Przetwornice częstotliwości ułatwiają zmianę prędkości obrotowej silnika, sprawiają, że pracuje płynniej. Zwiększa to wydajność sprzętu i wydłuża jego żywotność.
Czym są przetwornice częstotliwości
Przetwornice częstotliwości to urządzenia, które umożliwiają zmianę częstotliwości napięcia wyjściowego. Jest to konieczne, aby zmieniać prędkość obrotową silnika.
Przy bezpośrednim podłączeniu do sieci częstotliwość drgań pozostaje niezmieniona, standardowe wartości to 50 lub 60 Hz. Zastosowanie przetwornicy częstotliwości pozwala na zwiększenie lub zmniejszenie obrotów wirnika. Zakres możliwych zmian wynosi od 0,5-800 Hz. Jednak obecnie większość silników jest zaprojektowana na częstotliwość nie większą niż 400 Hz.
Główne cechy konwerterów
Nowoczesny sprzęt elektryczny to zaawansowane technologicznie urządzenie ze sterowaniem programowym. Za dokładność i niezawodność odpowiada elektroniczny system sterowania. Jednostki są dość kompaktowe i łatwe w obsłudze.
W zależności od możliwości regulacji wskaźników napięcia wyjściowego przetwornice dzielą się na sterowane i niezarządzane. W pierwszym można zmienić parametry, w drugim wskaźniki są ustalane na podstawie projektu urządzenia. Istnieją również modele, w których następuje automatyczne dostrajanie parametrów podłączonego silnika. Wymaga to rozruchu identyfikacyjnego, podczas którego parametry uzwojeń są określane automatycznie.
Oprócz możliwości dostosowania wskaźników istnieją różne rodzaje sterowania urządzeniem. Są dwa z nich: skalarny i wektorowy. Skalar nie daje możliwości ustawienia dokładnych ustawień, określa jedynie stosunek częstotliwości na wejściu i wyjściu. Wraz ze zmianą danych wejściowych zmieniają się proporcjonalnie parametry końcowe. Sterowanie wektorowe umożliwia ustawienie dokładnych parametrów wymaganych dla konkretnego silnika w określonej sytuacji.
Aby praca urządzenia była dokładniejsza i łatwiejsza do kontrolowania, nowoczesna technologia wyposażona jest w karty pamięci oraz wyświetlacz do wyświetlania informacji.
Podczas korzystania z konwerterów należy wziąć pod uwagę pewne niuanse. Tak więc praca silnika na niskich obrotach prowadzi do wzrostu temperatury, z czym wbudowany wentylator może nie być w stanie sobie poradzić. Dlatego konieczne jest monitorowanie ogrzewania i, jeśli to konieczne, stosowanie wymuszonego chłodzenia.
Ponadto działający konwerter staje się potężnym źródłem prądu o wysokiej częstotliwości. Własne mikroukłady sprzętu są chronione przed zakłóceniami specjalnymi filtrami. Aby jednak drgania nie wpływały na pracę innych urządzeń, należy zastosować jak najkrótszy kabel ekranujący. Odległość do innych kabli musi wynosić co najmniej 10 cm, jeśli konieczne jest skrzyżowanie, należy to zrobić pod kątem 90 °.
Zastosowanie przemienników częstotliwości
Przetwornice częstotliwości są podłączone do urządzeń, których działanie polega na zmianie prędkości silnika.
Mechanizmy te obejmują:
-
systemy wentylacyjne;
przenośniki;
kompresory;
manipulatory i koparki;
-
wirówki;
robotyka itp.
Również przetwornica częstotliwości służy do synchronizacji działania wzajemnie połączonych mechanizmów. Związek może być zarówno bezpośredni, jak i odwrotny.
Zasada działania
Aby napięcie przechodzące przez konwerter zmieniało charakterystykę, stosuje się zasadę podwójnej zmiany. Na wejściu napięcie sieciowe jest prostowane za pomocą mostka diodowego i filtrowane przez kondensatory. Tutaj amplituda oscylacji jest wygładzana, po czym prąd wchodzi do części konwertującej.
Transformacja odbywa się dzięki połączeniu w określony sposób tranzystorów (zwykle jest ich 6). Są połączone w obwodzie antyrównoległym. Za ich pomocą ustawiane są pożądane wskaźniki częstotliwości i amplitudy aktualnych oscylacji.
Istnieją dwa rodzaje systemu sterowania:
amplituda, gdy wskaźniki napięcia wejściowego są regulowane;
szerokość impulsu (PWM), w której na zmianę wydajności wpływa kolejność przełączania tranzystorów. W określonej, ściśle określonej kolejności sygnał wchodzi na zaciski dodatni i ujemny, w wyniku czego powstaje sinusoida o jasno określonych parametrach.
Kontrolują proces i zmieniają za pomocą mikroprocesorów daną charakterystykę. Specjalny mikrokontroler wysyła sygnał do mikroukładu. Istnieje porównanie zmian z danym standardem (5 Hz). Ponadto program, zgodnie ze specjalnym algorytmem, konwertuje prąd na pożądaną wartość. Dodatkowo mikrokontroler monitoruje temperaturę półprzewodników, zabezpiecza urządzenie przed przegrzaniem i przepięciami.
Aby chronić ustawienia przed wpływami zewnętrznymi, obudowa jest niezawodnie chroniona. Należy zapobiegać nie tylko uszkodzeniom mechanicznym (wstrząsy, kurz, wilgoć), ale także ewentualnym wzajemnym zakłóceniom, jakie tworzą inne działające urządzenia. Aby zmniejszyć zakłócenia radiowe i niewidoczne wyładowania elektryczne, stosuje się specjalny filtr.
W efekcie na wyjściu, które napędza silnik elektryczny i ustawia żądaną prędkość, uzyskuje się wyraźny, stabilny sygnał o żądanej częstotliwości.
Kryteria wyboru
Istnieje wiele modeli różniących się właściwościami technicznymi i ceną.
Aby dokonać właściwego wyboru, musisz wziąć pod uwagę:
Moc. Konieczne jest skupienie się na maksymalnej energii, jaką zużywa silnik. W takim przypadku wydajność urządzenia powinna przekraczać tę wartość o około 10%. Zmniejszy to ryzyko przeciążenia, ponieważ nawet podczas pracy z maksymalną wydajnością istnieje rezerwa mocy. Jeśli podłączony sprzęt charakteryzuje się skokami obciążenia, należy również kierować się wskaźnikami maksymalnymi. Gdy do przekształtnika podłączonych jest kilka silników, do obliczeń wykorzystywana jest ich łączna moc;
Napięcie sieciowe. Im większy zasięg, tym lepiej. Jednocześnie, jeśli spadek napięcia w sieci prowadzi do wyłączenia urządzenia, zbyt wysokie wartości mogą spowodować awarię konwertera;
Zakres regulacji częstotliwości. Górna granica odpowiada maksymalnej częstotliwości podłączonego sprzętu. Dolna granica pokazuje zakres regulacji prędkości. Standardowy stosunek to 1:10;
Liczba faz wejściowych (jedna lub trzy). Modele trójfazowe są instalowane na urządzeniach przemysłowych o mocy wejściowej 380 woltów. Jednofazowe mogą być używane tylko przy zasilaniu sieciowym 220 woltów. Od tego zależy również schemat podłączenia do silnika elektrycznego;
Zakres: w normalnych warunkach wystarcza standardowa ochrona obudowy. Jeżeli urządzenie ma być wykorzystywane np. w górnictwie, wymagany będzie podwyższony stopień ochrony. Ta cecha jest wskazywana przez oznaczenie IP. Im wyższy wskaźnik, tym bardziej niezawodny sprzęt jest chroniony;
Metoda kontroli. Jednostki typu Vector są droższe, ale umożliwiają bardziej precyzyjne ustawienia. Sterowanie skalarne pozwala jedynie na zachowanie proporcji między wskaźnikami na wejściu i wyjściu. Jednak w przypadku niektórych rodzajów sprzętu, takich jak wentylatory, jest to wystarczające;
Liczba sygnałów wejściowych i wyjściowych. Dzięki nim zwiększają się możliwości sterowania i strojenia konwertera. Są dyskretne, analogowe i cyfrowe. Wejścia dyskretne umożliwiają wydawanie poleceń sterujących (start, stop, bieg wsteczny itp.). Wejścia analogowe służą do regulacji i ustawień urządzenia podczas pracy. Wejścia cyfrowe służą do wprowadzania sygnałów z czujników. Wyjścia dyskretne dostarczają „sprzężenie zwrotne” z urządzenia, informując o krytycznych zmianach w jego pracy (błąd, przegrzanie, zbyt wysokie napięcie itp.). Do budowy złożonych systemów potrzebne są wyjścia analogowe. Im więcej wejść i wyjść, tym dokładniejsze ustawienia i wyższa jakość konwersji. Ale komplikacja aparatu nieuchronnie wpływa na cenę;
Sprzęt wymagający konwertera. Istnieją markowe modele przeznaczone do konkretnej techniki. Istnieją uniwersalne jednostki do uniwersalnego zastosowania.
Gwarancja i warunki świadczenia usług. Wysokiej jakości serwis pozwoli Ci nie martwić się o wydajność konwertera, a także o sprzęt, do którego jest podłączony.
Zalety przemienników częstotliwości
Zastosowanie przetwornicy częstotliwości ma wiele zalet:
oszczędzanie energii elektrycznej;
ochrona silnika przed problemami związanymi ze zmianami wskaźników prądu (przepięcia, zwarcia, przeciążenia sieci itp.);
zwiększa dokładność sterowania prędkością silnika;
spadki prędkości są wygładzane podczas rozruchu i hamowania;
możesz zarządzać grupą mechanizmów;
prostszy system sterowania;
zmiana ustawień podczas pracy urządzenia, bez zatrzymywania go;
zwiększenie żywotności silnika elektrycznego.
Wszystko to upraszcza zarządzanie złożonymi mechanizmami, zwiększa wydajność, wydłuża żywotność sprzętu i ostatecznie zapewnia znaczne oszczędności budżetowe.
Jedną z głównych wad silników indukcyjnych jest trudność w regulacji prędkości. Można go zmienić na trzy sposoby: zmieniając liczbę par biegunów, zmieniając poślizg oraz zmieniając częstotliwość. Ostatnio, aby kontrolować prędkość obrotową asynchronicznego silnika klatkowego, częstotliwość prądu jest zmieniana za pomocą przemienników częstotliwości silnika elektrycznego.
Ostatnio napędy wysokiej częstotliwości stały się szeroko stosowane w produkcji, a dla wielu niedoświadczonych początkujących, którzy spotykają się z nimi w praktyce, często pojawia się pytanie, czym jest przetwornica częstotliwości i dlaczego jest potrzebna. Zaletami przemiennika częstotliwości dla silnika elektrycznego są:
- zmniejszenie zużycia energii przez silnik;
- poprawiona wydajność: płynny start i kontrola prędkości;
- wyjątek możliwych przeciążeń.
Płynność rozruchu zapewnia konwerter dzięki redukcji prądu rozruchowego za jego pomocą, który bez przetwornicy częstotliwości przekracza prąd znamionowy 5–7 razy.
Głównymi częściami w urządzeniu przekształtnikowym są falownik i kondensatory. Falownik jest zwykle wykonany z mostków diodowych. Jego zadaniem jest prostowanie napięcia wejściowego, które w zależności od ilości faz może przybierać wartość 220V lub 380V, ale jednocześnie utrzymywać tętnienie. Wyprostowane napięcie jest następnie wygładzane i filtrowane przez kondensatory.
Następnie prąd stały jest przesyłany do mikroukładów i przełączników IGBT mostka wyjściowego. Zazwyczaj przełącznik mostkowy IGBT składa się z sześciu tranzystorów połączonych w obwód mostkowy. Ochronę przed przebiciem napięcia o odwrotnej polaryzacji zapewniają diody. We wcześniejszych obwodach zamiast tranzystorów stosowano tyrystory, których istotnymi wadami były pewne powolne działanie i zakłócenia.
Dzięki tym urządzeniom sekwencja szerokości impulsu występuje z wymaganą częstotliwością. Na wyjściu przetwornicy częstotliwości impulsy napięciowe mają kształt prostokątny. A po przejściu przez uzwojenie stojana, ze względu na jego indukcyjność, przybierają postać sinusoidalną.
Aby zrozumieć, dlaczego falownik jest potrzebny, konieczne jest zrozumienie, że prąd może być stały i zmienny. A jeśli przetwornice częstotliwości są używane podczas pracy z prądem przemiennym, do sterowania silnikiem elektrycznym na prąd stały potrzebny jest napęd elektryczny na prąd stały. Nazywa się to falownikiem, a jego celem w obwodzie jest sterowanie prądem wzbudzenia. A także, niezależnie od zmian obciążenia, może utrzymywać prędkość wirnika w wymaganych granicach i przeprowadzać jego hamowanie.
Wybierając chastotnik, najniższy koszt określa zestaw minimalnych funkcji. Wzrost wartości jest proporcjonalny do ich wzrostu.
Początkowo konwertery są klasyfikowane według mocy. Równie ważnymi parametrami są przeciążalność i rodzaj wykonania.
Moc przetwornicy częstotliwości nie może być mniejsza niż maksymalna moc instalacji. W celu szybkiej naprawy lub wymiany w przypadku awarii przetwornicy częstotliwości silnika elektrycznego, pożądane jest, aby centrum serwisowe znajdowało się w bezpośrednim sąsiedztwie.
Przy wyborze konwertera ważnym czynnikiem jest jego napięcie. Jeśli wybierzesz chastotnik o określonym napięciu, aw sieci okaże się, że jest niższy, to się wyłączy. Jeżeli napięcie sieciowe przez długi czas będzie pozwalało na dopuszczalne napięcie, to doprowadzi to do jego uszkodzenia i niemożliwej do dalszej pracy. Biorąc pod uwagę te zagrożenia, należy wybrać chastotniki o dużym zakresie dopuszczalnego napięcia.
Istnieją dwa rodzaje sterowania konwerterem: wektorowe i skalarne.
Przy sterowaniu skalarnym utrzymywana jest stała między wartością napięcia a częstotliwością na wyjściu. Jest to najprostszy rodzaj chastotnikowa, a co za tym idzie tańszy.
W przypadku sterowania wektorowego, dzięki redukcji błędu statycznego, sterowanie jest dokładniejsze. Jednak koszt asynchronicznej przetwornicy częstotliwości z tego typu sterowaniem jest wyższy w porównaniu ze sterowaniem skalarnym.
Obecna strefa regulacji częstotliwości musi mieścić się w wymaganych granicach. Dla zakresów z ponad 10-krotną regulacją częstotliwości lepiej jest wybrać sterowanie wektorowe.
Liczba wejść powinna być optymalna, ponieważ jeśli ich liczba jest zbyt duża, cena urządzenia do zmiany częstotliwości będzie nieuzasadniona i mogą pojawić się pewne trudności przy jego konfiguracji.
Należy wziąć pod uwagę obciążalność przemiennika częstotliwości pod względem prądu i mocy. Prąd chastotnika powinien być nieco większy niż prąd znamionowy silnika. W przypadku obciążeń udarowych wymagany jest margines prądu szczytowego, który musi wynosić co najmniej 10% prądu udarowego.
Obliczanie przemiennika częstotliwości dla silnika elektrycznego
Aby przetwornica częstotliwości działała niezawodnie i była zgodna z ustawionymi wartościami, konieczne jest obliczenie jego głównych parametrów:
- rodzaj wykonania;
- moc.
Obliczenie prądu przekształtnika odbywa się według wzoru:
gdzie P jest mocą znamionową silnika, kW;
U - napięcie, V
cosφ - wartość współczynnika mocy
Prawidłowy dobór mocy urządzenia do zmiany częstotliwości wpływa na sprawność instalacji. Jeśli moc przetwornicy częstotliwości jest niedoszacowana, wydajność sprzętu będzie niska. Długotrwałe przeciążenie podczas pracy może spowodować uszkodzenie przetwornicy częstotliwości.
Jeśli moc przetwornicy częstotliwości jest zbyt wysoka i skoki napięcia lub przeciążenie, ochrona silnika nie zadziała, co doprowadzi do uszkodzenia. U
Moc przetwornicy częstotliwości musi być o 15% większa niż moc znamionowa odpowiedniego silnika.
Przetwornice częstotliwości do silnika o mocy około 3 kW są najczęściej spotykane ze względu na ich kompaktowość, stosunkowo niską cenę, łatwość montażu i konserwacji.
Ręczny montaż chastotników do silników o mocy 3 kW i więcej nie ma sensu - będą one dość drogie w cenie i nie zawsze zapewniają niezbędną dokładność działania.
Do silników o mocy 3 kW stosuje się przemienniki częstotliwości:
- w systemach wentylacyjnych do sterowania prędkością wentylatora;
- do jednoczesnej pracy przenośników odbiorczych i zasilających;
- do dostarczania surowców z kontrolą jego objętości;
- do sterowania wieloma pompami;
- kontrolować pracę pompy głębinowej;
- do regulacji szybkości podawania surowców w kruszarkach.
Przetwornice częstotliwości dla silników o większej mocy różnią się maksymalną częstotliwością wyjściową, obecnością filtra kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) oraz rodzajem trybu sterowania.
Na przykład przemiennik częstotliwości dla silnika o mocy 15 kW ma niższą maksymalną częstotliwość wyjściową niż falownik dla silnika o mocy 3 kW. W tym silniku nie ma filtra EMC. Tryb sterowania jest tylko skalarny.
- W przypadku, gdy użytkownik pomylił się z mocą przy wyborze i okazała się ona zbyt wysoka, przekształtnik nie będzie w stanie ochronić silnika przed ewentualnym przeciążeniem, skokami napięcia i innymi czynnikami.
- Mniejsza moc nie stworzy warunków dla dobrej wydajności maszyny. Przetwornica o małej mocy nie będzie w stanie zapewnić wysokiej dynamiki trybu pracy zespołu pompującego. Sporadyczne przeciążenia mogą spowodować awarię.
Czynniki do rozważenia przy wyborze
Warunki pracy urządzenia są istotnym czynnikiem wpływającym na żywotność silnika elektrycznego. Dlatego przy wyborze należy zwrócić uwagę na takie czynniki:
- ograniczenia prędkości roboczych silnika elektrycznego;
- granice robocze momentów obrotowych;
- charakter ładunku;
- cykl pracy.
Wszystkie funkcje są ze sobą połączone. Tak więc obciążenie ma kilka rodzajów i jest związane z takimi cechami, jak prędkość, moment obrotowy i moment rozruchowy. Zdarza się:
- funkcjonalny lub używany do podnoszenia ładunków, na przykład suwnicy, silnik elektryczny można podłączyć z falownika;
- obciążenie z przenoszeniem i magazynowaniem energii.
Prędkości obrotowe i momentowe są związane z parametrami prędkości, momentu i czasu, zależą od następujących charakterystyk:
- wartość momentu stałego;
- stała wartość prędkości;
- malejąca liczba momentu obrotowego;
- zmniejszająca się prędkość.
Charakter obciążenia zależy od takich wskaźników jak:
Funkcje przy obliczaniu falownika dla silnika elektrycznego
Przed wyborem przetwornicy częstotliwości należy dokonać wyboru i obliczeń przetwornicy częstotliwości dla silnika elektrycznego. Pamiętaj, aby zwracać uwagę na czas trwania trybów szybkich, w tym trybu przerywanego. Należy wziąć pod uwagę chwilową wartość maksymalnego prądu i czas trwania prądu stałego na wyjściu z przekształtnika.
Ważne jest, aby wziąć pod uwagę częstotliwość maksymalną i znamionową. Moc lub impedancja transformatora rozdzielczego mocy jest brana pod uwagę wraz z przewodami linii elektroenergetycznej lub linii kablowej. Źródło zasilania wpływa również na zespół pompujący, długość linii zasilającej wpływa na utratę napięcia. Uwzględniono możliwe skoki napięcia, możliwą asymetrię faz przy nierównym obciążeniu, co wpływa na asymetrię faz.
Uwzględniane są takie czynniki, jak tarcie mechaniczne, straty w przewodzie i zmiany cyklu pracy.
Dobór przetwornic częstotliwości do pomp
Ważne jest, aby poprawnie obliczyć przetwornicę częstotliwości i połączyć ją z jednostką pompującą. Obliczenia wpłyną na prawidłowy dobór przetwornika. Od tego całkowicie zależy jego sprawność i trwałość użytkowania zarówno samej przetwornicy, jak i napędu elektrycznego (zespołu pompującego).
Jak wybrać falownik przed zakupem?
Przed wyborem przetwornicy częstotliwości należy sprawdzić kompatybilność elektryczną z silnikiem i obciążalność (moc).
Ryż. nr 1. Schemat blokowy systemu VFD.
Podczas pracy konwertera wybór dokonywany jest w zależności od cech paszportu. Przy wyborze czynniki takie jak:
- Moc zgodnie z paszportem falownika i silnika elektrycznego musi być równa. Parametr ten jest skuteczny w przypadku stosowania silników z dwiema parami biegunów (2p=4), o prędkości obrotowej do 1500 obr/min, przy stałym momencie obrotowym. Dotyczy to również falowników, które mogą wytrzymać 150% przeciążenia (przenośniki, przenośniki taśmowe) oraz falowników pracujących z 120% przeciążeniem (wentylatory, pompy odśrodkowe).
- Prąd znamionowy musi być równy i większy niż ciągły prąd pobierany przez silnik (prąd obciążenia).
Ważne: Prąd pobierany przez silnik musi być mniejszy niż prąd znamionowy przetwornicy częstotliwości podany w specyfikacji.
Czas przyspieszania silnika przy prądzie rozruchowym 150% wynosi 120% dla przekształtników specjalizujących się w jednostkach pompujących, zwykle nie powinien przekraczać 60 sekund od znamionowego napędu.
- Napięcie wejściowe sieci musi zadowalać przekształtnik, musi on działać w przypadku jakichkolwiek odchyleń napięcia od normy.
- Zakres regulacji częstotliwości, który może obsługiwać falownik, musi odpowiadać szybkiemu działaniu silnika.
- Obecność dyskretnych wejść sterujących jest niezbędna do wprowadzania różnego rodzaju poleceń zaprogramowanych przez użytkownika. Potrzebne są również analogowe, które służą do wprowadzania sygnałów referencyjnych i do sprzężenia zwrotnego. Wymagane są również wejścia cyfrowe, obsługujące sygnały o wysokiej częstotliwości pochodzące z enkoderów lub cyfrowych czujników prędkości i położenia.
- Ilość sygnałów wyjściowych wykorzystywana jest do tworzenia złożonych obwodów dla systemu przepompowni.
- Możliwość sterowania operacyjnego w trybie pracy, mogą to być wejścia sterujące za pomocą pilota. Lub sterowanie przez komunikację szeregową za pośrednictwem kontrolera lub komputera. Może będzie to zarządzanie połączone.
- Wybór przekształtnika zależy od preferencji sposobu sterowania silnikiem, . Zależy od oddzielnego sterowania wektorowego silnika lub sterowania skalarnego - utrzymanie jednego stałego stosunku napięcia wyjściowego do częstotliwości wyjściowej. W przypadku jednostek pompujących bardziej powszechna jest metoda sterowania wektorowego.
- Do dokładniejszych kryteriów doboru, od których zależy praca silnika przy stałej prędkości. W przypadku pracy falownika z jednym silnikiem moc potrzebną do uruchomienia oblicza się ze wzoru:
Ryż. nr 2. Wzór na obliczenie całkowitej mocy rozruchowej.
Pobór prądu przez silnik z przekształtnika przy napięciu sieci 220/380V oblicza się ze wzoru:
Ryż. Nr 3. Obliczanie charakterystyk mechanicznych silnika.
Ważne: Kierując się wymogiem wyboru właściwej przetwornicy częstotliwości pod względem charakterystyk prądowych, przetwornica musi spełniać wszystkie normy i wymagania, ale normy mocy można pominąć.
Ryż. Nr 4. Tabela nierówności, których należy przestrzegać przy wyborze falownika do pracy jednej przetwornicy częstotliwości z kilkoma silnikami.
Korzyści z zastosowania przetwornicy częstotliwości
Rys. nr 5. Korzyści z wyboru przetwornicy częstotliwości
Zalety przetwornicy częstotliwości obejmują kilka ważnych cech:
- Zmniejszenie prądu rozruchowego do rzeczywistej wartości roboczej. Różne są warunki zasilania silnika elektrycznego bezpośrednio z sieci oraz zasilania z przekształtnika. W pierwszym przypadku prąd rozruchowy wzrasta co najmniej siedmiokrotnie w stosunku do prądu znamionowego silnika. Miękki start ze stopniowym, płynnym wzrostem częstotliwości napięcia sieciowego silnika może zostać zredukowany do rzeczywistego, pobieranego przez silnik w trybie pracy ustalonej. Osiąga się to poprzez ustawienie czasu przyspieszania, jeśli konieczne jest przyspieszenie obciążenia bezwładnościowego, przekształtnik może dostarczyć więcej mocy niż moc silnika.
- Istnieją modele przekształtników maksymalnie zorientowane na pracę przy zmiennym obciążeniu momentem obrotowym, a mianowicie do przepompowni wyposażonych w pompy odśrodkowe. Prąd znamionowy przekształtnika może być o więcej niż dwa stopnie wyższy od prądu znamionowego silnika.
- uruchomienie jednostek pompujących daje oszczędność energii co najmniej 30%.
Wady wektorowych przetwornic częstotliwości:
- Trudność w konfiguracji konwertera wektorów, wymagana jest porada eksperta. Uwzględniane są parametry silnika elektrycznego, w tym indukcyjność.
- Technologia zastosowania napędu elektrycznego musi sugerować 100% dokładność, tylko w tym przypadku wybór falownika jest uzasadniony.
- Wybierając konwerter wektorowy, nie można zapomnieć o przejściu z trybu skalarnego.
- Wysokie wymagania dotyczące dokładności przyrządów pomiarowych i czujników prądu, co wpływa na koszty.
- Pożądane jest zastosowanie falownika wektorowego do konkretnego silnika elektrycznego.
Wybór przetwornicy częstotliwości
Podczas charakteryzowania przetwornicy częstotliwości dla danego obciążenia, pierwszym krokiem jest uwzględnienie charakterystyki obciążenia. Istnieją cztery różne sposoby obliczania wymaganych parametrów wyjściowych, wybór metody zależy od charakterystyki silnika.
Charakterystyka obciążenia
Przed doborem przetwornicy częstotliwości należy dokonać rozróżnienia między dwoma najczęściej używanymi wartościami obciążenia. Charakterystyki obciążenia różnią się między sobą w następujący sposób:
Ryż. 1. Stały i kwadratowy moment obciążenia
Wraz ze wzrostem prędkości pomp odśrodkowych i wentylatorów pobór mocy wzrasta do trzeciej mocy (P = n 3).
Normalny zakres pracy pomp odśrodkowych i wentylatorów wynosi od 50% do 90%. Współczynnik obciążenia wzrasta wraz z kwadratem prędkości, tj. około 30 do 80%.
Oba te czynniki są widoczne w charakterystyce momentu obrotowego silnika sterowanego przez przetwornicę częstotliwości.
Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono charakterystyki momentu obrotowego dla dwóch rozmiarów przemienników częstotliwości, z których jeden (rysunek 3) ma mniejszy zakres mocy niż drugi. Obie charakterystyki momentu obrotowego otrzymały te same charakterystyki obciążenia pompy odśrodkowej.
Na ryc. 2 cały zakres pracy pompy (0-100%) mieści się w nominalnych wartościach parametrów silnika. Ponieważ normalny zakres pracy pompy wynosi od 30% do 80%, można wybrać przetwornicę częstotliwości o niższej mocy wyjściowej.
Ryż. 2. Przetwornica częstotliwości o dużej mocy
Ryż. 3. Przetwornica częstotliwości niskiej mocy
Jeżeli moment obciążenia jest stały, silnik musi być w stanie dostarczyć większy moment obrotowy niż moment obciążenia, ponieważ nadmiar momentu jest wykorzystywany do przyspieszania.
W przypadku przyspieszenia i wysokiego początkowego momentu obrotowego, na przykład w przypadku napędów przenośników taśmowych, wystarczy krótkotrwały moment przeciążeniowy wynoszący 60% momentu obrotowego wytwarzanego przez przetwornicę częstotliwości. Moment przeciążenia zapewnia również systemowi zdolność do radzenia sobie z nagłymi wzrostami obciążenia. Przetwornica częstotliwości, która nie dopuszcza żadnego momentu przeciążeniowego, musi być tak dobrana, aby moment przyspieszający (TB) mieścił się w zakresie momentu znamionowego.
Ryż. 4. Moment przeciążenia służy do przyspieszania
Ocena obciążenia uwzględnia cztery różne zestawy specyfikacji silnika, aby pomóc Ci zdecydować, jak dobrać przetwornicę częstotliwości pod względem mocy.
1. Przetwornicę częstotliwości można wybrać szybko i dokładnie na podstawie wartości prądu l M, który pobiera silnik. Jeśli silnik nie jest w pełni obciążony, jego prąd można zmierzyć za pomocą podobnego systemu pracującego przy pełnym obciążeniu.
Ryż. 5.
Silnik elektryczny 7,5 kW, 3 x 400 V pobiera prąd 14,73 A.
Biorąc pod uwagę dane techniczne przetwornicy częstotliwości, wybiera się przetwornicę częstotliwości, której ciągły maksymalny prąd wyjściowy jest większy lub równy 14,73 A przy stałej lub kwadratowej charakterystyce momentu obrotowego.
Notatka:
W przypadku wyboru przemiennika częstotliwości na podstawie mocy (metody 2-4), przy tym samym napięciu należy porównać moc obliczoną z mocą podaną w danych technicznych przemiennika częstotliwości. Jeśli przetwornica częstotliwości oblicza na podstawie prądu (metoda 1), nie jest to wymagane, ponieważ prąd wyjściowy przetwornicy częstotliwości wpływa na inne dane.
2. Przetwornica częstotliwości może być wybrana na podstawie mocy pozornej SM pobieranej przez silnik i mocy pozornej dostarczanej przez przetwornicę częstotliwości.
Ryż. 6.
Przykład obliczenia i doboru przemiennika częstotliwości:
Silnik elektryczny 7,5 kW, 3x400 V zużywa prąd 14,73 A. Sm \u003d U x I x √3/1000 = 400 x 14,73 √3/1000 = 10,2 kVA
Biorąc pod uwagę dane techniczne przetwornicy częstotliwości, wybiera się przetwornicę częstotliwości, której ciągła maksymalna moc wyjściowa jest większa lub równa 10,2 kVA przy stałej lub kwadratowej charakterystyce momentu obrotowego.
3. Przetwornica częstotliwości może być również dobrana zgodnie z mocą Rm generowaną przez silnik elektryczny. Jednak ta metoda jest niedokładna, ponieważ cos φ i sprawność η zmieniają się wraz z obciążeniem.
Ryż. 7.
Przykład obliczenia mocy silnika elektrycznego
Silnik elektryczny o mocy 3 kW z cos φ = 0,80 i η = 0,81 pobiera moc S M = P M / (η x cos φ) = 3,0 / (0,80 x 0,81) = 4,6 kVA
Biorąc pod uwagę dane techniczne przetwornicy częstotliwości, wybiera się przetwornicę częstotliwości, której ciągła maksymalna moc wyjściowa jest większa lub równa 4,6 kVA przy stałej lub kwadratowej charakterystyce momentu obrotowego.
4. W praktyce moc znamionowa większości przemienników częstotliwości odpowiada standardowej serii silników asynchronicznych. Dlatego też przemienniki częstotliwości są często wybierane w oparciu o to względy, co jednak może prowadzić do niedokładnego określenia ich charakterystyk, zwłaszcza gdy silnik nie jest w pełni obciążony.
Ryż. osiem.
Rozkład prądu w przetwornicy częstotliwości (cos φ (phi) silnika)
Prąd do magnesowania silnika jest dostarczany przez kondensator umieszczony w obwodzie pośrednim przetwornicy częstotliwości. Prąd magnesujący to prąd bierny, który płynie między kondensatorem a silnikiem (rys. 9).
Ryż. 9. Prądy w przetwornicy częstotliwości
Tylko prąd czynny (l W) pochodzi z sieci. Dlatego prąd wyjściowy przetwornicy częstotliwości jest zawsze większy niż prąd wejściowy. Oprócz prądu czynnego z sieci pobierany jest prąd I strat (prąd strat).
Przykład obliczenia
Bez obciążenia prąd 4-biegunowego silnika o mocy 1,1 kW wynosi 1,6 A. Prąd wyjściowy podłączonej przetwornicy częstotliwości wynosi około 1,6 A, a prąd wejściowy podczas pracy bez obciążenia jest prawie zerowy.
Producenci silników zwykle podają cos φ silnika przy prądzie znamionowym. Przy mniejszej wartości cos φ (na przykład w przypadku synchronicznego silnika reluktancyjnego) prąd znamionowy silnika przy tych samych wartościach mocy i napięcia będzie większy, co widać z poniższego równanie:
I S = I W / cos φ
Jeśli przetwornica częstotliwości została wybrana w oparciu o prąd znamionowy silnika (metoda 1), nie ma obniżenia wartości znamionowych momentu obrotowego silnika.
Kondensator podłączony do zacisków silnika w celu kompensacji prądu biernego musi zostać usunięty. Ze względu na dużą częstotliwość przełączania przetwornicy częstotliwości kondensator zachowuje się jak zwarcie i powoduje znaczny wzrost prądu silnika. Falownik zinterpretuje to jako zwarcie doziemne lub zwarcie i wyłączenie awaryjne.
Kontrola prędkości silnika
Częstotliwość wyjściowa przetwornicy częstotliwości, a tym samym prędkość silnika jest kontrolowana przez jeden lub więcej sygnałów (0-10V, 4-20mA lub impulsy napięciowe). Po podaniu sygnału wzrostu prędkości prędkość silnika wzrasta, a pionowa część krzywej momentu silnika przesuwa się w prawo (rys. 10).
Ryż. 10. Związek między sygnałem sterującym a charakterystyką momentu obrotowego silnika
Jeśli moment obciążenia jest mniejszy niż moment znamionowy silnika, prędkość osiągnie wymaganą wartość. Jak pokazano na ryc. 11, charakterystyka obciążenia przecina się z charakterystyką momentu obrotowego silnika elektrycznego w części pionowej (w punkcie A). Jeżeli przecięcie występuje w części poziomej (punkt B), prędkość silnika nie może przekroczyć przez długi czas odpowiedniej wartości.Przetwornica częstotliwości pozwala na przekroczenie granicy prądu zwarciowego bez wyzwalania (punkt C), ale czas trwania przekroczenia musi być koniecznie ograniczony w czasie.
Ryż. 11. Prąd silnika może przez krótki czas przekroczyć limit prądu
Rampy przyspieszania i zwalniania
Charakterystyka (rampa) przyspieszenia pokazuje szybkość, z jaką następuje wzrost prędkości i jest zadawana w postaci czasu przyspieszenia t wg . Rampy te opierają się głównie na częstotliwości znamionowej silnika, na przykład rampa przyspieszenia trwająca 5 s oznacza, że przetwornica częstotliwości potrzebuje 5 sekund, aby przejść od zera do częstotliwości znamionowej silnika (f = 50 Hz).
Ryż. 12. Czas przyspieszania i zwalniania
Rampa zwalniania pokazuje, jak szybko zwalnia prędkość. Jest podawany jako czas hamowania t dec .
Bezpośrednie przejście od przyspieszania do zwalniania jest możliwe, ponieważ silnik zawsze podąża za częstotliwością wyjściową falownika.
Znając moment bezwładności wału silnika, można obliczyć optymalne czasy przyspieszania i zwalniania.
tac \u003d J x (n 2 -n 1) / [(T acc - T fric) x 9,55]
tdec = J x (n 2 -n 1)/[(T acc + T fric) x 9,55]
J to moment bezwładności wału silnika.
T fric to moment tarcia układu.
Tass - nadmiar (przeciążenie) momentu obrotowego wykorzystywanego do przyspieszania.
T dec to moment hamowania (moment hamowania), który występuje, gdy prędkość odniesienia maleje.
n 1 i n 2 - prędkości obrotowe przy częstotliwościach f 1 i f 2 .
Jeżeli przetwornica częstotliwości jest zdolna do krótkotrwałego przeciążenia momentu obrotowego, wówczas momenty przyspieszania i zwalniania są ustawiane na znamionowy moment obrotowy silnika T. W praktyce czas przyspieszania i zwalniania są zwykle takie same.
Przykład obliczenia
J \u003d 0,042 kgm2, T fric \u003d 0,05 x M N, n 1 \u003d 500 obr./min, n 2 \u003d 1000 obr./min, T N \u003d 27 Nm
tacc \u003d J x (n 2 - n 1) / [(T ass - T fric) x 9,55] \u003d 0,042 x (1000 - 500) / [(27,0 - (0,05 x 27,0)) x 9,55] = 0,1 [ s]
Hamowanie dynamiczne
Gdy sygnał odniesienia prędkości spada, silnik zachowuje się jak generator i hamulce. Opóźnienie podczas hamowania zależy od wielkości obciążenia silnika.
Silniki elektryczne podłączone bezpośrednio do sieci przekazują siłę hamowania z powrotem do sieci.
Jeżeli silnik jest napędzany przez przetwornicę częstotliwości, energia hamowania jest magazynowana w obwodzie pośrednim przetwornicy częstotliwości. Jeżeli moc hamowania jest duża i przetwornica częstotliwości nie może jej rozproszyć zgodnie z własną konstrukcją, napięcie obwodu pośredniego wzrasta.
Napięcie obwodu pośredniego może rosnąć do momentu wyłączenia przetwornicy częstotliwości przez zabezpieczenie, a czasami obwód pośredni musi być obciążony modułem hamowania i rezystorem zewnętrznym w celu pochłonięcia mocy hamowania.?
Zastosowanie modułu hamującego i rezystora hamującego umożliwia szybkie hamowanie pod dużymi obciążeniami. Istnieją jednak problemy związane z ogrzewaniem. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie układu hamowania rekuperacyjnego. Takie bloki stosuje się do przemienników częstotliwości z niesterowanym prostownikiem i zwrotem energii hamowania do sieci zasilającej.
W przemiennikach częstotliwości ze sterowanymi prostownikami, moc hamowania może być zwrócona do sieci (patrz rys. 13) za pomocą np. falownika podłączonego antyrównolegle do prostownika.
Ryż. 13. Włączenie modułu hamowania i rezystora hamowania
Ryż. 14. Falownik symetryczny
Innym sposobem hamowania silnika elektrycznego jest hamowanie prądem stałym. Aby wytworzyć pole magnetyczne w stojanie, między dwiema fazami silnika elektrycznego przykładane jest napięcie stałe. Ponieważ energia hamowania pozostaje w silniku i możliwe jest przegrzanie, zaleca się stosowanie hamowania DC w zakresie niskich prędkości, aby nie przekroczyć prądu znamionowego silnika. Normalnie hamowanie prądem stałym jest ograniczone w czasie.?
Odwrócić
Kierunek obrotów silników asynchronicznych określa kolejność faz napięcia zasilającego.
Jeśli dwie fazy zostaną odwrócone, kierunek obrotów silnika zmieni się i będzie on obracał się w przeciwnym kierunku.
Większość silników elektrycznych jest zaprojektowana tak, aby powodować obracanie się wału silnika zgodnie z ruchem wskazówek zegara, jeśli połączenie jest wykonane w następujący sposób:
Ryż. 15. Kierunek obrotów silnika elektrycznego zmienia się poprzez zmianę kolejności faz
Ta sama zasada dotyczy kolejności faz na zaciskach wyjściowych większości przetwornic częstotliwości.
Przetwornica częstotliwości może odwrócić silnik, elektronicznie zmieniając kolejność faz. Cofanie odbywa się albo przez ustawienie ujemnej prędkości, albo przez cyfrowy sygnał wejściowy. Jeśli wymagany jest określony kierunek obrotów silnika podczas pierwszego uruchomienia, muszą być znane domyślne ustawienia fabryczne przetwornicy częstotliwości.
Ponieważ przetwornica częstotliwości ogranicza prąd silnika do wartości znamionowej, silnik sterowany przez przetwornicę częstotliwości może być odwrócony częściej niż silnik bezpośredni.
Ryż. 16. Moment hamowania falownika podczas cofania
Rampy
Wszystkie przetwornice częstotliwości mają funkcję rampy, aby zapewnić płynną pracę. Rampy te można zmieniać, a dzięki nim prędkość odniesienia może być zwiększana lub zmniejszana w określonym przedziale czasu.
Ryż. 17. Regulowany czas przyspieszania i zwalniania
Nachylenie przyspieszania/hamowania (czas przyspieszania/hamowania) może być ustawione tak małe, że w niektórych sytuacjach silnik nie będzie w stanie wykonać zadania (nie będzie w stanie przyspieszyć/zwolnić silnika w określonym czasie).
Powoduje to wzrost prądu silnika aż do osiągnięcia limitu prądu. W przypadku krótkiego czasu zwalniania (t-a) napięcie obwodu pośredniego może wzrosnąć do takiego poziomu, że obwód zabezpieczający przetwornicy częstotliwości zatrzyma przetwornicę częstotliwości.
Optymalny czas rampy można obliczyć korzystając z poniższych wzorów.
t a = J x n/[(T N -T fric)x9,55]
t-a = J x n/[(T N + T fric)x9,55]
t a - czas narastania prędkości
t -a - czas hamowania
n - liczba obrotów
T N - znamionowy moment obrotowy silnika elektrycznego
T fry - moment tarcia
Ryż. 18. Ustawienie czasu rampy
Czas przyspieszania/hamowania jest zwykle wybierany na podstawie znamionowej prędkości silnika.
aktualna kontrola
Przetwornice częstotliwości mogą monitorować kontrolowany proces i interweniować w przypadku awarii.
Takie sterowanie można podzielić na trzy typy w zależności od obiektu: sterowanie instalacją procesową, sterowanie silnikiem elektrycznym i sterowanie przemiennikiem częstotliwości.
Kontrola instalacji w oparciu o sterowanie częstotliwością wyjściową, prądem wyjściowym i momentem obrotowym silnika. Na podstawie tych parametrów można ustawić kilka limitów, których przekroczenie wpływa na funkcję sterowania. Limitami tymi mogą być najniższa dozwolona prędkość silnika (częstotliwość minimalna), najwyższy dopuszczalny prąd (ograniczenie prądu) lub najwyższy dopuszczalny moment obrotowy silnika (ograniczenie momentu obrotowego).
Przetwornica częstotliwości może być zaprogramowana na przykład tak, aby wysyłała sygnał ostrzegawczy, zmniejszała prędkość silnika lub zatrzymywała go, jeśli jego prędkość przekroczy ustawione limity.
Przykład
W instalacjach wykorzystujących pasek klinowy do połączenia silnika z resztą systemu, przetwornicę częstotliwości można zaprogramować do monitorowania stanu paska klinowego.
Ponieważ w przypadku zerwania paska częstotliwość wyjściowa wzrośnie szybciej niż ustawiona rampa, w takich sytuacjach można użyć tej częstotliwości do ostrzeżenia lub zatrzymania silnika.
Kontrola silnika można to zrobić za pomocą przetwornicy częstotliwości, monitorując wzorzec termiczny silnika lub podłączając termistor do silnika. Przetwornica częstotliwości może zapobiegać przeciążeniu silnika, działając jak przekaźnik termiczny. Częstotliwość wyjściowa jest również uwzględniana w obliczeniach wykonywanych przez przemiennik częstotliwości. Gwarantuje to, że silnik nie zostanie przeciążony przy niskich prędkościach z powodu słabej wentylacji wewnętrznej. Nowoczesne przetwornice częstotliwości są również w stanie chronić wentylowane silniki, jeśli prąd jest zbyt wysoki.
Sterowanie przetwornicą częstotliwości wykonane tradycyjnie w taki sposób, że w przypadku przeciążenia prądowego przetwornica jest wyłączana. Niektóre konwertery pozwalają na krótkotrwałe przetężenie. Mikroprocesor w przemienniku częstotliwości jest w stanie jednocześnie uwzględniać wartość prądu silnika i czas jego przyłożenia, co zapewnia optymalne użytkowanie przemiennika bez przeciążeń.
Według Danfoss
