obvyklý motor je navržen a vyroben pro napětí 50 Hz a jeho jmenovitý točivý moment je také udáván v tomto rozsahu napětí. Regulace otáček pod jmenovitou frekvencí se proto nazývá regulace otáček s konstantním momentem. (T=Te, P<=Pe)
Pokud je výstupní frekvence měniče kmitočtu větší než 50 Hz, točivý moment generovaný motorem se lineárně snižuje nepřímo úměrně frekvenci.
Pokud motor běží s frekvencí vyšší než 50 Hz, je nutné zohlednit velikost zatížení motoru, aby se zabránilo nedostatečnému výstupnímu momentu motoru.
Například točivý moment generovaný motorem při 100 Hz se sníží na přibližně 1/2 točivého momentu generovaného při 50 Hz.
Regulace otáček nad jmenovitou frekvencí se proto nazývá regulace otáček s konstantním výkonem. (P=Ue*Ie).
5. Použití frekvenčního měniče nad 50 Hz
Pro konkrétní motor je jeho jmenovité napětí a jmenovitý proud konstantní.
Například pokud jsou jmenovité hodnoty měniče i motoru: 15 kW/380 V/30 A, může motor pracovat s frekvencí nad 50 Hz.
Při rychlosti 50 Hz je výstupní napětí měniče 380 V a proud 30 A. V tomto případě, pokud se výstupní frekvence zvýší na 60 Hz, může maximální výstupní napětí a proud měniče dosáhnout pouze 380 V/30 A. Výstupní výkon samozřejmě zůstává nezměněn, proto se tomu říká regulace otáček s konstantním výkonem.
Jaký je v tomto okamžiku točivý moment?
Protože P=wT(w; úhlová rychlost, T: točivý moment), a jelikož P zůstává nezměněn a w se zvyšuje, točivý moment se odpovídajícím způsobem sníží.
Můžeme se na to podívat i z jiného úhlu pohledu:
Statorové napětí motoru je U=E+I*R (I je proud, R je elektrický odpor a E je indukovaný potenciál).
Je vidět, že když se U a I nemění, nemění se ani E.
A E=k*f*X (k: konstanta; f: frekvence; X: magnetický tok), takže když se f změní z 50–>60 Hz, X se odpovídajícím způsobem sníží.
Pro motor platí T=K*I*X (K: konstanta; I: proud; X: magnetický tok), takže točivý moment T se bude snižovat s klesajícím magnetickým tokem X.
Zároveň, když je menší než 50 Hz, protože I*R je velmi malé a U/f=E/f se nemění, je magnetický tok (X) konstantní. Točivý moment T je úměrný proudu. Proto se k popisu přetížitelné (momentové) kapacity měniče obvykle používá nadproudová kapacita a nazývá se regulace otáček s konstantním momentem (jmenovitý proud zůstává nezměněn –> maximální točivý moment zůstává nezměněn).
Závěr: Když se výstupní frekvence měniče zvýší nad 50 Hz, výstupní točivý moment motoru se sníží.
6. Další faktory související s výstupním točivým momentem
Kapacita generování tepla a kapacita odvodu tepla určují výstupní proudovou kapacitu měniče, a tím ovlivňují i výstupní krouticí moment měniče.
1. Nosná frekvence: Jmenovitý proud uvedený na měniči je obecně hodnota, která dokáže zajistit nepřetržitý výstup při nejvyšší nosné frekvenci a nejvyšší okolní teplotě. Snížení nosné frekvence neovlivní proud motoru. Sníží se však generování tepla součástkami.
2. Teplota okolí: Stejně jako u měniče se hodnota ochranného proudu nezvýší, pokud je detekována relativně nízká teplota okolí.
3. Nadmořská výška: Zvýšení nadmořské výšky má vliv na odvod tepla a izolační vlastnosti. Obecně lze pod 1000 m n. m. jej zanedbat a kapacitu lze snížit o 5 % na každých 1000 m nad ním.
7. Jaká je vhodná frekvence pro frekvenční měnič k řízení motoru?
Ve výše uvedeném shrnutí jsme se dozvěděli, proč se měnič používá k řízení motoru, a také jsme pochopili, jak měnič řídí motor. Měnič řídí motor, což lze shrnout následovně:
Za prvé, měnič řídí spouštěcí napětí a frekvenci motoru, aby se dosáhlo plynulého rozběhu a plynulého zastavení;
Za druhé, měnič se používá k nastavení otáček motoru a otáčky motoru se upravují změnou frekvence.
Motor s permanentními magnety od společnosti Anhui MingtengProdukty jsou řízeny měničem. V rozsahu zatížení 25 %–120 % mají vyšší účinnost a širší provozní rozsah než asynchronní motory se stejnými specifikacemi a mají významný vliv na úsporu energie.
Naši profesionální technici vyberou vhodnější měnič podle specifických pracovních podmínek a skutečných potřeb zákazníků, aby dosáhli lepší kontroly nad motorem a maximalizovali jeho výkon. Naše oddělení technického servisu může zákazníky na dálku provést instalací a laděním měniče a zajistit komplexní následný servis před i po prodeji.
Autorská práva: Tento článek je reprintem veřejného čísla WeChatu „Technické školení“, původní odkaz https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA
Tento článek nereprezentuje názory naší společnosti. Pokud máte jiné názory nebo postoje, opravte nás prosím!
Čas zveřejnění: 9. září 2024