Frekvenčné meniče uľahčujú zmenu otáčok motora, uľahčujú jeho chod. To zvyšuje účinnosť zariadenia a predlžuje jeho životnosť.
Čo sú frekvenčné meniče
Frekvenčné meniče sú zariadenia, ktoré umožňujú meniť frekvenciu výstupného napätia. Je to potrebné na zmenu rýchlosti otáčania motora.
Pri priamom pripojení k elektrickej sieti zostáva frekvencia kmitov nezmenená, štandardné hodnoty sú 50 alebo 60 Hz. Použitie frekvenčného meniča umožňuje zvýšiť alebo znížiť rotáciu rotora. Rozsah možných zmien je od 0,5-800 Hz. Teraz je však väčšina motorov navrhnutá pre frekvenciu nie vyššiu ako 400 Hz.
Hlavné vlastnosti konvertorov
Moderné elektrické zariadenie je high-tech zariadenie s programovým riadením. Za presnosť a spoľahlivosť je zodpovedný elektronický riadiaci systém. Jednotky sú pomerne kompaktné a ľahko ovládateľné.
Podľa toho, či je možné upraviť indikátory výstupného napätia, sa meniče delia na riadené a neriadené. V prvom je možné meniť parametre, v druhom sú indikátory nastavené konštrukciou jednotky. Existujú aj modely, kde dochádza k automatickému ladeniu parametrov pripojeného motora. Vyžaduje si to identifikačný štart, počas ktorého sa automaticky zistia parametre vinutí.
Okrem možnosti nastavenia indikátorov existujú rôzne typy ovládania zariadenia. Existujú dva z nich: skalárny a vektorový. Skalár nedáva šancu nastaviť presné nastavenia, len určuje pomer frekvencie na vstupe a výstupe. Pri zmene vstupných údajov sa proporcionálne menia aj konečné parametre. Vektorové riadenie umožňuje nastaviť presné parametre požadované pre konkrétny motor v konkrétnej situácii.
Pre spresnenie a jednoduchšie ovládanie obsluhy zariadenia je moderná technika vybavená pamäťovými kartami a displejom na zobrazovanie informácií.
Pri použití prevodníkov je potrebné vziať do úvahy niektoré nuansy. Takže chod motora v nízkych otáčkach vedie k zvýšeniu teploty, s ktorou si vstavaný ventilátor nemusí vedieť poradiť. Preto je potrebné sledovať vykurovanie a v prípade potreby použiť nútené chladenie.
Tiež pracovný menič sa stáva silným zdrojom vysokofrekvenčného prúdu. Vlastné mikroobvody zariadenia sú chránené pred rušením špeciálnymi filtrami. Aby však vibrácie neovplyvňovali činnosť iných zariadení, musíte použiť čo najkratší tieniaci kábel. Vzdialenosť k ostatným káblom musí byť minimálne 10 cm, ak je potrebné prekrížiť, musí sa to urobiť pod uhlom 90°.
Aplikácia frekvenčných meničov
Frekvenčné meniče sú pripojené k zariadeniam, ktorých prevádzka zahŕňa zmenu rýchlosti motora.
Tieto mechanizmy zahŕňajú:
-
ventilačné systémy;
dopravníky;
kompresory;
manipulátory a rýpadlá;
-
odstredivky;
robotika a pod.
Na synchronizáciu činnosti vzájomne prepojených mechanizmov sa používa aj frekvenčný menič. Vzťah môže byť priamy aj inverzný.
Princíp činnosti
Aby napätie prechádzajúce meničom zmenilo charakteristiky, používa sa princíp dvojitej zmeny. Na vstupe je sieťové napätie usmernené pomocou diódového mostíka a filtrované kondenzátormi. Tu je amplitúda oscilácie vyhladená, po ktorej prúd vstupuje do konvertujúcej časti.
Konverzia prebieha vďaka určitým spôsobom skombinovaným tranzistorom (zvyčajne ich je 6). Sú zapojené v antiparalelnom obvode. S ich pomocou sa nastavia požadované ukazovatele frekvencie a amplitúdy prúdových oscilácií.
Existujú dva typy riadiacich systémov:
amplitúda, keď sú indikátory vstupného napätia regulované;
pulzná šírka (PWM), pri ktorej je zmena výkonu ovplyvnená poradím spínania tranzistorov. V určitej, presne definovanej sekvencii, signál vstupuje na kladné a záporné svorky, výsledkom čoho je sínusoida s jasne definovanými parametrami.
Riadia proces a pomocou mikroprocesorov menia dané charakteristiky. Špeciálny mikrokontrolér vysiela signál do mikroobvodu. Je tam porovnanie zmien s daným štandardom (5 Hz). Ďalej program podľa špeciálneho algoritmu konvertuje prúd na požadovanú hodnotu. Okrem toho mikrokontrolér monitoruje teplotu polovodičov, chráni zariadenie pred prehriatím a prepätím.
Na ochranu nastavení pred vonkajšími vplyvmi je puzdro spoľahlivo chránené. Je potrebné predchádzať nielen mechanickému poškodeniu (náraz, prach, vlhkosť), ale aj prípadnému vzájomnému rušeniu, ktoré vytvárajú ostatné prevádzkové zariadenia. Na zníženie rádiového rušenia a neviditeľných elektrických výbojov sa používa špeciálny filter.
Výsledkom je, že na výstupe sa získa jasný stabilný signál požadovanej frekvencie, ktorý poháňa elektromotor a nastavuje požadovanú rýchlosť.
Kritériá výberu
Existuje veľké množstvo modelov, ktoré sa líšia technickými vlastnosťami a cenou.
Ak chcete urobiť správnu voľbu, musíte zvážiť:
Moc. Je potrebné zamerať sa na maximum energie, ktorú motor spotrebuje. V tomto prípade by mal výkon jednotky presiahnuť túto hodnotu približne o 10 %. Zníži sa tým riziko preťaženia, keďže aj pri prevádzke na maximálny výkon zostane rezerva chodu. Ak sa pripojené zariadenie vyznačuje skokmi zaťaženia, mali by ste sa riadiť aj maximálnymi indikátormi. Keď je k meniču pripojených niekoľko motorov, na výpočet sa použije ich celkový výkon;
Sieťové napätie. Čím väčší rozsah, tým lepšie. Súčasne, ak zníženie napätia v sieti vedie k vypnutiu zariadenia, príliš vysoké hodnoty môžu spôsobiť zlyhanie prevodníka;
Rozsah nastavenia frekvencie. Horná hranica zodpovedá maximálnej prevádzkovej frekvencii pripojeného zariadenia. Spodná hranica zobrazuje rozsah regulácie rýchlosti. Štandardný pomer je 1:10;
Počet vstupných fáz (jedna alebo tri). Trojfázové modely sú inštalované na priemyselných zariadeniach so vstupným výkonom 380 voltov. Jednofázový je možné použiť len so sieťovým napätím 220 voltov. Od toho závisí aj schéma pripojenia k elektromotoru;
Rozsah: za normálnych podmienok postačuje štandardná ochrana krytu. Ak má byť zariadenie použité napríklad v ťažobnom priemysle, bude potrebný zvýšený stupeň ochrany. Túto vlastnosť označuje označenie IP. Čím vyšší je indikátor, tým spoľahlivejšie je zariadenie chránené;
Spôsob kontroly. Jednotky vektorového typu sú drahšie, ale umožňujú presnejšie nastavenie. Skalárne ovládanie umožňuje iba udržiavať pomer medzi indikátormi na vstupe a výstupe. Pre niektoré typy zariadení, ako sú ventilátory, to však úplne stačí;
Počet vstupných a výstupných signálov. Vďaka nim sa zvyšujú možnosti ovládania a ladenia meniča. Sú diskrétne, analógové a digitálne. Diskrétne vstupy umožňujú zadávať ovládacie príkazy (štart, zastavenie, spätný chod atď.). Analógové vstupy slúžia na reguláciu a nastavenie jednotky počas prevádzky. Digitálne vstupy sa používajú na vstup signálov zo snímačov. Diskrétne výstupy poskytujú "spätnú väzbu" zo zariadenia a hlásia kritické zmeny v jeho činnosti (chyba, prehriatie, príliš vysoké napätie atď.). Analógové výstupy sú potrebné na vytvorenie komplexných systémov. Čím viac vstupov a výstupov, tým presnejšie nastavenia a vyššia kvalita prevodu. Komplikácia prístroja však nevyhnutne ovplyvňuje cenu;
Zariadenie, ktoré vyžaduje prevodník. Existujú značkové modely, ktoré sú určené pre konkrétnu techniku. Existujú univerzálne jednotky pre viacúčelové použitie.
Záruka a zmluvné podmienky. Kvalitný servis vám umožní nestarať sa o výkon prevodníka, ako aj o vybavenie, ku ktorému je pripojený.
Výhody frekvenčných meničov
Použitie frekvenčného meniča poskytuje mnoho výhod:
úspora elektrickej energie;
ochrana motora pred problémami spojenými so zmenami ukazovateľov prúdu (prepätia, skraty, preťaženie siete atď.);
zvyšuje presnosť regulácie otáčok motora;
poklesy rýchlosti sú vyhladené počas štartovania a brzdenia;
môžete riadiť skupinu mechanizmov;
jednoduchší riadiaci systém;
zmena nastavení počas chodu zariadenia bez jeho zastavenia;
zvýšenie životnosti elektromotora.
To všetko zjednodušuje riadenie zložitých mechanizmov, zvyšuje efektivitu, predlžuje životnosť zariadení a v konečnom dôsledku prináša výrazné úspory rozpočtu.
Jednou z hlavných nevýhod indukčných motorov je obtiažnosť nastavenia rýchlosti. Dá sa zmeniť tromi spôsobmi: zmenou počtu pólových párov, zmenou sklzu a zmenou frekvencie. V poslednej dobe sa na riadenie rýchlosti otáčania asynchrónneho motora s klietkou nakrátko mení aktuálna frekvencia pomocou frekvenčných meničov pre elektromotor.
V poslednej dobe sa vysokofrekvenčné pohony začali vo výrobe hojne využívať a pre mnohých neskúsených začiatočníkov, ktorí sa s nimi stretávajú v praxi, často vyvstáva otázka, čo je to frekvenčný menič a prečo je potrebný. Výhody frekvenčného pohonu pre elektromotor sú:
- zníženie spotreby energie motora;
- zlepšený výkon: plynulý štart a ovládanie rýchlosti;
- s výnimkou možného preťaženia.
Plynulosť štartu zabezpečuje menič vďaka zníženiu štartovacieho prúdu s jeho pomocou, ktorý bez frekvenčného meniča prekračuje menovitý prúd 5–7 krát.
Hlavnými časťami v meničovom zariadení sú menič a kondenzátory. Menič je zvyčajne vyrobený z diódových mostíkov. Jeho úlohou je usmerniť vstupné napätie, ktoré môže podľa počtu fáz nadobudnúť hodnotu 220V alebo 380V, no zároveň zachovať zvlnenie. Usmernené napätie je potom vyhladené a filtrované kondenzátormi.
Potom je jednosmerný prúd odoslaný do mikroobvodov a výstupného mostíka IGBT spínačov. Mostový IGBT spínač je zvyčajne šesť tranzistorov zapojených do mostíkového obvodu. Ochranu proti prepólovaniu napätia zabezpečujú diódy. V skorších obvodoch sa namiesto tranzistorov používali tyristory, ktorých významnou nevýhodou bola určitá pomalosť prevádzky a rušenie.
Vďaka týmto zariadeniam dochádza k sekvencii šírky impulzu s požadovanou frekvenciou. Na výstupe frekvenčného meniča majú napäťové impulzy obdĺžnikový tvar. A potom, čo prejdú cez vinutie statora, vďaka jeho indukčnosti nadobudnú sínusový tvar.
Aby sme pochopili, prečo je potrebný menič, je potrebné pochopiť, že prúd môže byť konštantný a premenlivý. A ak sa pri práci so striedavým prúdom používajú frekvenčné meniče, potom je na ovládanie jednosmerného elektromotora potrebný jednosmerný elektrický pohon. Nazýva sa invertor a jeho účelom v obvode je riadiť budiaci prúd. A tiež, bez ohľadu na zmeny zaťaženia, dokáže udržiavať otáčky rotora v požadovaných medziach a vykonávať jeho brzdenie.
Pri výbere chastotnika sú najnižšie náklady určené súborom minimálnych funkcií. Nárast hodnoty je úmerný ich nárastu.
Na začiatku meniče sú klasifikované podľa výkonu. Nemenej dôležitými parametrami je preťaženosť a typ prevedenia.
Výkon frekvenčného meniča nesmie byť menší ako maximálny výkon inštalácie. Pre rýchlu opravu alebo výmenu v prípade poruchy frekvenčného pohonu pre elektromotor je žiaduce, aby sa servisné stredisko nachádzalo v bezprostrednej blízkosti.
Pri výbere meniča je dôležitým faktorom jeho napätie. Ak vyzdvihnete chastotnik určitého napätia a v sieti sa ukáže, že je nižší, potom sa vypne. Ak sieťové napätie po dlhú dobu umožňuje prípustné napätie, povedie to k jeho poškodeniu a znemožneniu ďalšej práce. Pri zohľadnení týchto rizík je potrebné vybrať chastotniki s veľkým rozsahom prípustného napätia.
Existujú dva typy riadenia prevodníka: vektorové a skalárne.
Pri skalárnom riadení sa udržuje konštanta medzi hodnotou napätia a frekvenciou na výstupe. Toto je najjednoduchší typ chastotnikov a v dôsledku toho je lacnejší.
S vektorovým riadením je vďaka zníženiu statickej chyby riadenie presnejšie. Ale náklady na asynchrónny frekvenčný menič s týmto typom riadenia sú vyššie v porovnaní so skalárnym riadením.
Aktuálna zóna riadenia frekvencie musí byť v rámci požadovaných limitov. Pre rozsahy s viac ako 10-násobným frekvenčným riadením je lepšie zvoliť vektorové riadenie.
Počet vstupov by mal byť optimálny, pretože ak je ich počet príliš veľký, cena zariadenia na zmenu frekvencie bude neprimerane vysoká a pri jeho nastavovaní môžu vzniknúť určité ťažkosti.
Je potrebné vziať do úvahy preťaženie frekvenčného meniča z hľadiska prúdu a výkonu. Prúd chastotnika by mal byť o niečo väčší ako menovitý prúd motora. V prípade rázových zaťažení je potrebná rezerva špičkového prúdu, ktorá musí byť aspoň 10 % rázového prúdu.
Výpočet frekvenčného meniča pre elektromotor
Aby frekvenčný menič mohol spoľahlivo pracovať a dodržiavať nastavené hodnoty, je potrebné vypočítať jeho hlavné parametre:
- typ vykonávania;
- moc.
Výpočet prúdu meniča sa vykonáva podľa vzorca:
kde P je menovitý výkon motora, kW;
U - napätie, V
cosφ - hodnota účinníka
Správna voľba výkonu zariadenia na zmenu frekvencie ovplyvňuje účinnosť inštalácie. Ak je výkon frekvenčného meniča podhodnotený, výkon zariadenia bude nízky. Dlhodobé preťaženie počas prevádzky môže poškodiť frekvenčný menič.
Ak je výkon frekvenčného meniča príliš vysoký a dôjde k prepätiu alebo preťaženiu, ochrana motora nebude fungovať, čo povedie k poškodeniu. U
Výkon frekvenčného meniča musí byť o 15 % vyšší ako menovitý výkon príslušného motora.
Frekvenčné meniče pre motor s výkonom okolo 3 kW sú najbežnejšie kvôli ich kompaktnosti, relatívne nízkej cene, jednoduchosti inštalácie a údržby.
Nemá zmysel ručne zostavovať chastotniki pre motory s výkonom 3 kW a viac - budú dosť drahé a nie vždy poskytujú potrebnú presnosť v prevádzke.
Pre motory s výkonom 3 kW sa používajú frekvenčné meniče:
- vo ventilačných systémoch na ovládanie rýchlosti ventilátora;
- pre súčasnú prevádzku prijímacích a podávacích dopravníkov;
- na zásobovanie surovín s kontrolou ich objemu;
- na ovládanie viacerých čerpadiel;
- na riadenie činnosti ponorného čerpadla;
- na úpravu rýchlosti podávania surovín v drvičoch.
Frekvenčné meniče pre motory s vyšším výkonom sa líšia maximálnou výstupnou frekvenciou, prítomnosťou filtra elektromagnetickej kompatibility (EMC) a typom režimu riadenia.
Napríklad frekvenčný menič pre 15KW motor má nižšiu maximálnu výstupnú frekvenciu ako menič pre 3KW motor. Pre tento motor nie je žiadny EMC filter. Režim ovládania je len skalárny.
- V prípade, že sa používateľ pri výbere pomýlil s výkonom a ukázalo sa, že je príliš vysoký, menič nebude schopný chrániť motor pred možným preťažením, prepätím a inými faktormi.
- Menší výkon nevytvorí podmienky pre dobrú účinnosť stroja. Menič s nízkym výkonom nebude schopný poskytnúť vysokú dynamiku prevádzkového režimu čerpacej jednotky. Občasné preťaženie môže spôsobiť poruchu.
Faktory, ktoré treba zvážiť pri výbere
Prevádzkové podmienky zariadenia sú významným faktorom ovplyvňujúcim životnosť elektromotora. Preto pri výbere musíte venovať pozornosť týmto faktorom:
- limity prevádzkových rýchlostí elektromotora;
- pracovné limity krútiaceho momentu;
- povaha nákladu;
- pracovný cyklus.
Všetky funkcie sú vzájomne prepojené. Zaťaženie má teda niekoľko typov a je spojené s takými charakteristikami, ako sú rýchlosť, krútiaci moment a rozbehový krútiaci moment. Stáva sa jej:
- funkčné alebo používané na zdvíhanie bremien, napríklad mostový žeriav, elektromotor je možné pripojiť z meniča;
- zaťaženie s prenosom a skladovaním energie.
Rýchlosti otáčania a krútiaceho momentu súvisia s parametrami otáčok, krútiaceho momentu a času, závisia od nasledujúcich charakteristík:
- hodnota konštantného momentu;
- konštantná hodnota rýchlosti;
- klesajúci počet krútiaceho momentu;
- klesajúca rýchlosť.
Povaha zaťaženia závisí od takých ukazovateľov, ako sú:
Vlastnosti pri výpočte meniča pre elektromotor
Pred výberom frekvenčného meniča vykonajte výber a výpočet frekvenčného meniča pre elektromotor. Nezabudnite venovať pozornosť trvaniu vysokorýchlostných režimov vrátane prerušovaného režimu. Je potrebné vziať do úvahy okamžitú hodnotu maximálneho prúdu a dobu trvania jednosmerného prúdu na výstupe z meniča.
Je dôležité zvážiť maximálnu a menovitú frekvenciu. Výkon alebo impedancia transformátora distribúcie energie sa berie do úvahy spolu s vodičmi elektrického vedenia alebo káblového vedenia. Zdroj energie ovplyvňuje aj čerpaciu jednotku, dĺžka prívodného vedenia ovplyvňuje stratu napätia. Do úvahy sa berú možné napäťové rázy, možná nevyváženosť fáz pri nerovnomernom zaťažení, ktorá ovplyvňuje fázovú nevyváženosť.
Do úvahy sa berú faktory ako mechanické trenie, straty vodičov a zmeny pracovného cyklu.
Výber frekvenčných meničov pre čerpadlá
Je dôležité správne vypočítať frekvenčný menič a skombinovať ho s čerpacou jednotkou. Výpočet ovplyvní správny výber prevodníka. Od toho úplne závisí jeho účinnosť a životnosť použitia ako samotného meniča, tak aj elektrického pohonu (čerpacieho agregátu).
Ako si vybrať invertor pred jeho kúpou
Pred výberom frekvenčného meniča skontrolujte elektrickú kompatibilitu s motorom a zaťažiteľnosť (výkon).
Ryža. č. 1. Bloková schéma VFD systému.
Počas prevádzky prevodníka sa výber uskutočňuje v závislosti od charakteristík pasu. Pri výbere sa berú do úvahy faktory ako:
- Výkon podľa pasu meniča a elektromotora musí byť rovnaký. Tento parameter je účinný pri použití motorov s dvoma pármi pólov (2p=4), s rýchlosťou otáčania do 1500 ot./min., s konštantným krútiacim momentom. Platí aj pre invertory, ktoré zvládnu 150% preťaženie (dopravníky, dopravníkové pásy) a pre invertory pracujúce so 120% preťažením (ventilátory, odstredivé čerpadlá).
- Menovitý prúd musí byť rovnaký a väčší ako trvalý skutočný prúd odoberaný motorom (zaťažovací prúd).
Dôležité: Prúd odoberaný motorom musí byť menší ako menovitý prúd frekvenčného meniča uvedený v špecifikácii.
Čas zrýchlenia motora pri štartovacom prúde 150% je 120% pre meniče špecializované na čerpacie jednotky, zvyčajne by nemal presiahnuť 60 sekúnd od menovitého pohonu.
- Vstupné napätie siete musí menič uspokojiť, musí zostať funkčný v prípade akýchkoľvek odchýlok napätia od normy.
- Rozsah riadenia frekvencie, ktorý môže menič podporovať, musí vyhovovať vysokorýchlostnej prevádzke motora.
- Prítomnosť diskrétnych riadiacich vstupov je potrebná na zadávanie rôznych druhov príkazov naprogramovaných používateľom. Potrebné sú aj analógové, používajú sa na vstup referenčných signálov a na spätnú väzbu. Potrebné sú aj digitálne vstupy slúžiace pre vysokofrekvenčné signály prichádzajúce z enkodérov alebo digitálnych snímačov rýchlosti a polohy.
- Počet výstupných signálov sa využíva na vytvorenie zložitých obvodov pre sústavu čerpacích staníc.
- Možnosť prevádzkového ovládania v prevádzkovom režime, to môžu byť ovládacie vstupy pomocou diaľkového ovládača. Alebo ovládanie cez sériovú komunikáciu cez ovládač alebo počítač. Možno to bude kombinovaný manažment.
- Výber meniča závisí od preferencie spôsobu riadenia motora, . Závisí od samostatného vektorového riadenia motora alebo skalárneho riadenia - udržiavanie jedného konštantného pomeru výstupného napätia k výstupnej frekvencii. Pre čerpacie jednotky je bežnejšia metóda vektorového riadenia.
- K presnejším výberovým kritériám, ktoré určujú chod motora pri ustálenej rýchlosti. Pri prevádzke meniča s jedným motorom sa potrebný výkon na spustenie vypočíta podľa vzorca:
Ryža. č. 2. Vzorec na výpočet celkového štartovacieho výkonu.
Spotreba prúdu motorom z meniča pri sieťovom napätí 220/380V sa vypočíta podľa vzorca:
Ryža. číslo 3. Výpočet mechanických charakteristík motora.
Dôležité: Podľa požiadavky na výber správneho frekvenčného meniča z hľadiska prúdových charakteristík musí menič spĺňať všetky normy a požiadavky, ale výkonové normy je možné zanedbať.
Ryža. č. 4. Tabuľka nerovností, ktoré je potrebné dodržať pri výbere meniča na prevádzku jedného frekvenčného meniča s viacerými motormi.
Výhody použitia frekvenčného meniča
Obr.č.5. Výhody výberu frekvenčného meniča
Výhody frekvenčného meniča zahŕňajú niekoľko dôležitých vlastností:
- Zníženie štartovacieho prúdu na skutočnú prevádzkovú hodnotu. Podmienky pre napájanie elektromotora priamo zo siete a napájanie z meniča sú odlišné. V prvom prípade sa štartovací prúd zvýši najmenej o sedemnásobok menovitého prúdu motora. Mäkký štart s postupným plynulým zvyšovaním frekvencie sieťového napájacieho napätia motora možno znížiť na skutočnú spotrebu motora v ustálenom prevádzkovom režime. To sa dosiahne nastavením doby zrýchlenia, ak je potrebné zrýchliť zotrvačné zaťaženie, menič môže poskytnúť väčší výkon ako výkon motora.
- Existujú modely meničov, ktoré sú maximálne orientované na prácu pri premenlivom zaťažení krútiaceho momentu, konkrétne pre čerpacie stanice vybavené odstredivými čerpadlami. Menovitý prúd meniča môže byť o viac ako dva stupne vyšší ako menovitý prúd motora.
- spustenie čerpacích jednotiek prináša úsporu energie minimálne 30 %.
Nevýhody vektorových frekvenčných meničov:
- Ťažkosti pri nastavovaní vektorového prevodníka, je potrebná odborná rada. Do úvahy sa berú parametre elektromotora vrátane indukčnosti.
- Technológia používania elektrického pohonu musí znamenať 100% presnosť, iba v tomto prípade je výber meniča opodstatnený.
- Pri výbere vektorového prevodníka nesmiete zabudnúť na prepnutie zo skalárneho režimu.
- Vysoké nároky na presnosť meracích prístrojov a snímačov prúdu, čo ovplyvňuje cenu.
- Pre konkrétny elektromotor je žiaduce použiť vektorový menič.
Výber frekvenčného meniča
Pri charakterizácii frekvenčného meniča pre danú záťaž je prvým krokom zvážiť charakteristiky záťaže. Existujú štyri rôzne spôsoby výpočtu požadovaných výstupných parametrov, pričom výber metódy závisí od vlastností motora.
Charakteristiky zaťaženia
Pred dimenzovaním frekvenčného meniča je potrebné rozlišovať medzi dvoma najbežnejšie používanými menovitými zaťaženiami. Charakteristiky zaťaženia sa navzájom líšia takto:
Ryža. 1. Konštantný a kvadratický zaťažovací moment
Pri zvýšení otáčok odstredivých čerpadiel a ventilátorov sa príkon zvýši na tretí výkon (P = n 3).
Normálny prevádzkový rozsah odstredivých čerpadiel a ventilátorov je medzi 50 % a 90 %. Koeficient zaťaženia sa zvyšuje s druhou mocninou rýchlosti, teda približne o 30 až 80 %.
Oba tieto faktory sa prejavujú v momentových charakteristikách motora riadeného frekvenčným meničom.
Obrázky 2 a 3 zobrazujú charakteristiky krútiaceho momentu pre dve veľkosti frekvenčných meničov, jeden (obrázok 3) má menší rozsah výkonu ako druhý. Obe charakteristiky krútiaceho momentu dostali rovnaké charakteristiky zaťaženia ako odstredivé čerpadlo.
Na obr. 2 je celý prevádzkový rozsah čerpadla (0-100%) v rámci nominálnych hodnôt parametrov motora. Keďže normálny prevádzkový rozsah čerpadla je medzi 30 % a 80 %, je možné zvoliť frekvenčný menič s nižším výstupným výkonom.
Ryža. 2. Vysokovýkonný frekvenčný menič
Ryža. 3. Frekvenčný menič s nízkym výkonom
Ak je záťažový krútiaci moment konštantný, motor musí byť schopný dodať väčší krútiaci moment, ako je záťažový krútiaci moment, pretože prebytočný krútiaci moment sa používa na zrýchlenie.
Pre zrýchlenie a vysoký rozbehový moment, napríklad pri pohonoch pásových dopravníkov, postačuje krátkodobý krútiaci moment preťaženia 60 % krútiaceho momentu vyvinutého frekvenčným meničom. Krútiaci moment preťaženia tiež poskytuje systému schopnosť zvládnuť náhle zvýšenie zaťaženia. Frekvenčný menič, ktorý neumožňuje žiadny krútiaci moment preťaženia, sa musí zvoliť tak, aby sa zrýchľovací krútiaci moment (T B) nachádzal v rámci menovitého krútiaceho momentu.
Ryža. 4. Krútiaci moment preťaženia sa používa na zrýchlenie
Menovité zaťaženie zohľadňuje štyri rôzne súbory špecifikácií motora, ktoré vám pomôžu rozhodnúť sa, ako dimenzovať frekvenčný menič z hľadiska výkonu.
1. Frekvenčný menič je možné vybrať rýchlo a presne na základe hodnoty prúdu l M, ktorý motor odoberá. Ak motor nie je plne zaťažený, jeho prúd možno merať podobným systémom, ktorý beží pri plnom zaťažení.
Ryža. 5.
Elektromotor 7,5 kW, 3 x 400 V spotrebuje prúd 14,73 A.
S ohľadom na technické údaje frekvenčného meniča sa volí frekvenčný menič, ktorého trvalý maximálny výstupný prúd je väčší alebo rovný 14,73A s konštantnou alebo kvadratickou momentovou charakteristikou.
Poznámka:
Ak je frekvenčný menič zvolený na základe výkonu (metódy 2-4), je potrebné porovnať vypočítaný výkon a výkon uvedený v technických údajoch frekvenčného meniča pri rovnakom napätí. Ak frekvenčný menič počíta z prúdu (metóda 1), nie je to potrebné, pretože výstupný prúd frekvenčného meniča ovplyvňuje iné údaje.
2. Frekvenčný menič je možné zvoliť na základe zdanlivého výkonu SM spotrebovaného motorom a zdanlivého výkonu dodávaného frekvenčným meničom.
Ryža. 6.
Príklad výpočtu a výberu frekvenčného meniča:
Elektromotor 7,5 kW, 3x400 V spotrebuje prúd 14,73 A. Sm \u003d U x I x √3 / 1000 = 400 x 14,73 √3 / 1000 = 10,2 kVA
S ohľadom na technické údaje frekvenčného meniča sa volí frekvenčný menič, ktorého trvalý maximálny výstupný výkon je väčší alebo rovný 10,2 kVA pri konštantnej alebo kvadratickej momentovej charakteristike.
3. Frekvenčný menič je možné zvoliť aj podľa výkonu R m generovaného elektromotorom. Táto metóda je však nepresná, pretože cos φ a účinnosť η sa menia so zaťažením.
Ryža. 7.
Príklad výpočtu výkonu elektromotora
Elektromotor s výkonom 3 kW s cos φ = 0,80 a η = 0,81 spotrebuje výkon S M = P M / (η x cos φ) = 3,0 / (0,80 x 0,81) = 4,6 kVA
S ohľadom na technické údaje frekvenčného meniča sa volí frekvenčný menič, ktorého trvalý maximálny výstupný výkon je väčší alebo rovný 4,6 kVA pri konštantnej alebo kvadratickej momentovej charakteristike.
4. V praxi menovitý výkon väčšiny frekvenčných meničov zodpovedá štandardnému radu asynchrónnych motorov. Preto sa frekvenčné meniče často vyberajú na základe tejto úvahy, čo však môže viesť k nepresnému určeniu ich charakteristík, najmä ak motor nie je plne zaťažený.
Ryža. osem.
Rozloženie prúdu vo frekvenčnom meniči (cos φ (phi) motora)
Prúd na magnetizáciu motora dodáva kondenzátor umiestnený v medziobvode frekvenčného meniča. Magnetizačný prúd je jalový prúd, ktorý preteká medzi kondenzátorom a motorom (obr. 9).
Ryža. 9. Prúdy vo frekvenčnom meniči
Zo siete prichádza iba aktívny prúd (l W). Preto je výstupný prúd frekvenčného meniča vždy väčší ako vstupný prúd. Okrem aktívneho prúdu sa zo siete odoberá prúd I strata , (stratový prúd).
Príklad výpočtu
Pri chode naprázdno je prúd 1,1 kW 4-pólového motora 1,6 A. Výstupný prúd pripojeného frekvenčného meniča je asi 1,6 A a vstupný prúd pri chode naprázdno je takmer nulový.
Výrobcovia motorov zvyčajne uvádzajú cos φ motora pri menovitom prúde. S menšou hodnotou cos φ (napríklad v prípade synchrónneho reluktančného motora) bude menovitý prúd motora pri rovnakom výkone a napätí väčší, ako je možné vidieť z nasledujúcej rovnice:
I S = I W / cos φ
Ak sa frekvenčný menič vyberie na základe menovitého prúdu motora (metóda 1), nedochádza k zníženiu menovitého krútiaceho momentu motora.
Kondenzátor pripojený na svorky motora na kompenzáciu jalového prúdu musí byť odstránený. V dôsledku vysokej spínacej frekvencie frekvenčného meniča sa kondenzátor správa ako skrat a spôsobuje výrazné zvýšenie prúdu motora. Menič to bude interpretovať ako poruchu uzemnenia alebo skrat a vypnutie.
Ovládanie otáčok motora
Výstupná frekvencia frekvenčného meniča a tým aj rýchlosť motora je riadená jedným alebo viacerými signálmi (0-10V, 4-20mA alebo napäťovými impulzmi). Keď je daný signál zvýšenia otáčok, otáčky motora sa zvýšia a vertikálna časť krivky krútiaceho momentu motora sa posunie doprava (obr. 10).
Ryža. 10. Vzťah medzi riadiacim signálom a charakteristikou momentu motora
Ak je záťažový moment menší ako menovitý moment motora, otáčky dosiahnu požadovanú hodnotu. Ako je znázornené na obr. 11 sa zaťažovacie charakteristiky prelínajú s momentovými charakteristikami elektromotora vo vertikálnej časti (v bode A). Ak dôjde ku kríženiu v horizontálnej časti (bod B), otáčky motora nemôžu dlhodobo prekračovať zodpovedajúcu hodnotu Frekvenčný menič umožňuje prekročenie hranice skratového prúdu bez vypnutia (bod C), ale trvanie prekročenia musí byť nevyhnutne časovo obmedzené.
Ryža. 11. Prúd motora môže krátkodobo prekročiť limit prúdu
Zrýchľovacie a spomaľovacie rampy
Charakteristika (rampa) zrýchlenia ukazuje rýchlosť, s akou dochádza k zvýšeniu rýchlosti, a je nastavená vo forme času zrýchlenia t acc. Tieto rampy sú založené hlavne na menovitej frekvencii motora, napríklad 5-sekundová akceleračná rampa znamená, že frekvenčnému meniču bude trvať 5 sekúnd, kým prejde z nuly na menovitú frekvenciu motora (f = 50 Hz).
Ryža. 12. Čas zrýchlenia a spomalenia
Spomalovacia rampa ukazuje, ako rýchlo sa rýchlosť spomaľuje. Udáva sa ako čas spomalenia t dec.
Priamy prechod zo zrýchlenia na spomalenie je možný, pretože motor vždy sleduje výstupnú frekvenciu meniča.
Ak je známy moment zotrvačnosti hriadeľa motora, možno vypočítať optimálne časy zrýchlenia a spomalenia.
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 je moment zotrvačnosti hriadeľa motora.
T fric je trecí moment systému.
Tass - nadmerný (preťažovací) krútiaci moment používaný na zrýchlenie.
T dec je brzdný moment (brzdný moment), ktorý nastane, keď sa referenčná rýchlosť zníži.
n 1 a n 2 - rýchlosti otáčania pri frekvenciách f 1 a f 2 .
Ak je frekvenčný menič schopný krátkodobo preťažiť moment preťaženia, potom sa momenty zrýchlenia a spomalenia nastavia na menovitý moment motora T. V praxi je čas rozbehu a dobehu zvyčajne rovnaký.
Príklad výpočtu
J \u003d 0,042 kgm 2, T fric \u003d 0,05 x M N, n 1 \u003d 500 ot./min., n 2 \u003d 1000 ot./min., TN \u003d 27 Nm
tacc \u003d J x (n 2 - n 1) / [(Tass - T fric) x 9,55] \u003d 0,042 x (1 000 - 500) / [(27,0 - (0,05 x 27,0)) x 9,55] = 0,1 [ s]
Dynamické brzdenie
Keď sa signál referenčnej rýchlosti zníži, motor sa správa ako generátor a brzdí. Spomalenie pri brzdení závisí od veľkosti zaťaženia motora.
Elektromotory zapojené priamo do siete prenášajú brzdný výkon späť do siete.
Ak je motor poháňaný frekvenčným meničom, brzdná energia sa ukladá v medziobvode frekvenčného meniča. Ak je brzdný výkon veľký a frekvenčný menič ho nedokáže rozptýliť vlastnou konštrukciou, zvýši sa napätie medziobvodu.
Napätie medziobvodu môže stúpať, kým frekvenčný menič nie je deaktivovaný ochranou, a niekedy musí byť medziobvod zaťažený brzdovým modulom a externým odporom, aby absorboval brzdný výkon.?
Použitie brzdového modulu a brzdového odporu umožňuje rýchle brzdenie pri veľkom zaťažení. S vykurovaním sú však spojené problémy. Ďalším riešením je použitie rekuperačnej brzdovej jednotky. Takéto bloky sa používajú pre frekvenčné meniče s neriadeným usmerňovačom a spätnou brzdnou energiou do napájacej siete.
Vo frekvenčných meničoch s riadenými usmerňovačmi môže byť brzdný výkon vrátený do siete (pozri obr. 13) napríklad pomocou meniča pripojeného antiparalelne k usmerňovaču.
Ryža. 13. Zapnutie brzdového modulu a brzdového odporu
Ryža. 14. Back-to-back invertor
Ďalším spôsobom brzdenia elektromotora je jednosmerné brzdenie. Na vytvorenie magnetického poľa v statore sa medzi dve fázy elektromotora privádza jednosmerné napätie. Pretože brzdná energia zostáva v motore a je možné prehriatie, odporúča sa jednosmerné brzdenie použiť v rozsahu nízkych otáčok, aby sa neprekročil menovitý prúd motora. Normálne je jednosmerné brzdenie časovo obmedzené.
Obrátené
Smer otáčania asynchrónnych motorov je určený poradím fáz napájacieho napätia.
Ak sú dve fázy zamenené, smer otáčania motora sa zmení a motor sa bude otáčať opačným smerom.
Väčšina elektromotorov je navrhnutá tak, aby spôsobila otáčanie hriadeľa motora v smere hodinových ručičiek, ak je pripojenie vykonané nasledovne:
Ryža. 15. Smer otáčania elektromotora sa mení zmenou poradia fáz
Rovnaké pravidlo platí pre poradie fáz na výstupných svorkách väčšiny frekvenčných meničov.
Frekvenčný menič môže obrátiť motor elektronickou zmenou poradia fáz. Reverzácia sa vykonáva buď nastavením zápornej rýchlosti alebo digitálnym vstupným signálom. Ak sa pri prvom uvedení do prevádzky vyžaduje, aby mal motor určitý smer otáčania, musí byť známe výrobné nastavenie frekvenčného meniča.
Pretože frekvenčný menič obmedzuje prúd motora na menovitú hodnotu, motor riadený frekvenčným meničom môže byť reverzovaný častejšie ako motor s priamym zapojením.
Ryža. 16. Brzdný moment meniča pri cúvaní
Rampy
Všetky frekvenčné meniče majú rampové funkcie na zabezpečenie hladkej prevádzky. Tieto rampy je možné meniť a vďaka nim je možné v určitom intervale zvyšovať alebo znižovať rýchlostnú referenciu.
Ryža. 17. Nastaviteľný čas zrýchlenia a spomalenia
Uhol sklonu charakteristiky zrýchlenia/spomalenia (čas zrýchlenia/spomalenia) môže byť nastavený tak malý, že v niektorých situáciách nebude elektromotor schopný dokončiť úlohu (nebude schopný zrýchliť/spomaliť motor v danom čas).
To spôsobí, že sa prúd motora zvýši, kým sa nedosiahne prúdová hranica. V prípade krátkeho času spomalenia (t-a) môže napätie medziobvodu stúpnuť na takú úroveň, že ochranný obvod frekvenčného meniča frekvenčný menič zastaví.
Optimálny čas rampy možno vypočítať pomocou nižšie uvedených vzorcov.
ta = J x n/[(TN-T fric)x9,55]
t-a = J x n/[(T N + T fric) x 9,55]
t a - čas zvýšenia rýchlosti
t -a - čas spomalenia
n - počet otáčok
T N - menovitý krútiaci moment elektromotora
T fric - moment trenia
Ryža. 18. Nastavenie doby rozbehu
Čas zrýchlenia/spomalenia sa zvyčajne vyberá na základe menovitých otáčok motora.
riadenie prúdu
Frekvenčné meniče dokážu monitorovať riadený proces a zasiahnuť v prípade poruchy.
Takéto riadenie možno rozdeliť do troch typov v závislosti od objektu: riadenie procesného zariadenia, riadenie elektromotora a riadenie frekvenčného meniča.
Kontrola inštalácie na základe riadenia výstupnej frekvencie, výstupného prúdu a krútiaceho momentu motora. Na základe týchto parametrov môžete nastaviť niekoľko limitov, ktorých prekročenie ovplyvňuje funkciu ovládania. Týmito limitmi môžu byť najnižšie povolené otáčky motora (minimálna frekvencia), najvyšší povolený prúd (limit prúdu) alebo najvyšší povolený krútiaci moment motora (limit krútiaceho momentu).
Frekvenčný menič je možné naprogramovať napríklad tak, aby vydal varovný signál, znížil otáčky motora alebo ho zastavil, ak jeho otáčky prekročia nastavené limity.
Príklad
V inštaláciách, ktoré používajú klinový remeň na pripojenie motora k zvyšku systému, môže byť frekvenčný menič naprogramovaný tak, aby monitoroval stav klinového remeňa.
Pretože výstupná frekvencia sa v prípade pretrhnutia remeňa zvýši rýchlejšie ako nastavená rampa, možno túto frekvenciu použiť na varovanie alebo zastavenie motora v takýchto situáciách.
Ovládanie motora možno vykonať pomocou frekvenčného meniča monitorovaním tepelného vzoru motora alebo pripojením termistora k motoru. Frekvenčný menič môže zabrániť preťaženiu motora tým, že funguje ako tepelné relé. Výstupná frekvencia je tiež zahrnutá do výpočtov vykonávaných frekvenčným meničom. To zaisťuje, že motor nebude pri nízkych otáčkach preťažený v dôsledku zlého vnútorného vetrania. Moderné frekvenčné meniče sú tiež schopné chrániť ventilované motory, ak je prúd príliš vysoký.
Ovládanie frekvenčného meniča tradične vyrobený tak, že v prípade nadprúdu sa menič vypne. Niektoré meniče umožňujú krátkodobý nadprúd. Mikroprocesor vo frekvenčnom meniči je schopný súčasne zohľadňovať hodnotu prúdu motora a dobu jeho pôsobenia, čo zaisťuje optimálne využitie frekvenčného meniča bez preťaženia.
Podľa Danfossu
