Основы переменных частотных приводов

March 13, 2015

Когда Tesla впервые представила 3-фазную переменного тока (AC) Индукционный мотор в 1888 году, он знал, что Его Изобретение было более эффективным и надежно чем Эдисон прямой ток (DC) мотор. Однако контроль скорости двигателя переменного тока требует либо изменять магнитный поток, либо изменяющий количество полюсов на двигатель. Даже десятилетия после того, как вспомогательный мотор набрал широкое использование, изменение частоты для контроля скорости оставалась чрезвычайно сложной задачей - и физическая конструкция мотора предотвратила производителей от создания двигателей больше чем Два скорости.

В результате были необходимы DC Motors Где Точный контроль скорости и значительную мощность. В отличие от требований контроля скорости двигателя переменного тока, контроль скорости двигателя постоянного тока был достигнут путем вставки реостата в Low-Power Полевой цепью постоянного тока, которая была осуществима с доступными Технология. Эти Простые элементы управления двигателя различали скорость и крутящий момент, и были наиболее экономичным способом сделать это для ряда десятилетий.

К 1980-х годам технология двигателя переменного тока стала надежной и недорогой достаточно, чтобы конкурировать с традиционным двигателем постоянного тока Control. Эти Переменная частота Диски (VFDS) Точно контролировать скорость стандартной индукции переменного тока или синхронные двигатели. С VFDS, контроль скорости с полным крутящим моментом достигается от 0 об / мин через максимальную номинальную скорость и, если требуется, над номинальной скоростью при уменьшении крутящий момент. VFDS манипулировать частотой их вывод путем устранения входящего тока переменного тока в постоянный ток, а затем с использованием напряжения ширина импульсов Модуляция для воссоздания тока переменного тока и вывода напряжения Waveform. Тем не менее, это процессы преобразования частоты 2% на 3% потеря как тепло в VFD - Калорийность, которая должна быть рассеивается. Процесс также дает перенапряжение Шипы и гармонический ток искажения.

Переменная частота типы

Есть три распространенных типа VFDS. Инверсия источника тока (CSI) был успешно использован в обработке сигналов и промышленной мощности Приложения. CSI VFDS единственный тип, который имеет регенеративный Мощность Возможность. Другими словами, они может поглощать потоку мощности от мотора в мощность Поставка. CSI VFDS дать очень чистый текущий сигнал волны, но требуют больших, дорогих индукторов в их конструкция и вызывают укрепление (пульсирующие движение во время вращение) ниже 6 Гц.

Инверсия источника напряжения (VSI) Диски имеют плохой коэффициент мощности, может вызвать моторное воздействие ниже 6 Гц, а также нерестативы. Следовательно, CSI и VSI Диски не были широко используются.

Ширина импульса Модуляция (ШИМ) VFDS чаще всего используются в промышленности Потому что отличного входного коэффициента мощности из-за фиксированного напряжения шины постоянного тока, без колебаний двигателя, более высокой эффективности и более низкой ценой. A ШИМ VFD Использует серию импульсов напряжения различной длины для моделирования синусоидальной волны (рис. 1 на странице 8). В идеале импульсы приурочены так, что среднее значение времени привода дает идеальный синусоид. Текущий метод выбора для получения этой формы волны проходит треугольник волны и синусоидальной волной через компаратор и выводит импульс напряжения Всякий раз, когда Синус Волна значение больше чем треугольник волна. Текущий электрический компонент выбора для генерации импульса напряжения - это изолированный биполярный транзистор (IGBT), хотя контролируемый кремнием Выпрямители (SCRS) может работать как хорошо. В ближайшее время инъекция-усиление ворота транзисторов (IEGTS) будет использоваться для выполнения этой работы. гораздо более долгосрочные, мемристоры вероятно, станет компонентом выбора для этого задача.

Мемристоры являются четвертым элементом пассивной цепи, связывая электрический заряд и магнитный поток. Мемристоры были гипотез, чтобы существовать для большего количества чем 30 лет, но не были изготовлены до Апрель 2008 Hewlett Packard Лаборатории. Hewlett Packard надеется использовать эти устройства как пассивный транзистор, уменьшение их Выработка тепла по сравнению с другими типами память. Независимо от компонента, используемого для формирования синусоидальной волны, причинах действия переключения проблемы.

Тепло, потери мощности и гармоники

Первая проблема A VFD Производитель должен обратиться к адресу - это тепло. Хотя VFDS Высокоэффективные устройства, производители не могут производить идеальный набор компоненты. Тепло, потерянное в приводе регулируется следующим уравнением:

Хлосс = PT (1-η)

Где Хлосс Утеряна ли мощность (W), PT - мощность через привод (W), а η это эффективность привод. Обычно VFDS иметь рейтинг эффективности между 95% и 98%. Это означает количество воздуха, которое должно быть перемещено через привод, регулируется Уравнение:

м = HLOSS ÷ (CPΔt) = Pt (1-η) ÷ (CPΔT)

Где M - массовый расход (кг / S), CP является удельной теплотой воздуха [kj ÷ (кг × k)], а Δt Разница в температуре между входящим воздухом и исходящим воздухом (k). Это Тепло может привести к значительным затратам охлаждения, которые будут добавляться в конструкцию, особенно если привод не может быть помещен в несплассированное местоположение (область свободный от легковоспламеняющихся газов или частиц). Если Привод должен быть размещен в классическом месте, затем воздушный поток, идущий на привод, необходимо будет очистить и под давлением.

Отопление - это только одна из проблем с VFDS. Другая серьезная проблема заключается в системе гармоник. Изображение ШИМ и гармоники они Причина показана в Рис. 2. Неровности в синусоидах называются гармоники. в мире идеальной силовой цепи, эти Гармоники Должен не существуют. Они ничего не делай, кроме причина проблемы. К счастью, есть несколько способов смягчить гармоник.

Одним из самых простых методов борьбы с гармониками является размещение синусоидального волнового фильтра по обе стороны от VFD. на линии линии, эти , как правило, называются линейными реакторами и имеют значения последовательности операций в любом месте между 1,5% и 5,0% импеданс. Более высокий импеданс не только останавливает больше гармоник, но он также ограничивает власть, идущий на VFD.

другая тактика, которая может использоваться на линии VFD это размещать конденсаторы на общем автобус. Потому что Импеданс конденсатора обратно пропорциональна частоте сигнала, гармоники видят короткий сквозь конденсатор и проезжают через конденсатор на землю, надеюсь, игнорируя другие нагрузки на автобус. VFDS Может также использовать активную переднюю часть для ограничения гармоник, которые линия линии видит. У активного переднего конца есть другой IGBT Переключение при обратном напряжении в качестве основного IGBT, но он размещен через высокий проходной фильтр, чтобы сигнал фундаментальной мощности отправляется на Суммирование двух гармонических сигналов в идеале должна быть нулю. Если Активный передний конец диск не подходит по какой-то причине, пассивный передний конец VFD может быть закупается. пассивный фронт-конец VFDS использовать несколько сдвига фазы трансформаторы и диодные мосты для смягчения гармоник.

Чем больше импульсов пассивный передний конец VFD есть, чем меньше проблем с гармониками существуют. Компромисса состоит в том, что линейные напряжения должны быть хорошо сбалансированы, и с каждым дополнительным фазовым смещением трансформатора находятся повышенные затраты и убыток в Эффективность. В крайних случаях может быть закупается изоляционный трансформатор Хотя Это один из самых эффективных способов предотвращения распространения гармоник, это также один из самых дорогостоящих.

Если Гармоники недостаточно смягчены на линии линии VFD, перекрестных помех и перегрева стать проблемы. перегрев мог бы Либо вызывает размеры шины, чтобы быть измеренным или увеличить охлаждение Стоимость. Crosstalk определяется как сигнал из одной цепи, мешающей другую цепи. Вообще говоря, это большая проблема чем перегрев. Примером этого - это радио немного немного из TUNE. Хотя Можно слышать музыку через статическую, статичность раздражает. Crosstalk - это раздражающая вещь в телекоммуникации Circuits. В мощности схема Crosstalk приведет к перегреву и реле частоты Поездки.

так же, как гармоники, оставшиеся без изменений на линии линии могут вызвать проблемы, они может создавать проблемы на стороне нагрузки, как хорошо. Это это потому что природы волны. Для Пример, небольшая сила, действующая на Slinky На любом конце приведет к высокой амплитудной сине волна. Электромагнитные волны действуют в том же моде, что означает, что небольшое количество реактирования может вызвать большое напряжение Spikes. Потому что Это реагирование является индуктивным по своей природе, большинство выходных фильтров являются конденсаторы, соединенные в Delta Конфигурация. В идеале это должен Сделайте часть реактивной части импеданса пойти на ноль. Если Импеданс соответствует правильно, то это не происходит.

Примечание Осторожно: Конденсаторы, подключенные к стороне нагрузки VFD может создать большое количество проблем, вплоть до уничтожения привод. Поэтому это WIRE для проверки производителем привода перед установкой синусоидального волнового фильтра на стороне нагрузки VFD. В редких случаях активный фильтр может быть используется Хотя эти склонны хорошо работать, они довольно дороги и обычно должны быть пользовательскими спроектированы.

VFD преимущества

Несмотря на то, что VFDS генерировать большое количество гармоник и тепло, они бы не так широко используются и популярны как они сегодня, если они не имел значительных экономических Преимущества.

Электрически, VFDS Беги с высокой мощностью фактор. Любой класс индукционных двигателей обычно имеет низкий уровень мощности в половине и три четверти нагрузки (0,75 до 0,85). Это на самом деле уменьшает жизнь мотора, потому что Ненужное увеличение современного перегрева намотки изоляция. VFDS Обойти эту проблему, запустив нагрузку на частоту ниже Фундаментальной.

Самая очевидная причина для закупки VFD это скорость контроль. Это обычно делается для процесса, эксплуатации и экономики Преимущества. Одно экономическое преимущество исходит из сокращения обслуживания Когда используя VFD, особенно не иметь дело с углеродными щетками двигателя постоянного тока или механической контроль скорости коробки передач (передача). Самые очевидные экономические выгоды VFDS происходят с вентиляторами и насосы. Власть, которую потребляет насос или вентилятор, прямо пропорционален кубику скорость. Это означает, что оператор может запустить вентилятор на 80% полной скорости, теоретически использует 51% полной нагрузки мощность.

VFDS Также оптимизируйте двигатель, начинающиеся Характеристики. VFDS Принесите двигатели до полной скорости быстро и нарисовать только 100% к 150% полной нагрузки AMP (FLAS). Это Возможность начать с нормальной FLA очень важно, если источник питания не может Выдерживают нормально шесть раз fla в пределах линии начать ничье или даже 350% Fla мягкий начн устройство ток. VFDS Сделайте это, управляя магнитным потоком индукции двигатель. Магнитный флюс прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционально частоту Частота. Поддерживая постоянную поток, ток isroush не превышает fla Рейтинг двигателя и полный крутящий момент поддерживается. Это является значительным улучшением мягкого запуска, которое имеет значительные проблемы падения напряжения и не может Начните под полный груз.

Еще один потенциально полезный аспект VFDS продемонстрировано в Рис. 3, (нажмите здесь, чтобы увидеть Рис. 3) который показывает выход постоянного крутящего момента VFD. Обратите внимание на два региона, постоянный крутящий момент и постоянный лошадиные силы. Постоянный крутящий момент имеет довольно я поясничный; VFD регулирует поток так, чтобы ток - константы. Однажды VFD превосходит номинальную системную частоту, напряжение не может увеличение из-за физических ограничений Система. Потому что Напряжение статическое - и частота увеличивается - Флюс вынужден Уменьшение. Когда Это происходит, ток и крутящий момент вынуждены уменьшаться как хорошо. Это называется поле ослабление. Хотя Не обязательно хорошая вещь, это может быть полезно, если есть необходимость для питания частичного крутящего момента нагрузка над номиналом Скорость. В дополнение к этой возможности VFDS также может принять любую форму входной мощности будь то это однофазный AC, 3-фаз AC или DC. VFDS ФРС из источника постоянного тока до сих пор питает нагрузку переменного тока без внутреннего выпрямителя.

VFDS Также есть некоторые приложения на мощности сетка. Один классический пример этого представляет собой вдвойнедушенную индукционный генератор, в котором VFD может заставить фиксированную частоту и сигнал напряжения из переменной скорости (частота) вход. Это Обычно видно в ветряных турбинах и других небольших проектах гидроэлектрической генерации, которые будут подключены к мощности сетка. Другие возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрические клетки, могут использовать VFDS действовать в качестве инвертора перед подключением к электросети, хотя инверторы с Buck-Boost Технология больше общие. Хотя есть много потенциальных применений для VFDS на коммерческой сетке, они за пределами объема этого статья.

Таким образом, всякий раз, когда Нагрузка имеет вариабельный крутящий момент, либо переменную скорость, A VFD должен быть считается. A VFD может быть рассмотрено, если большой мотор имеет проблему с падением напряжения, крутящим моментом или током inroush во время запуск. хотя vfds Несомненно, решить их справедливое количество проблем и обеспечить существенную экономию энергии, тепло они генерация должна быть рассеивается - и гармоники они продукция должна быть смягчается.

Предыдущий :
История частотно-регулируемого привода