Основные сведения о преобразователе частоты

Для достижения высокой эффективности, отличной управляемости и энергосбережения в приложениях, связанных с промышленными асинхронными двигателями, необходимо внедрить системы управляемых преобразователей частоты. Система преобразователя частоты в настоящее время представляет собой двигатель переменного тока, питаемый от статического преобразователя частоты. Современный преобразователь частоты отлично подходит для двигателей переменного тока и прост в установке. Однако одна важная проблема связана с несинусоидальным выходным напряжением. Этот фактор вызвал множество нежелательных проблем. Повышенные потери в асинхронном двигателе, шум и вибрации, вредное воздействие на систему индукционной изоляции и выход из строя подшипников являются примерами проблем, связанных с системами, связанными с преобразователем частоты. Повышенные потери на индукцию означают снижение выходной мощности индукции для предотвращения перегрева. Измерения в лаборатории показывают, что повышение температуры может быть на 40 % выше при использовании преобразователя частоты по сравнению с обычными источниками питания. Непрерывные исследования и совершенствование преобразователей частоты позволили решить многие из этих проблем. К сожалению, кажется, что решение одной проблемы обострило другую. Снижение потерь в индукционных преобразователях и преобразователях частоты приводит к увеличению вредного воздействия на изоляцию. Производители индукционных плит, конечно же, знают об этом. На рынке начинают появляться новые индукционные конструкции (двигатели с защитой от инвертора). Улучшенная изоляция обмотки статора и другие конструктивные усовершенствования гарантируют, что асинхронные двигатели будут лучше приспособлены для применения в преобразователях частоты.

Введение
Одной из самых серьезных проблем асинхронного двигателя была сложность его адаптации к регулировке скорости. Синхронная скорость двигателя переменного тока определяется следующим уравнением.

ns = синхронная скорость
f = частота электросети
р = номер полюса

Единственный способ отрегулировать скорость для заданного числа полюсов — изменить частоту.

  1. Источник питания переменного тока выпрямляется в напряжение постоянного тока.
  2. Постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение желаемой частоты.

Различные типы преобразователей частоты
Инвертор источника напряжения PWM (VSI)
ШИМ (широтно-импульсная модуляция) широко применяется в производстве преобразователей частоты. Они доступны от нескольких сотен ватт до мегаватт.

Преобразователь ШИМ не должен точно соответствовать нагрузке, ему нужно только убедиться, что нагрузка не потребляет ток выше, чем рассчитан преобразователь ШИМ. Вполне возможно запустить индукцию на 20 кВт с ШИМ-преобразователем на 100 кВт. Это большое преимущество, которое упрощает работу с приложением.

Читайте также:
Как обустроить пруд на даче своими руками. Декоративные пруды на даче.

В настоящее время преобразователь частоты ШИМ использует биполярный транслятор с изолированным затвором (IGBT). Современные ШИМ-преобразователи частоты работают очень хорошо и не сильно отстают от конструкций, использующих синусоидальный источник питания, по крайней мере, в диапазоне мощностей до 100 кВт или около того.

Инвертор источника тока (CSI)
Инвертор источника тока имеет грубую и довольно простую конструкцию по сравнению с ШИМ. В цепях питания используются простые тиристоры или тринисторы, что делает его намного дешевле. Он также имеет преимущество в том, что он очень надежен. Конструкция делает его устойчивым к короткому замыканию из-за больших катушек индуктивности в звене постоянного тока. Он более громоздкий, чем PWM.

Раньше инвертор источника тока был лучшим выбором для больших нагрузок. Недостатком инвертора с источником тока является необходимость согласования с нагрузкой. Преобразователь частоты должен быть рассчитан на используемый асинхронный двигатель. По сути, сама индукция является частью инвертированной цепи.

Инвертор источника тока подает на асинхронный двигатель ток прямоугольной формы. На низких скоростях индукция создает зубчатый крутящий момент. Этот тип преобразователя частоты будет генерировать больше шума в источнике питания по сравнению с преобразователем ШИМ. Фильтрация необходима.

Сильные переходные процессы в выходном напряжении являются дополнительным недостатком инвертора источника тока. В худших случаях переходные процессы могут почти в два раза превышать номинальное напряжение. Также существует риск преждевременного износа изоляции обмотки при использовании этого преобразователя частоты. Этот эффект наиболее серьезен, когда нагрузка не соответствует преобразователю частоты должным образом. Это может произойти при работе с частичной нагрузкой. Этот вид преобразователя частоты все больше теряет свою популярность.

Векторное управление потоком (FVC)
Векторное управление потоком — это более сложный тип преобразователя частоты, который используется в приложениях с экстремальными требованиями к управлению. Например, на бумажных фабриках необходимо очень точно контролировать скорость и усилия растяжения.

Преобразователь частоты FVC всегда имеет некоторую петлю обратной связи. Этот тип преобразователя частоты, как правило, не представляет большого интереса для насосов. Это дорого, и его преимущества не могут быть использованы в своих интересах.

Читайте также:
Стоимость ремонта крыши – Forbes Home

Влияние на двигатель
Индукция работает лучше всего, когда питается от источника чистого синусоидального напряжения. Чаще всего это происходит при подключении к надежному источнику питания.

Когда индукция подключена к преобразователю частоты, на нее будет подаваться несинусоидальное напряжение, больше похожее на прямоугольное напряжение. Если мы подадим на трехфазную индукцию симметричное трехфазное прямоугольное напряжение, все гармоники, кратные трем, а также четные числа, будут устранены из-за симметрии. Но еще остались числа 3;3 и 5;7 и 11;13 и 17;19 и так далее. Для каждой пары гармоник меньший номер соответствует вращению в обратном направлении, а верхний номер — вращению в прямом направлении.

Скорость асинхронного двигателя определяется основным числом, или числом 1, из-за его сильного преобладания. Что теперь происходит с гармониками?

С точки зрения гармоник, кажется, что индукция заблокировала ротор, а это означает, что скольжение для гармоник примерно равно 1. Они не обеспечивают никакой полезной работы. Результатом являются в основном потери ротора и дополнительный нагрев. В нашем приложении, в частности, это серьезный результат. Однако с помощью современных технологий можно устранить большую часть гармоник в индукционном токе, тем самым уменьшив дополнительные потери.

Преобразователь частоты до
Самые ранние преобразователи частоты часто использовали простое прямоугольное напряжение для питания асинхронного двигателя. Они вызывали проблемы с нагревом, а индукции работали с типичным шумом, вызванным пульсациями крутящего момента. Гораздо лучшую производительность удалось получить, просто исключив пятую и седьмую части. Это было сделано за счет дополнительного переключения сигнала напряжения.

Преобразователь частоты сегодня
В настоящее время техника стала более сложной, и большинство ее недостатков ушли в прошлое. Разработка быстродействующих полупроводников и микропроцессора позволила настроить схему переключения таким образом, чтобы исключить большую часть вредных гармоник.

Частоты коммутации до 20 кГц доступны для преобразователей частоты в диапазоне средней мощности (до нескольких десятков кВт). Индукционный ток преобразователя частоты этого типа будет иметь почти синусоидальную форму.

При высокой частоте коммутации индуктивные потери остаются низкими, но потери в преобразователе частоты возрастают. Общие потери станут выше при слишком высоких частотах переключения.

Читайте также:
Казанский завод силикатных стеновых материалов — индустрия века в Татарстане.

Немного теории двигателя
Создание крутящего момента в асинхронном двигателе может быть выражено как

V = Активный объем ротора [м 3 ]
τ = ток на метр окружности отверстия статора
B = плотность потока в воздушном зазоре

ω = угловая частота напряжения статора
E = индуцированное напряжение статора

Чтобы получить наилучшие характеристики на различных скоростях, необходимо поддерживать соответствующий уровень намагниченности индукции для каждой скорости.

Диапазон различных характеристик крутящего момента показан на следующем рисунке. Для нагрузки с постоянным крутящим моментом отношение V/F должно быть постоянным. Для квадратичной нагрузки крутящего момента постоянное соотношение V/F приведет к чрезмерно высокому намагничиванию на более низкой скорости. Это приведет к излишне высоким потерям в стали и потерям сопротивления (I 2 R).

Лучше использовать прямоугольное отношение V/F. Таким образом, потери в стали и потери I 2 R снижаются до уровня, более приемлемого для фактического момента нагрузки.

Если мы посмотрим на рисунок, то обнаружим, что напряжение достигло своего максимума и не может быть увеличено выше базовой частоты 50 Гц. Диапазон выше базовой частоты называется диапазоном ослабления поля. Следствием этого является невозможность поддержания необходимого крутящего момента без увеличения тока. Это приведет к проблемам с нагревом того же рода, что и при нормальном пониженном напряжении, работающем от синусоидальной электросети. Номинальный ток преобразователя частоты, вероятно, будет превышен.

Бег в диапазоне ослабления поля
Иногда возникает искушение запустить насос на частотах выше частоты промышленной электросети, чтобы достичь рабочей точки, которая в противном случае была бы невозможна. Это требует дополнительной осознанности. Мощность на валу насоса будет увеличиваться пропорционально кубу скорости. Превышение скорости на 10% потребует на 33% больше выходной мощности. Грубо говоря, можно ожидать, что повышение температуры увеличится примерно на 75%.

Тем не менее, есть предел тому, что мы можем выжать из индукции на сверхскорости. Максимальный крутящий момент индукции будет падать как функция 1/F в диапазоне ослабления поля.

Очевидно, что индукция пропадет, если преобразователь частоты не сможет поддерживать ее с напряжением, соответствующим необходимому крутящему моменту.

Снижение номинальных характеристик
Во многих случаях индукция работает на максимальной мощности от синусоидальной электросети, и любой дополнительный нагрев недопустим. Если такая индукция питается от какого-либо преобразователя частоты, она, скорее всего, должна работать с более низкой выходной мощностью, чтобы избежать перегрева.

Читайте также:
Типы красок на водной основе | Пятизвездочная картина

Нет ничего необычного в том, что преобразователь частоты для больших насосов мощностью более 300 кВт добавит дополнительные индукционные потери на 25–30 %. В верхнем диапазоне мощностей лишь некоторые из преобразователей частоты имеют высокую частоту коммутации: от 500 до 1000 Гц обычно для преобразователей частоты предыдущего поколения.

Чтобы компенсировать дополнительные потери, необходимо уменьшить выходную мощность. Мы рекомендуем общее снижение номинальных характеристик на 10–15 % для больших насосов.

Поскольку преобразователь частоты загрязняет питающую сеть гармониками, энергокомпания иногда предписывает входной фильтр. Этот фильтр снизит доступное напряжение, как правило, на 5–10%. Следовательно, индукция будет работать при 90–95% номинального напряжения. Следствием является дополнительный нагрев. Может потребоваться снижение номинальных характеристик.

Пример
Предположим, что выходная мощность фактического двигателя насоса составляет 300 кВт при частоте 50 Гц, а повышение температуры составляет 80°C при использовании синусоидальной сети электропитания. Дополнительные потери в размере 30% приведут к тому, что индукция будет на 30% теплее. Консервативное предположение состоит в том, что повышение температуры зависит от квадрата мощности на валу.

Чтобы не превысить 80°C, мы должны уменьшить мощность на валу до

Уменьшение может быть достигнуто либо за счет уменьшения диаметра рабочего колеса, либо за счет снижения скорости.

Потери преобразователя частоты
При определении общего КПД системы преобразователя частоты необходимо учитывать внутренние потери преобразователей частоты. Эти потери преобразователя частоты не являются постоянными, и их нелегко определить. Они состоят из постоянной части и части, зависящей от нагрузки.

Постоянные потери:
Потери на охлаждение (охлаждающий вентилятор) — потери в электронных схемах и т.д.

Потери, зависящие от нагрузки:
Коммутационные потери и потери в выводах в силовых полупроводниках.

На следующем рисунке показана зависимость эффективности преобразователя частоты от частоты при кубической нагрузке для блоков мощностью 45, 90 и 260 кВт. Кривые репрезентативны для преобразователей частоты в диапазоне мощностей 50–300 кВт; с частотой переключения около 3 кГц и с IGBT второго поколения.

Воздействие на изоляцию двигателя
Выходные напряжения современных преобразователей частоты имеют очень короткое время нарастания напряжения.

Читайте также:
10 УДИВИТЕЛЬНЫХ предметов интерьера от ведущих российских дизайнеров (ФОТО) - Russia Beyond по-русски

Такие крутые наклоны напряжения вызовут чрезмерное напряжение в изоляционных материалах индукционной обмотки. При коротких временах нарастания напряжение в обмотке статора распределяется неравномерно. При синусоидальном источнике питания витковое напряжение в индукционной обмотке обычно распределяется равномерно. С другой стороны, с преобразователем частоты до 80 % напряжения будет падать на первом и втором витке. Поскольку изоляция между проводами представляет собой слабое место, это может оказаться опасным для индукции. Короткое время нарастания также вызывает отражение напряжения в индукционном кабеле. В худшем случае это явление удвоит напряжение на индукционных клеммах. Индуктивность, питаемая от преобразователя частоты на 690 вольт, может подвергаться воздействию до 1 900 вольт между фазами.

Амплитуда напряжения зависит от длины индукционного кабеля и времени нарастания. При очень коротких временах нарастания полное отражение происходит в кабеле длиной от 10 до 20 метров.

Для обеспечения функционирования и достаточного срока службы двигателя абсолютно необходимо, чтобы обмотка была адаптирована для использования с преобразователем частоты. Индукции для напряжения выше 500 вольт должны иметь некоторую форму усиленной изоляции. Обмотка статора должна быть пропитана смолой, которая обеспечивает изоляцию без пузырей и полостей. Тлеющие разряды часто возникают вокруг полостей. Это явление в конечном итоге разрушит изоляцию.

Есть способы защитить двигатель. В дополнение к усиленной системе изоляции может потребоваться установка фильтра между преобразователем частоты и индукцией. Такие фильтры можно приобрести у большинства известных поставщиков преобразователей частоты.

Фильтр обычно замедляет время нарастания напряжения от

Выход из строя подшипника
Поломка вращающихся механизмов часто может быть связана с выходом из строя подшипников. В дополнение к чрезмерному нагреву, недостаточной смазке или усталости металла, электрический ток через подшипники может быть причиной многих загадочных поломок подшипников, особенно при больших индукциях. Это явление обычно вызвано несимметричностью магнитной цепи, которая индуцирует небольшое напряжение в структуре статора, или током нулевой последовательности. Если потенциал между конструкцией статора и узлом вала становится достаточно высоким, через подшипник произойдет разряд. Небольшие электрические разряды между телами качения и дорожкой качения подшипника в конечном итоге могут повредить подшипник.

Читайте также:
Полезная информация о самовсасывающих насосах

Использование преобразователей частоты увеличивает вероятность выхода из строя этого типа подшипника. Метод переключения современного преобразователя частоты вызывает ток нулевой последовательности, который при определенных обстоятельствах проходит через подшипники.

Самый простой способ вылечить эту проблему — поставить препятствие для тока. Обычный метод заключается в использовании подшипника с изолирующим покрытием на наружном кольце.

Выводы
Использование преобразователя частоты не означает отсутствие проблем. Множество вопросов, на которые необходимо обратить внимание при проектировании. Нужно ли, например, ограничивать доступную мощность на валу, чтобы предотвратить чрезмерный нагрев? Может оказаться необходимым работать с более низкой выходной мощностью, чтобы избежать этой проблемы.

Будет ли изоляция асинхронного двигателя противостоять воздействию инвертора? Нужна ли фильтрация? Современные эффективные инверторы отрицательно влияют на изоляцию из-за высокой частоты коммутации и короткого времени нарастания напряжения.

Какую максимальную длину кабеля можно использовать без полного отражения напряжения? Амплитуда напряжения зависит как от длины кабеля, так и от времени нарастания. При очень коротких временах нарастания полное отражение будет происходить в кабелях длиной от 10 до 20 метров.

Может быть необходимо использовать изолированные подшипники, чтобы предотвратить попадание тока нулевой последовательности в подшипники?

Только когда мы разберемся со всеми этими вопросами, мы сможем принять правильное решение об использовании преобразователя частоты.

В разделе:
«Бег в зоне ослабления поля»,
примерно на 5 строк ниже, после «увеличится примерно на 75%»,
есть странное незаконченное предложение:
«Максимальное падение крутящего момента в диапазоне ослабления поля»,
как раз перед тем, как продолжить: «Тем не менее, есть предел тому, что мы можем выжать из индукции на сверхскорости».
Это остатки испорченной графики?

Если это ошибка, пожалуйста, исправьте.

Вам также может понравиться:

Однофазный преобразователь частоты для трехфазного двигателя Это был проект модернизации, в котором часть системы питалась от 3 фаз. Новый модуль управления для этой части системы был заменен на поставляемый электронный преобразователь частоты. Руководство по эксплуатации программируемого преобразователя частоты Включите входной переключатель преобразователя частоты, нажмите кнопку SET, чтобы войти в пользовательский интерфейс главного меню, главное меню разделено на четыре пункта: 1) Набор параметров; 2) Рабочие параметры; 3) Ненормальный. Преобразование 60Гц 110В (120В) в 50Гц 220В (230В, 240В) 50Гц (220В, 230В, 240В) и 60Гц (110В, 120В) блоки питания чаще всего используются в глобальной системе питания бытовой техники. В некоторых странах (регионах) используется источник питания с частотой 60 Гц, в то время как в других странах используется . Преобразователь частоты ШИМ Двигатели переменного тока, управляемые преобразователем частоты ШИМ, используются в большом количестве в широком диапазоне промышленных применений. Преимущества огромны, такие как улучшенный контроль процесса, энергия. Изолировать неисправность преобразователя частоты Асинхронный двигатель, питаемый от преобразователя частоты, может потребовать дополнительных испытаний после обнаружения неисправности, связанной со статором. Если внутренняя изоляция фаз повреждена или слаба, быстрое .

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: