Frekvensomformer - Variable-frequency drive
En variabel frekvens drev ( VFD ) eller indstillelig-frekvensomformeren ( AFD ), variabel spænding / variabel frekvens ( VVVF ) drev , variabel hastighed ( VSD ), frekvensomformer , micro drev eller inverterdrev er en type af motordrev anvendt i elektromekaniske drivsystemer til styring AC motor hastighed og drejningsmoment ved at variere motorens input frekvens og spænding .
VFD'er bruges i applikationer lige fra små apparater til store kompressorer. Omkring 25% af verdens elektriske energi forbruges af elektriske motorer i industrielle applikationer. Systemer, der bruger VFD'er, kan være mere effektive end dem, der bruger gasregulering af væskestrøm, f.eks. I systemer med pumper og spjældstyring til ventilatorer. Den globale markedsindtrængning for alle applikationer af VFD'er er imidlertid relativt lille.
I løbet af de sidste fire årtier har effektelektronik -teknologi reduceret VFD -omkostninger og -størrelse og har forbedret ydeevnen gennem fremskridt inden for halvlederomskiftningsenheder, drevtopologier, simulerings- og styreteknikker og styring af hardware og software.
VFD'er fremstilles i en række forskellige lav- og mellemspænding AC-AC og DC-AC topologier.
Systembeskrivelse og drift
En variabel-frekvens drev er en anordning, der anvendes i et drivsystem bestående af følgende tre subsystemer: AC motor, hoveddrevet controller samling, og drev / operatørinterface.
AC motor
AC-motoren, der bruges i et VFD-system, er normalt en trefaset induktionsmotor . Nogle typer enfasede motorer eller synkronmotorer kan være fordelagtige i nogle situationer, men generelt foretrækkes trefasede induktionsmotorer som de mest økonomiske. Motorer, der er designet til drift med fast hastighed, bruges ofte. Forhøjede spændinger påført på induktionsmotorer, der leveres af VFD'er, kræver, at sådanne motorer er designet til en bestemt inverter-fodret drift i overensstemmelse med kravene som del 31 i NEMA Standard MG-1.
Controller
VFD-controlleren er et solid-state strømelektronik-konverteringssystem, der består af tre forskellige undersystemer: en ensretterbroomformer , et jævnstrømslink (DC) og en inverter. Spændingskilde- inverter (VSI) -drev (se underafsnittet 'Generiske topologier' nedenfor) er langt den mest almindelige type drev. De fleste drev er AC-AC- drev, idet de konverterer AC-linjeindgang til vekselretterudgang. I nogle applikationer, f.eks. Almindelige DC-bus- eller solapplikationer , er drev imidlertid konfigureret som DC-AC-drev. Den mest grundlæggende ensretterkonverter for VSI drevet er udformet som en trefaset, seks-puls, fuld-bølge diodebro . I en VSI drev, jævnstrømsforbindelsen består af en kondensator , som udjævner konverterens DC output ripple og tilvejebringer en stiv input til inverteren. Det filtrerede jævnspænding omdannes til kvasi- sinusformet vekselspænding udgang via frekvensomformerens aktive omskifterelementer. VSI-drev giver højere effektfaktor og lavere harmonisk forvrængning end fasestyret strømkilde- inverter (CSI) og belastningskommuterede inverter (LCI) -drev (se underafsnittet 'Generiske topologier' nedenfor). Drevstyringen kan også konfigureres som en fasekonverter med enfaset konverterindgang og trefaset inverterudgang.
Controllerens fremskridt har udnyttet dramatiske stigninger i spændings- og strømværdier og skiftefrekvens for solid-state strømudstyr i løbet af de sidste seks årtier. Den bipolære transistor (IGBT), der blev introduceret i 1983, er i de sidste to årtier kommet til at dominere VFD'er som en inverter-switch-enhed.
I applikationer med variabelt drejningsmoment , der er egnet til Volts-per-Hertz (V/Hz) drevstyring, kræver vekselstrømsmotorens egenskaber, at spændingsstørrelsen af inverterens udgang til motoren justeres, så den matcher det krævede belastningsmoment i et lineært V/Hz-forhold . For eksempel, for 460 V, 60 Hz motorer, er dette lineære V/Hz forhold 460/60 = 7,67 V/Hz. Selvom den er velegnet til vidtrækkende applikationer, er V/Hz-kontrol suboptimal i højtydende applikationer, der involverer lav hastighed eller krævende, dynamisk hastighedsregulering, positionering og reversering af belastningskrav. Nogle V/Hz-styreenheder kan også fungere i kvadratisk V/Hz-tilstand eller kan endda programmeres til at passe til specielle flerpunkts V/Hz-stier.
De to andre drivstyringsplatforme, vektorstyring og direkte drejningsmomentkontrol (DTC), justerer motorspændingens størrelse, vinkel fra reference og frekvens for præcist at kontrollere motorens magnetiske flux og mekaniske drejningsmoment.
Selvom rumvektor impulsbreddemodulation (SVPWM) bliver stadig mere populært, sinusformet PWM (SPWM) er den simpleste metode anvendes til at variere drev motorspænding (eller strøm) og frekvens. Med SPWM-kontrol (se fig. 1) konstrueres kvasi-sinusformet, variabel-pulsbreddeudgang fra krydsninger mellem et savtandet bæresignal med et modulerende sinusformet signal, der er variabelt i driftsfrekvens såvel som i spænding (eller strøm) ).
Drift af motorerne over den nominelle navneskilthastighed (basishastighed) er mulig, men er begrænset til forhold, der ikke kræver mere effekt end motorens typeskilt. Dette kaldes undertiden "svækkelse af feltet", og for vekselstrømsmotorer betyder det, at det fungerer ved mindre end nominel V/Hz og over nominel mærkehastighed. Permanente magnet synkronmotorer har ganske begrænset felt-svækkende hastighedsområde på grund af den konstante magnetfluxforbindelse . Sår-rotorsynkronmotorer og induktionsmotorer har meget bredere hastighedsområde. For eksempel ville en 100 HK, 460 V, 60 Hz, 1775 o/min (4-polet) induktionsmotor leveret med 460 V, 75 Hz (6.134 V/Hz) være begrænset til 60/75 = 80% moment ved 125% hastighed (2218,75 o / min) = 100% effekt. Ved højere hastigheder skal induktionsmotorens drejningsmoment begrænses yderligere på grund af sænkningen af motorens udløsermoment. Således kan nominel effekt typisk kun produceres op til 130-150% af den nominelle navneskiltshastighed. Sårrotor-synkrone motorer kan køres med endnu højere hastigheder. I valseværksdrev bruges ofte 200-300% af grundhastigheden. Rotorens mekaniske styrke begrænser motorens maksimale hastighed.
En integreret mikroprocessor styrer den overordnede drift af VFD -controlleren. Grundlæggende programmering af mikroprocessoren leveres som bruger-utilgængelig firmware . Brugerprogrammering af display- , variabel- og funktionsblokparametre er til rådighed for at styre, beskytte og overvåge VFD, motor og drevet udstyr.
Den grundlæggende drevcontroller kan konfigureres til selektivt at omfatte sådanne valgfrie strømkomponenter og tilbehør som følger:
- Tilsluttet opstrøms for omformer - afbryder eller sikringer , isolation kontaktor , EMC -filter, linie reaktor , passive filter
- Tilsluttet DC -link - bremsehakker , bremsemodstand
- Tilsluttet nedstrøms for inverter - outputreaktor, sinusbølgefilter, dV/dt filter.
Operatørgrænseflade
Operatørgrænsefladen giver en operatør et middel til at starte og stoppe motoren og justere driftshastigheden. VFD'en kan også styres af en programmerbar logisk controller via Modbus eller en anden lignende grænseflade. Yderligere betjeningsfunktioner kan omfatte reversering og skift mellem manuel hastighedsjustering og automatisk styring fra et eksternt processtyringssignal . Operatørgrænsefladen indeholder ofte et alfanumerisk display eller indikatorlamper og målere for at give oplysninger om driften af drevet. Et betjeningspanel tastatur og displayenhed er ofte forsynet på forsiden af VFD -controlleren som vist på fotografiet ovenfor. Tastaturets display kan ofte tilsluttes kabel og monteres en kort afstand fra VFD-controlleren. De fleste er også forsynet med input og output (I/O) terminaler til tilslutning af trykknapper, kontakter og andre operatørgrænsefladeenheder eller kontrolsignaler. En seriel kommunikation port er også ofte rådighed til, at VFD at blive konfigureret, justeret, overvåges og styres ved hjælp af en computer.
Hastighedskontrol
Der er to hovedmåder til at kontrollere hastigheden på en VFD; netværk eller hardwired. Netværk involverer transmission af den påtænkte hastighed over en kommunikationsprotokol som Modbus , Modbus / TCP , EtherNet / IP eller via et tastatur ved hjælp af Display Serial Interface, mens hardwired involverer et rent elektrisk kommunikationsmiddel. Typiske midler til hardwired kommunikation er: 4-20mA , 0-10VDC eller brug af den interne 24VDC strømforsyning med et potentiometer . Hastigheden kan også fjernstyres og lokalt. Fjernbetjening instruerer VFD'en til at ignorere hastighedskommandoer fra tastaturet, mens lokal kontrol instruerer VFD'en i at ignorere ekstern kontrol og kun overholde tastaturet. På nogle drev bruges de samme ben til både 0-10VDC og 4-20mA og vælges via en
Programmering af en VFD
Afhængigt af modellen kan en VFD's driftsparametre programmeres via: dedikeret programmeringssoftware, internt tastatur, eksternt tastatur eller SD -kort. VFD'er blokerer ofte de fleste programmeringsændringer, mens de kører. Typiske parametre, der skal indstilles, omfatter: motorens typeskiltinformation, hastighedsreferencekilde, tænd/sluk -styrekilde og bremsekontrol. Det er også almindeligt, at VFD'er tilvejebringer fejlfindingsinformation, såsom fejlkoder og tilstande for indgangssignalerne.
Start og softwareadfærd
De fleste VFD'er tillader automatisk start at blive aktiveret. Hvilket driver udgangen til en bestemt frekvens efter en strømcyklus, eller efter en fejl er ryddet, eller efter nødstopsignalet er blevet gendannet (generelt er nødstop aktive lav logik). En populær måde at styre en VFD på er at aktivere automatisk start og placere L1, L2 og L3 i en kontaktor. Tænding af kontaktoren tænder således for drevet og får det til at have en bestemt hastighed. Afhængigt af drevets raffinement kan flere auto-start-adfærd udvikles, f.eks. Starter drevet automatisk ved opstart, men starter ikke automatisk fra at rydde et nødstop, før en nulstilling er blevet cyklet.
Kør betjening
Med henvisning til det medfølgende diagram kan drevprogrammer kategoriseres som enkelt-kvadrant, to-kvadrant eller fire-kvadrant; diagrammets fire kvadranter er defineret som følger:
- Kvadrant I - Kørsel eller motor, fremadgående acceleration med kvadrat med positiv hastighed og drejningsmoment
- Quadrant II - Generering eller bremsning, bremsning fremad - decelerere kvadrant med positiv hastighed og negativt moment
- Quadrant III - Kørsel eller motor, omvendt accelererende kvadrant med negativ hastighed og drejningsmoment
- Kvadrant IV - Generering eller bremsning, omvendt bremsning -decelererende kvadrant med negativ hastighed og positivt drejningsmoment.
De fleste applikationer involverer enkeltkvadrantbelastninger, der fungerer i kvadrant I, f.eks. Ved variabelt drejningsmoment (f.eks. Centrifugalpumper eller ventilatorer) og visse belastninger med konstant drejningsmoment (f.eks. Ekstrudere).
Visse applikationer involverer tokvadrantbelastninger, der arbejder i kvadrant I og II, hvor hastigheden er positiv, men drejningsmomentet ændrer polaritet som i tilfælde af, at en blæser bremser hurtigere end naturlige mekaniske tab. Nogle kilder definerer tokvadrantdrev som belastninger, der arbejder i kvadranter I og III, hvor hastigheden og drejningsmomentet er den samme (positive eller negative) polaritet i begge retninger.
Visse højtydende applikationer involverer fire-kvadrantbelastninger (kvadranter I til IV), hvor hastigheden og drejningsmomentet kan være i enhver retning, f.eks. I taljer, elevatorer og bakkede transportører. Regenerering kan kun ske i drevets DC-link bussen, når inverter spænding er mindre i størrelsesorden end motorens ryg- EMF og inverter spænding og back-EMF er den samme polaritet.
Ved start af en motor anvender en VFD i første omgang en lav frekvens og spænding, og dermed undgås en høj startstrøm forbundet med direkte-online-start . Efter starten af VFD øges den anvendte frekvens og spænding med en kontrolleret hastighed eller øges for at accelerere belastningen. Denne startmetode tillader typisk en motor at udvikle 150% af sit nominelle drejningsmoment, mens VFD trækker mindre end 50% af sin nominelle strøm fra lysnettet i lavhastighedsområdet. En VFD kan justeres for at producere et stabilt 150% startmoment fra stilstand op til fuld hastighed. Motorkøling forringes imidlertid og kan resultere i overophedning, da hastigheden falder, så langvarig lavhastighedsdrift med betydeligt drejningsmoment normalt ikke er mulig uden separat motoriseret ventilatorventilation.
Med en VFD er stoppekvensen lige det modsatte som startsekvensen. Frekvensen og spændingen, der påføres motoren, sænkes med en kontrolleret hastighed. Når frekvensen nærmer sig nul, slukkes motoren. En lille mængde bremsemoment er tilgængelig for at bremse belastningen lidt hurtigere, end den ville stoppe, hvis motoren simpelthen blev slukket og fik lov til at køre. Yderligere bremsemoment kan opnås ved at tilføje et bremsekredsløb (modstand styret af en transistor) for at sprede bremseenergien. Med en firkvadrant ensretter (aktiv front-end) er VFD i stand til at bremse belastningen ved at anvende et omvendt drejningsmoment og injicere energien tilbage til vekselstrømsledningen.
Fordele
Energibesparelser
Mange motorbelastningsapplikationer med fast hastighed, der leveres direkte fra vekselstrøm, kan spare energi, når de drives med variabel hastighed ved hjælp af VFD. Sådanne energibesparelser er især markante i centrifugalventilator- og pumpeapplikationer med variabelt drejningsmoment, hvor belastningens drejningsmoment og effekt varierer med henholdsvis kvadratet og terningen af hastigheden. Denne ændring giver en stor effektreduktion i forhold til drift med fast hastighed for en relativt lille hastighedsreduktion. For eksempel forbruger en motorbelastning ved 63% hastighed kun 25% af dens fulde hastighed. Denne reduktion er i overensstemmelse med affinitetslove, der definerer forholdet mellem forskellige centrifugale belastningsvariabler.
I USA bruges anslået 60-65% af den elektriske energi til at levere motorer, hvoraf 75% er ventilatorer med variabel drejningsmoment, pumpe og kompressor. Atten procent af energien, der bruges i de 40 millioner motorer i USA, kunne spares ved effektive energiforbedringsteknologier som f.eks. VFD'er.
Kun omkring 3% af den samlede installerede base af vekselstrømsmotorer er forsynet med vekselstrømdrev. Det anslås dog, at drivteknologi anvendes i så mange som 30-40% af alle nyinstallerede motorer.
En energiforbrugsfordeling af den globale befolkning af vekselstrømsmotorinstallationer er som vist i følgende tabel:
Lille | Generelt formål - Mellemstørrelse | Stor | |
---|---|---|---|
Strøm | 10 W - 750 W | 0,75 kW - 375 kW | 375 kW - 10000 kW |
Fase, spænding | 1-ph., <240 V | 3-ph., 200 V til 1 kV | 3-ph., 1 kV til 20 kV |
% samlet motorenergi | 9% | 68% | 23% |
Samlet lager | 2 mia | 230 mio | 0,6 mio |
Kontroller ydeevnen
AC -drev bruges til at skabe proces- og kvalitetsforbedringer i industrielle og kommercielle applikationers acceleration, flow, overvågning, tryk, hastighed, temperatur, spænding og drejningsmoment.
Last med fast hastighed udsætter motoren for et højt startmoment og for strømstød, der er op til otte gange fuldstrømmen. Vekselstrømdrev øger i stedet motoren gradvist op til driftshastighed for at reducere mekanisk og elektrisk belastning, reducere vedligeholdelses- og reparationsomkostninger og forlænge motorens og det drevne udstyrs levetid.
Drev med variabel hastighed kan også køre en motor i specialiserede mønstre for yderligere at minimere mekanisk og elektrisk belastning. For eksempel kan et S-kurve-mønster anvendes på en transportørapplikation til jævnere deceleration og accelerationskontrol, hvilket reducerer den modreaktion, der kan opstå, når en transportør accelererer eller bremser.
Ydelsesfaktorer, der har tendens til at favorisere brugen af DC-drev frem for vekselstrømdrev, omfatter krav som kontinuerlig drift ved lav hastighed, firkvadrantdrift med regenerering, hyppige accelerations- og decelerationsrutiner og behovet for, at motoren skal beskyttes i et farligt område. Følgende tabel sammenligner AC- og DC -drev i henhold til visse nøgleparametre:
Drevtype | DC | AC VFD | AC VFD | AC VFD | AC VFD |
---|---|---|---|---|---|
Kontrolplatform | Børste type DC | V/Hz kontrol | Vektorkontrol | Vektorkontrol | Vektorkontrol |
Kontrolkriterier | Lukket kredsløb | Åben sløjfe | Åben sløjfe | Lukket kredsløb | Åben sløjfe m. HFI^ |
Motor | DC | JEG ER | JEG ER | JEG ER | Interiør PM |
Typisk hastighedsregulering (%) | 0,01 | 1 | 0,5 | 0,01 | 0,02 |
Typisk hastighedsområde ved konstant drejningsmoment (%) | 0-100 | 10-100 | 3-100 | 0-100 | 0-100 |
Min. hastighed ved 100% drejningsmoment (% af basen) | Stilstand | 8% | 2% | Stilstand | Stilstand (200%) |
Drift med flere motorer anbefales | Ingen | Ja | Ingen | Ingen | Ingen |
Fejlbeskyttelse (kun smeltet eller iboende at køre) | Kun smeltet | Iboende | Iboende | Iboende | Iboende |
Vedligeholdelse | (Børster) | Lav | Lav | Lav | Lav |
Feedback -enhed | Omdrejningstæller eller encoder | Ikke relevant | Ikke relevant | Encoder | Ikke relevant |
^ Højfrekvent injektion
VFD -typer og vurderinger
Generiske topologier
AC -drev kan klassificeres i henhold til følgende generiske topologier:
- Spændingskilde -inverter (VSI) drevtopologier (se billede): I et VSI -drev gemmer DC -output fra diode -broomformeren energi i kondensatorbussen for at levere stiv spændingsindgang til inverteren. Langt de fleste drev er VSI -type med PWM -spændingsudgang.
- Strømkilde inverter (CSI) drevtopologier (se billede): I et CSI-drev lagrer DC-udgangen fra SCR- broomformeren energi i serie- Induktortilslutning for at levere inverter til stiv strøm. CSI-drev kan betjenes med enten PWM eller seks-trins bølgeformoutput.
- Seks-trins inverter drev topologier (se billede): Nu stort set forældede, seks-trins drev kan enten være VSI eller CSI type og omtales også som variabel spændings inverter drev, puls-amplitude modulation (PAM) drev, firkantbølge drev eller DC chopper inverter drev. I et seks-trins drev udjævnes DC-udgangen fra SCR-broomformeren via kondensatorbus og seriereaktorforbindelse til forsyning via Darlington Pair eller IGBT- inverter kvasi-sinusformet, seks-trins spænding eller strømindgang til en induktionsmotor.
- Loadkommuterede inverter (LCI) drevtopologier : I et LCI-drev (et specielt CSI-tilfælde) lagrer DC-udgangen fra SCR-broomformeren energi via DC-link induktorkredsløb for at levere stiv kvasi-sinusformet sekstrins strømudgang på et sekund SCR-bros inverter og en overspændt synkron maskine.
- Cyklokonverter eller matrixkonverter (MC) topologier (se billede): Cyklokonvertere og MC'er er AC-AC-omformere, der ikke har nogen mellemliggende DC-forbindelse til energilagring. En cyklokonverter fungerer som en trefaset strømkilde via tre anti-parallelforbundne SCR-broer i seks-puls konfiguration, hvor hver cyklokonverter fase fungerer selektivt for at konvertere fast linje frekvens AC spænding til en veksel spænding ved en variabel belastningsfrekvens. MC-drev er IGBT-baserede.
- Dobbelt fodret slip Recovery System topologier : A dobbelt fodret slip Recovery System feeds rektificeret slip strøm til en udjævning reaktor til strømforsyning til AC forsyningsnettet via en inverter, idet motorens hastighed styres ved justering af DC-strøm.
Kontrolplatforme
De fleste drev bruger en eller flere af følgende kontrolplatforme:
- PWM V / Hz skalar kontrol
- PWM feltorienteret kontrol (FOC) eller vektorkontrol
- Direkte momentstyring (DTC).
Belastningsmoment og effektegenskaber
Drev med variabel frekvens er også kategoriseret efter følgende belastningsmoment og effektegenskaber:
- Variabelt drejningsmoment, f.eks. I applikationer til centrifugalventilator, pumpe og blæser
- Konstant drejningsmoment, f.eks. I transportbånd og positive forskydningspumper
- Konstant strøm, f.eks. I værktøjsmaskiner og trækkraftapplikationer.
Tilgængelige effektværdier
VFD'er fås med spændings- og strømværdier, der dækker en bred vifte af enfasede og flerfasede vekselstrømsmotorer. Lavspændingsdrev (LV) er designet til at fungere ved udgangsspændinger på 690 V. (MV) -drev med meget lavere effektværdier. Forskellige MV-drevstopologier (se tabel 2) er konfigureret i overensstemmelse med spændings-/strømkombinationsklassificeringerne, der bruges i forskellige frekvensomformerens koblingsenheder, således at enhver given spændingsværdi er større end eller lig med én til følgende standard nominelle motorspændingsværdier : generelt enten 2+3 ⁄ 4 .16 kV (60 Hz) eller 3+3 / 6, 6 kV (50 Hz), med en tyristorproducent, der er klassificeret til op til 12 kV switch. I nogle applikationer er en trin-up transformer placeret mellem et LV-drev og en MV-motorbelastning. MV -drev er typisk klassificeret til motorapplikationer større end mellem ca. 375 og 750 kW (503 og 1.006 hk). MV -drev har historisk set krævet betydeligt mere applikationsdesign end krævet for LV -drevprogrammer. Effektvurderingen af MV -drev kan nå 100 MW (130.000 hk), en række forskellige drevtopologier er involveret for forskellige krav til rating, ydeevne, strømkvalitet og pålidelighed.
Drev med maskiner og detaljerede topologier
Det er endelig nyttigt at relatere VFD'er i form af følgende to klassifikationer:
- Med hensyn til forskellige AC -maskiner som vist i tabel 1 nedenfor
- Med hensyn til forskellige detaljerede AC-AC- konverttopologier vist i tabel 2 og 3 nedenfor.
Maskiner |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Topologier |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Indirekte AC-AC |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Direkte AC-AC |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
^ | Inverter switch enhed (med std. Diode ensretter) |
^^ | Inverter og ensretter skifte enhed |
^^^ | Roterende eller lineær |
AFE | Aktiv frontende |
BLDM | PM trapezmaskine ( børsteløs jævnstrømsmotor ) |
CME | Elimination af almindelig tilstand |
CHB | Kaskad H-bro |
CSI | Nuværende kildeomformer |
CSR | Nuværende kilde ensretter |
GCT | Portstyret tyristor |
GTO | Port-slukningstyristor |
IGBT | Isoleret gate bipolar transistor |
LCI | Indlæs kommuteret inverter |
LV | Lav spænding |
MV | Middelspænding |
NPC | Neutral punkt fastspændt |
PAM | Puls-amplitude modulering |
OM EFTERMIDDAGEN | Permanent magnet |
PMSM | Permanent magnet synkron generator |
PWM | Pulsbreddemodulation |
SCR | Siliciumstyret ensretter |
SGCT | Symmetrisk portstyret tyristor |
SRM | Skiftet modviljesmotor |
SyRM | Synkron modvilje maskine |
VRM | Maskin med variabel modvilje |
VSI | Spændingskilde inverter |
VVI | Inverter med variabel spænding |
WFSM | Sårfelt synkron maskine |
WRIM | Sårrotor induktionsmotor |
Ansøgningshensyn
AC linje harmoniske
Bemærkning til præcisering :.
Mens harmoniske i PWM-udgangen let kan filtreres af bærefrekvensrelateret filterinduktans til at levere nær-sinusformede strømme til motorbelastningen, konverterer VFD's diodebro-ensretter vekselstrømsspænding til DC-spændingsudgang ved superimponerende ikke-lineær halvfasestrømimpulser, hvilket skaber harmonisk strømforvrængning og dermed spændingsforvrængning af AC-ledningsindgangen. Når VFD -belastningerne er relativt små i forhold til det store, stive strømsystem, der fås fra el -virksomheden , kan virkningerne af VFD -harmonisk forvrængning af vekselstrømnettet ofte ligge inden for acceptable grænser. Endvidere i lavspændingsnetværk, harmoniske forårsaget af enfaset udstyr, såsom computere og fjernsyn, annulleres delvist af trefasede diodebroharmoniske, fordi deres 5. og 7. harmoniske er i modfase. Når andelen af VFD og anden ikke-lineær belastning i forhold til totalbelastning eller ikke-lineær belastning i forhold til stivheden ved vekselstrømforsyningen eller begge er relativt stor nok, kan belastningen imidlertid have en negativ indvirkning på AC -strømbølgeform tilgængelig for andre strømselskabskunder i samme net.
Når strømvirksomhedens spænding bliver forvrænget på grund af harmoniske, øges tabet i andre belastninger, f.eks. Normale vekselstrømsmotorer med fast hastighed. Denne tilstand kan føre til overophedning og kortere levetid. Også, understation er transformatorer og kondensatorer negativt påvirket. Især kan kondensatorer forårsage resonansbetingelser, der uacceptabelt kan forstørre harmoniske niveauer. For at begrænse spændingsforvrængningen kan ejere af VFD -belastning blive pålagt at installere filtreringsudstyr for at reducere harmonisk forvrængning under acceptable grænser. Alternativt kan værktøjet vedtage en løsning ved at installere sit eget filtreringsudstyr på transformerstationer, der påvirkes af den store mængde VFD -udstyr, der bruges. I installationer med høj effekt kan harmonisk forvrængning reduceres ved at levere flerpuls-ensretterbro-VFD'er fra transformere med flere faseforskydede viklinger.
Det er også muligt at udskifte standard diode-bro-ensretter med en tovejs IGBT-switch-anlægsbro, der spejler standardomformeren, der bruger IGBT-switch-enhedens output til motoren. Sådanne ensrettere refereres til af forskellige betegnelser, herunder aktiv indføringskonverter (AIC), aktiv ensretter , IGBT-forsyningsenhed (ISU), aktiv frontend (AFE) eller firkvadrantdrift. Med PWM -styring og en passende inputreaktor kan en AFEs AC -strømstrømbølgeform være næsten sinusformet. AFE genererer i sig selv energi i fire-kvadrant-tilstand fra DC-siden til AC-nettet. Der er således ikke behov for en bremsemodstand, og drevets effektivitet forbedres, hvis drevet ofte kræves for at bremse motoren.
To andre harmoniske dæmpningsteknikker udnytter brug af passive eller aktive filtre, der er forbundet til en fælles bus med mindst en VFD -grenbelastning på bussen. Passive filtre involverer design af en eller flere lavpas LC-filterfælder, hvor hver fælde er indstillet efter behov til en harmonisk frekvens (5., 7., 11., 13., ... kq +/- 1, hvor k = heltal, q = omformerens pulsnummer).
Det er meget almindelig praksis for elselskaber eller deres kunder at indføre harmoniske forvrængningsgrænser baseret på IEC- eller IEEE -standarder. For eksempel kalder IEEE Standard 519 grænser ved kundens tilslutningspunkt for, at den maksimale individuelle frekvensspændingsharmonik ikke skal være mere end 3% af den grundlæggende og kræve, at spændingen total harmonisk forvrængning (THD) ikke er mere end 5% for en generelt vekselstrømforsyningssystem.
Skiftfrekvens foldback
Et drev bruger en standardomskiftningsfrekvensindstilling på 4 kHz. Reduktion af drevets koblingsfrekvens (bærefrekvensen) reducerer varmen, der genereres af IGBT'erne .
En bærefrekvens på mindst ti gange den ønskede udgangsfrekvens bruges til at etablere PWM -switchintervaller. En bærefrekvens i intervallet 2.000 til 16.000 Hz er almindelig for LV [lavspænding, under 600 volt AC] VFD'er. En højere bærefrekvens giver en bedre tilnærmelse af sinusbølgen, men medfører større koblingstab i IGBT, hvilket reducerer den samlede effektkonverteringseffektivitet.
Støjudjævning
Nogle drev har en støjudjævningsfunktion, der kan tændes for at introducere en tilfældig variation i skiftefrekvensen. Dette fordeler den akustiske støj over et frekvensområde for at sænke maksimal støjintensitet.
Long-lead effekter
Bærefrekvenspulseret udgangsspænding af en PWM VFD forårsager hurtige stigningstider i disse impulser, hvis transmissionslinjeeffekter skal overvejes. Da kabel- og motorens transmissionslinje- impedans er forskellige, har pulser en tendens til at reflektere tilbage fra motorterminalerne ind i kablet. De resulterende reflekser kan producere overspændinger svarende til det dobbelte af DC -busspændingen eller op til 3,1 gange den nominelle netspænding ved lange kabelkørsler, hvilket medfører stor belastning af kablet og motorviklingerne og eventuel isolationsfejl. Isolationsstandarder for trefasede motorer på 230 V eller mindre beskytter tilstrækkeligt mod sådanne langspændingsoverspændinger. På 460 V eller 575 V systemer og invertere med 3. generations IGBT'er på 0,1 mikrosekund-stigningstid er den maksimalt anbefalede kabelafstand mellem VFD og motor ca. 50 m eller 150 fod. For nye SiC MOSFET -drev er der observeret betydelige overspændinger ved så korte kabellængder som 3 meter. Løsninger på overspændinger forårsaget af lange ledningslængder omfatter minimering af kabellængde, sænkning af bærefrekvens, installation af dV/dt-filtre, brug af inverter-duty-rated motorer (der er klassificeret 600 V til at modstå pulstog med stigningstid på mindre end eller lig med 0,1 mikrosekund , på 1.600 V peak magnitude), og installation af LCR lavpas sinusbølgefiltre. Valg af optimal PWM-bærefrekvens for vekselstrømdrev involverer balancering af støj, varme, motorisolationsspænding, almindelig spændingsinduceret motorlejeskade, jævn motordrift og andre faktorer. Yderligere harmonisk dæmpning kan opnås ved hjælp af et LCR lavpas sinusbølgefilter eller dV/dt filter.
Motorlejestrømme
Bærefrekvenser over 5 kHz vil sandsynligvis forårsage lejeskade, medmindre der træffes beskyttelsesforanstaltninger.
PWM-drev er iboende forbundet med højfrekvente common-mode spændinger og strømme, der kan forårsage problemer med motorlejer. Når disse højfrekvente spændinger finder en vej til jorden gennem et leje, sker der gnistdannelse mellem metal eller elektrisk udladning (EDM) mellem lejets kugle og lejets løb. Over tid forårsager EDM-baseret gnistning erosion i lejeløbet, der kan ses som et fluting-mønster. I store motorer giver viklingernes omløbende kapacitans veje til højfrekvente strømme, der passerer gennem motorakslens ender, hvilket fører til en cirkulerende type lejestrøm. Dårlig jordforbindelse af motorstatorer kan føre til aksel-til-jord lejestrømme. Små motorer med dårligt jordet udstyr er modtagelige for højfrekvente lejestrømme.
Forebyggelse af højfrekvente lejestrømskader anvender tre tilgange: god kabelføring og jordforbindelse, afbrydelse af lejestrømme og filtrering eller dæmpning af almindelige strømme for eksempel gennem bløde magnetiske kerner, de såkaldte induktive absorbere. God kabelføring og jordforbindelse kan omfatte brug af afskærmet, symmetrisk geometri-strømkabel til forsyning af motoren, installation af akseljordbørster og ledende lejefedt. Lejestrømme kan afbrydes ved installation af isolerede lejer og specialdesignede elektrostatisk afskærmede induktionsmotorer. Filtrering og dæmpning af højfrekvent leje kan udføres, selvom der indsættes bløde magnetiske kerner over de tre faser, hvilket giver en højfrekvent impedans mod den almindelige tilstand eller motorlejestrømme. En anden tilgang er at bruge i stedet for standard 2-niveau inverter-drev, ved hjælp af enten 3-niveau inverter-drev eller matrixomformere.
Da inverter-fodrede motorkabler 'højfrekvente strømspidser kan forstyrre andre kabler i faciliteter, bør sådanne inverter-fødte motorkabler ikke kun være af afskærmet, symmetrisk-geometrisk design, men bør også føres mindst 50 cm væk fra signalkabler .
Dynamisk bremsning
Drejningsmoment genereret af drevet får induktionsmotoren til at køre med synkron hastighed mindre slip. Hvis belastningen driver motoren hurtigere end synkron hastighed, fungerer motoren som en generator , der konverterer mekanisk effekt tilbage til elektrisk strøm. Denne effekt returneres til drevets DC -linkelement (kondensator eller reaktor). En DC-link-tilsluttet elektronisk strømafbryder eller bremsende DC-chopper styrer spredningen af denne effekt som varme i et sæt modstande. Køleventilatorer kan bruges til at forhindre overophedning af modstand.
Dynamisk bremsning spilder bremseenergi ved at omdanne den til varme. Derimod genopretter regenerative drev bremseenergi ved at injicere denne energi i vekselstrømsledningen. Kapitalomkostningerne ved regenerative drev er imidlertid relativt høje.
Regenerative drev
Regenerative vekselstrømsdrev har kapacitet til at genvinde bremseenergien for en last, der bevæger sig hurtigere end den angivne motorhastighed (en overhalingsbelastning ) og returnere den til elsystemet.
Cyklokonverter, Scherbius, matrix, CSI og LCI-drev tillader i sig selv at returnere energi fra belastningen til linjen, mens spændingskildeomformere kræver en ekstra omformer for at returnere energi til forsyningen.
Regenerering er kun nyttig i VFD'er, hvor værdien af den genvundne energi er stor i forhold til meromkostningerne ved et regenerativt system, og hvis systemet kræver hyppig bremsning og start. Regenerative VFD'er bruges i vid udstrækning, hvor hastighedskontrol af overhalingsbelastninger er påkrævet.
Nogle eksempler:
- Transportbåndsdrev til fremstilling, der stopper hvert par minutter. Mens de er standset, samles dele korrekt; når det er gjort, går selen videre.
- En kran, hvor taljemotoren stopper og bakker ofte, og bremsning er nødvendig for at bremse belastningen under sænkning.
- Plug-in og hybrid elbiler af alle typer (se billede og Hybrid Synergy Drive ).
Historiske systemer
Inden solid-state-enheder blev tilgængelige, brugte frekvensomformere roterende maskiner, og General Electric Company opnåede flere patenter på disse i begyndelsen af det 20. århundrede. Et eksempel er US patent 0,949,320 fra 1910, der siger: "En sådan generator finder en nyttig anvendelse til at levere strøm til induktionsmotorer til at køre biler, lokomotiver eller anden mekanisme, der skal drives med variable hastigheder". Et andet er britisk patent 7061 fra 1911 af Brown, Boveri & Cie ., Nu kendt som ABB .
Se også
Noter
Referencer