Változó frekvenciájú hajtás - Variable-frequency drive

Kis változtatható frekvenciájú hajtás

A VFD feletti alváz (a fedél eltávolítva)

A változó frekvenciájú meghajtó ( VFD ) vagy az állítható frekvenciájú meghajtó ( AFD ), a változó feszültségű/változó frekvenciájú ( VVVF ) hajtás , a változtatható sebességű hajtás ( VSD ), a váltakozó áramú hajtás , a mikro- vagy inverteres hajtás egy motorhajtás. elektromechanikus hajtásrendszerekben használják a váltakozó áramú motor fordulatszámának és nyomatékának szabályozására a motor bemeneti frekvenciájának és feszültségének változtatásával .

A VFD -ket a kis készülékektől a nagy kompresszorokig terjedő alkalmazásokban használják. A világ elektromos energiájának mintegy 25% -át ipari alkalmazások villamos motorjai fogyasztják. A VFD -ket használó rendszerek hatékonyabbak lehetnek, mint azok, amelyek a folyadékáramlás fojtószelep -szabályozását alkalmazzák, például szivattyúkkal és ventilátorok csappantyúval rendelkező rendszerekben. A VFD -k minden alkalmazásának globális piaci penetrációja azonban viszonylag kicsi.

Az elmúlt négy évtizedben a teljesítményelektronikai technológia csökkentette a VFD költségeit és méretét, és javította a teljesítményt a félvezető kapcsolóeszközök, a meghajtó -topológiák, a szimulációs és vezérlési technikák, valamint a hardver és szoftver vezérlése révén.

A VFD-k számos különböző kis- és középfeszültségű AC-AC és DC-AC topológiában készülnek .

A rendszer leírása és működése

VFD rendszer

A változó frekvenciájú meghajtás olyan eszköz, amelyet a következő három fő alrendszerből álló hajtásrendszerben használnak: váltakozó áramú motor, főhajtás- vezérlőegység és meghajtó/kezelő interfész.

AC motor

A VFD rendszerben használt váltakozó áramú villanymotor általában háromfázisú indukciós motor . Bizonyos típusú egyfázisú vagy szinkronmotorok előnyösek lehetnek bizonyos helyzetekben, de általában a háromfázisú indukciós motorokat részesítik előnyben, mint a leggazdaságosabbakat. Gyakran olyan motorokat használnak, amelyeket fix fordulatszámú működésre terveztek. A VFD-k által táplált indukciós motorokra gyakorolt ​​megnövelt feszültségek megkövetelik, hogy ezeket a motorokat meghatározott célú inverteres betáplálásra tervezzék, a NEMA MG-1 szabvány 31. részével összhangban .

Vezérlő

A VFD vezérlő egy szilárdtest elektronika átalakító rendszer három külön al-rendszerek: egy egyenirányító híd átalakító, egy egyenáramú (DC) kapcsolat és egy invertert. A feszültségforrás- inverteres (VSI) hajtások (lásd az alábbi „Általános topológiák” alfejezetet) messze a leggyakoribb hajtástípusok. A legtöbb meghajtó váltakozó áramú hajtás, mivel átalakítja a váltóáramú bemenetet váltóáramú inverter kimenetre. Bizonyos alkalmazásokban, mint például a közös egyenáramú busz vagy szolár alkalmazások, a meghajtók egyenáramú váltakozó áramú meghajtóként vannak konfigurálva. A VSI hajtás legalapvetőbb egyenirányító átalakítója háromfázisú, hat impulzusos, teljes hullámú diódahídként van konfigurálva . A VSI hajtásban az egyenáramú kapcsolat egy kondenzátorból áll, amely kiegyenlíti az átalakító egyenáramú kimeneti hullámzását, és merev bemenetet biztosít az inverter számára. Ezt a szűrt egyenáramú feszültséget az inverter aktív kapcsolóelemei segítségével kvázi szinuszos váltakozó feszültségű kimenetre alakítják át . A VSI hajtások nagyobb teljesítménytényezőt és kisebb harmonikus torzítást biztosítanak, mint a fázisvezérelt áramforrás- inverter (CSI) és a terhelés-kommutált inverter (LCI) hajtások (lásd az alábbi „Általános topológiák” alfejezetet). A hajtásvezérlő egyfázisú átalakító bemenettel és háromfázisú inverter kimenettel rendelkező fázisátalakítóként is konfigurálható .

A vezérlő fejlődése kihasználta a szilárdtest-tápegységek feszültség- és áramértékének, valamint kapcsolási gyakoriságának drámai növekedését az elmúlt hat évtizedben. Az 1983-ban bemutatott szigetelt kapuú bipoláris tranzisztor (IGBT) az elmúlt két évtizedben az inverterek kapcsolóeszközeként uralta a VFD-ket.

A Volts-per-Hertz (V/Hz) hajtásszabályozásra alkalmas változó nyomatékú alkalmazásokban az AC motor jellemzői megkövetelik, hogy az inverter motorhoz adott kimeneti feszültség nagyságát úgy állítsák be, hogy az megfeleljen a szükséges terhelési nyomatéknak lineáris V/Hz viszonyban . Például a 460 V, 60 Hz -es motoroknál ez a lineáris V/Hz kapcsolat 460/60 = 7,67 V/Hz. Bár széles körben alkalmazható, a V/Hz-szabályozás nem optimális nagy teljesítményű alkalmazásokban, amelyek alacsony fordulatszámot vagy igényes, dinamikus sebességszabályozást, pozicionálást és tolató terhelési követelményeket tartalmaznak. Néhány V/Hz vezérlő meghajtó másodfokú V/Hz üzemmódban is működhet, vagy akár programozható is, hogy megfeleljen a többpontos V/Hz útvonalaknak.

A másik két hajtásvezérlő platform, a vektorvezérlés és a közvetlen nyomatékvezérlés (DTC) a motor feszültségének nagyságát, a referenciaszögtől való szöget és a frekvenciát úgy állítja be, hogy pontosan szabályozza a motor mágneses fluxusát és mechanikus nyomatékát.

Bár a térvektor- impulzusszélesség-moduláció (SVPWM) egyre népszerűbb, a szinuszos PWM (SPWM) a legegyszerűbb módszer a hajtások motorfeszültségének (vagy -áramának) és frekvenciájának változtatására. Az SPWM vezérléssel (lásd az 1. ábrát) a kvázi szinuszos, változó impulzusszélességű kimenet a fűrészfogas vivőjel és a moduláló szinuszos jel metszéspontjaiból épül fel, amelyek változó működési frekvenciával és feszültséggel (vagy árammal) ).

A motorok névleges névleges fordulatszáma (alapsebessége) felett is működtethetők, de olyan feltételekre korlátozódnak, amelyek nem igényelnek nagyobb teljesítményt, mint a motor adattábláján megadott névleges teljesítmény. Ezt néha "mezőgyengítésnek" nevezik, és váltakozó áramú motorok esetében azt jelenti, hogy a névleges V/Hz -nél kisebb és a névleges táblán megadott névleges fordulatszám felett működnek. Az állandó mágneses szinkronmotorok meglehetősen korlátozott térerősség-csökkentési sebességtartománnyal rendelkeznek az állandó mágneses fluxus kapcsolat miatt . A seb-forgórészes szinkronmotorok és az indukciós motorok sokkal szélesebb körűek. Például egy 100 LE, 460 V, 60 Hz, 1775  RPM (4 pólusú) indukciós motor 460 V, 75 Hz (6,134 V/Hz) mellett 60/75 = 80% -os nyomatékra korlátozódik 125% -nál fordulatszám (2218,75 RPM) = 100% teljesítmény. Nagyobb fordulatszámon az indukciós motor nyomatékát tovább kell korlátozni a motor szakadási nyomatékának csökkenése miatt. Így a névleges teljesítmény jellemzően csak a névleges adattábla fordulatszámának 130-150% -áig állítható elő. A seb-rotoros szinkronmotorok még nagyobb fordulatszámon is működtethetők. Hengerműhajtásokban gyakran az alapsebesség 200-300% -át használják fel. A forgórész mechanikai szilárdsága korlátozza a motor maximális sebességét.

1. ábra: SPWM hordozó-szinusz bemenet és 2 szintű PWM kimenet

A beágyazott mikroprocesszor szabályozza a VFD vezérlő teljes működését. A mikroprocesszor alapvető programozása a felhasználó által nem elérhető firmware -ként történik . A kijelző , a változó és a funkcióblokk paramétereinek felhasználói programozása biztosítja a VFD, a motor és a hajtott berendezés vezérlését, védelmét és felügyeletét.

Az alaphajtás -vezérlő konfigurálható úgy, hogy szelektíven tartalmazza az alábbi opcionális tápegységeket és tartozékokat:

• Csatlakoztatva az átalakító előtt - megszakító vagy biztosítékok , leválasztó kontaktor , EMC szűrő, hálózati reaktor , passzív szűrő
• DC -kapcsolathoz csatlakoztatva - fékvágó , fékellenállás
• Csatlakoztatva az inverter után - kimeneti reaktor, szinuszhullámú szűrő, dV/dt szűrő.

Kezelői felület

A kezelőfelület lehetőséget biztosít a kezelő számára a motor indításához és leállításához, valamint a működési sebesség beállításához. A VFD is szabályozhatjuk egy programozható logikai vezérlő keresztül Modbus vagy más hasonló interfész. A kezelő további funkciói közé tartozik a tolatás, valamint a kézi sebességszabályozás és a külső folyamatvezérlő jelből történő automatikus vezérlés közötti váltás . A kezelőfelület gyakran tartalmaz alfanumerikus kijelzőt vagy jelzőfényeket és mérőórákat, amelyek tájékoztatást adnak a hajtás működéséről. A kezelőfelület billentyűzete és kijelzőegysége gyakran a VFD vezérlő elején található, amint az a fenti fényképen is látható. A billentyűzet kijelzője gyakran kábellel csatlakoztatható, és rövid távolságra felszerelhető a VFD vezérlőtől. A legtöbb bemeneti és kimeneti (I/O) csatlakozóval is rendelkezik a nyomógombok, kapcsolók és más kezelői interfészek vagy vezérlőjelek csatlakoztatásához. A soros kommunikációs port is gyakran rendelkezésre ahhoz, hogy a VFD kell konfigurálni, beállítani, ellenőrzött és szabályozott a számítógép segítségével.

Sebesség ellenőrzés

Két fő módja van a VFD sebességének szabályozására; hálózatos vagy vezetékes. A hálózatosítás magában foglalja a kívánt sebesség továbbítását kommunikációs protokollon, például Modbus , Modbus / TCP , EtherNet / IP , vagy billentyűzeten keresztül a Display Serial Interface használatával, míg a vezetékes tiszta elektromos kommunikációs eszközt tartalmaz. A vezetékes kommunikáció tipikus eszközei: 4-20mA , 0-10VDC, vagy a belső 24VDC tápellátás használata potenciométerrel . A sebesség távolról és helyben is szabályozható. A távirányító utasítja a VFD -t, hogy figyelmen kívül hagyja a billentyűzetről érkező sebességparancsokat, míg a helyi vezérlés arra utasítja a VFD -t, hogy figyelmen kívül hagyja a külső vezérlést, és csak a billentyűzetet tartsa be. Egyes meghajtóknál ugyanazokat a csapokat használják mind 0-10VDC, mind 4-20mA feszültségnél, és a

VFD programozása

Típustól függően a VFD működési paraméterei programozhatók: dedikált programozószoftver, belső kezelő, külső billentyűzet vagy SD kártya segítségével. A VFD -k futás közben gyakran blokkolják a legtöbb programozási módosítást. A tipikus paraméterek, amelyeket be kell állítani, a következők: motor adattábláján szereplő adatok, sebesség -referenciaforrás, be/ki vezérlő forrás és fékvezérlés. Szintén gyakori, hogy a VFD -k hibakeresési információkat szolgáltatnak, például hibakódokat és a bemeneti jelek állapotát.

Indítás és a szoftver viselkedése

A legtöbb VFD lehetővé teszi az automatikus indítást. Melyik hajtja a kimenetet egy kijelölt frekvenciára egy bekapcsolási ciklus vagy egy hiba elhárítása után, vagy a vészleállító jel visszaállítása után (általában a vészleállítás aktív alacsony logika). A VFD vezérlésének egyik népszerű módja az automatikus indítás engedélyezése és az L1, L2 és L3 kontaktorba helyezése. A mágneskapcsoló bekapcsolása így bekapcsolja a hajtást, és a megadott sebességre állítja. A hajtás kifinomultságától függően többféle automatikus indítási magatartás is kialakítható, pl.

Hajtás működése

Elektromotor fordulatszám-nyomaték táblázat

A mellékelt táblázat alapján a meghajtóalkalmazások egy-, két- vagy négynegyed kategóriába sorolhatók; a diagram négy negyedét a következőképpen határozzuk meg:

• I. negyed - Vezetés vagy motorozás, előre gyorsuló negyed, pozitív sebességgel és nyomatékkal
• II. Negyed - generáló vagy fékező, előrefékező - lassító negyed, pozitív sebességgel és negatív nyomatékkal
• III. Negyed - vezetés vagy motorozás, hátramenetben gyorsuló negyed, negatív fordulatszámmal és nyomatékkal
• IV. Negyed - generáló vagy fékező, hátrameneti fékezést lassító negyed, negatív sebességgel és pozitív nyomatékkal.

A legtöbb alkalmazás magában foglalja az egynegyedes terheléseket, amelyek az I. negyedben működnek, például változó nyomatékban (pl. Centrifugális szivattyúk vagy ventilátorok) és bizonyos állandó nyomatékú (pl. Extruderek) terheléseket.

Bizonyos alkalmazások két-negyedes terhelést jelentenek az I. és II. Negyedben, ahol a fordulatszám pozitív, de a nyomaték megváltoztatja a polaritást, mint ha a ventilátor gyorsabban lassul, mint a természetes mechanikai veszteségek. Egyes források a kétnegyedű hajtásokat az I és III negyedben működő terhelésként határozzák meg, ahol a fordulatszám és a nyomaték mindkét irányban azonos (pozitív vagy negatív) polaritású.

Bizonyos nagyteljesítményű alkalmazások négynegyed terhelést (I – IV. Negyed) foglalnak magukban, ahol a fordulatszám és a nyomaték tetszőleges irányba fordulhat, például emelőgépekben, felvonókban és dombos szállítószalagokban. Regeneráció csak akkor fordulhat elő a hajtás egyenáramú busz buszában, ha az inverter feszültsége kisebb, mint a motor hátsó motorja- Az EMF és az inverter feszültsége és a hátsó EMF azonos polaritású.

A motor indításakor a VFD kezdetben alacsony frekvenciát és feszültséget alkalmaz, így elkerülhető a közvetlen bekapcsolással járó nagy bekapcsolási áram . A VFD indítása után a terhelés felgyorsítása érdekében az alkalmazott frekvenciát és feszültséget szabályozott sebességgel növelik, vagy felerősítik. Ez az indítási módszer jellemzően lehetővé teszi, hogy a motor a névleges nyomatékának 150% -át fejlessze, míg a VFD névleges áramának kevesebb, mint 50% -át húzza ki a hálózatból az alacsony fordulatszám tartományban. A VFD beállítható úgy, hogy 150% -os indítónyomatékot állítson elő álló helyzetből a teljes fordulatszámig. A motor hűtése azonban romlik, és túlmelegedéshez vezethet, mivel a fordulatszám csökken, így a hosszú fordulatszámú, jelentős nyomatékú működés általában nem lehetséges külön motorizált ventilátor szellőztetés nélkül.

VFD esetén a leállítási sorrend éppen az ellenkezője, mint a kiindulási sorrend. A motorra gyakorolt ​​frekvencia és feszültség szabályozott ütemben csökken. Amikor a frekvencia megközelíti a nullát, a motor leáll. Kis mennyiségű féknyomaték áll rendelkezésre, amely segít a terhelés valamivel gyorsabb lassításában, mint ha leállna, ha a motort egyszerűen kikapcsolják és szabadon engedik. További fékezési nyomatékot lehet elérni egy fékkör (tranzisztor által vezérelt ellenállás) hozzáadásával a fékezési energia eloszlatásához. A négynegyedes egyenirányítóval (aktív front-end) a VFD képes megfékezni a terhelést fordított nyomaték alkalmazásával és az energia visszavezetésével a váltakozó áramú vezetékbe.

Előnyök

Energiamegtakarítás

VVVF használt vonat Guangzhou metró

Számos fix fordulatszámú motorterhelés-alkalmazás, amelyeket közvetlenül a váltakozó áramú hálózatról táplálnak, energiát takaríthat meg, ha VFD-vel változtatható sebességgel működnek. Az ilyen energiaköltség-megtakarítás különösen nyilvánvaló a változó nyomatékú centrifugális ventilátor- és szivattyúalkalmazásokban, ahol a terhelés nyomatéka és teljesítménye a fordulatszám négyzetétől és kockájától függően változik . Ez a változás nagy teljesítménycsökkenést eredményez a rögzített sebességű működéshez képest, viszonylag kis sebességcsökkenés esetén. Például 63% -os fordulatszám mellett a motor terhelése csak a teljes sebességű teljesítmény 25% -át emészti fel. Ez a csökkentés összhangban van az affinitási törvényekkel, amelyek meghatározzák a különböző centrifugális terhelési változók közötti kapcsolatot.

Az Egyesült Államokban az elektromos energia becsült 60-65% -át használják fel motorok ellátására, amelyek 75% -a változó nyomatékú ventilátor, szivattyú és kompresszor terhelés. Az Egyesült Államokban a 40 millió motorban felhasznált energia 18 százalékát meg lehetne takarítani olyan hatékony energiafejlesztési technológiákkal, mint a VFD -k.

A váltakozó áramú motorok teljes beépített bázisának csak körülbelül 3% -a van AC hajtással. Becslések szerint azonban a hajtástechnológiát az összes újonnan telepített motor 30-40% -ában alkalmazzák.

A váltakozó áramú motoros berendezések globális lakosságának energiafogyasztási bontása az alábbi táblázatban látható:

A teljesítmény szabályozása

A váltóáramú meghajtókat az ipari és kereskedelmi alkalmazások gyorsításának, áramlásának, felügyeletének, nyomásának, sebességének, hőmérsékletének, feszültségének és nyomatékának folyamat- és minőségjavítására használják.

A rögzített fordulatszámú terhelések a motort nagy indítónyomatéknak és az áramlökéseknek teszik ki, amelyek a teljes terhelésű áram nyolcszorosát teszik ki. A váltóáramú hajtások ehelyett fokozatosan felfelé emelik a motort az üzemi sebességre, hogy csökkentsék a mechanikai és elektromos igénybevételt, csökkentsék a karbantartási és javítási költségeket, valamint meghosszabbítsák a motor és a meghajtott berendezés élettartamát.

A változtatható fordulatszámú meghajtók speciális mintázatú motort is futtathatnak a mechanikai és elektromos igénybevétel további minimalizálása érdekében. Például egy S-görbe mintázat alkalmazható a szállítószalag alkalmazására a simább lassítás és gyorsulásszabályozás érdekében, ami csökkenti a holtjátékot, amely akkor fordulhat elő, amikor a szállítószalag gyorsul vagy lassul.

Az egyenáramú meghajtók használatát előnyben részesítő teljesítménytényezők közé tartoznak az olyan követelmények, mint a folyamatos működés alacsony fordulatszámon, a négynegyedes működés regenerálással, a gyakori gyorsítási és lassítási rutinok, valamint a motor védelme egy veszélyes területen. Az alábbi táblázat összehasonlítja az AC és DC hajtásokat bizonyos kulcsparaméterek szerint:

^ Nagyfrekvenciás befecskendezés

VFD típusok és minősítések

Általános topológiák

A VSI meghajtó topológiája

A CSI meghajtó topológiája

Hat lépéses meghajtó hullámformák

Közvetlen mátrix konverter topológiája

A váltakozó áramú meghajtók a következő általános topológiák szerint osztályozhatók:

• Feszültségforrás -inverteres (VSI) meghajtó topológiák (lásd az ábrát): VSI hajtásban a dióda -hídátalakító egyenáramú kimenete energiát tárol a kondenzátor buszon, hogy merev feszültségbemenetet biztosítson az inverterhez. A meghajtók túlnyomó többsége VSI típusú, PWM feszültségű kimenettel.
• Az áram-forrás inverter (CSI) meghajtó topológia (lásd a képet): Egy CSI-meghajtó, a DC kimenet a SCR -bridge átalakító tárolja az energiát a sorozat- tekercs kapcsolatban, hogy a kínálat merev aktuális input az inverter. A CSI hajtások PWM vagy hatlépcsős hullámforma kimenettel működtethetők.
• Hatlépéses inverteres hajtás topológiái (lásd az ábrát): A ma már nagyrészt elavult hatfokozatú hajtások lehetnek VSI vagy CSI típusúak, és változó feszültségű inverteres hajtásoknak, impulzus-amplitúdó modulációs (PAM) hajtásoknak, négyzethullámoknak is nevezik őket hajtások vagy egyenáramú szaggató inverteres hajtások. Egy hatlépéses hajtásban az SCR-hídátalakító egyenáramú kimenete kondenzátor buszon és soros reaktorcsatlakozáson keresztül simul , hogy a Darlington Páron vagy az IGBT inverteren keresztül kvázi szinuszos, hatlépcsős feszültség- vagy árambemenetet biztosítson az indukciós motorhoz.
• Kommutált inverter (LCI) meghajtó topológiák terhelése : Egy LCI meghajtóban (speciális CSI-tok) az SCR-hídátalakító egyenáramú kimenete egyenáramú induktív áramkörön keresztül tárolja az energiát, hogy egy másodpercig merev, kvázi-szinuszos hatfokozatú áramkimenetet biztosítson SCR-híd invertere és túlgerjesztett szinkrongépe.
• Ciklikonverter vagy mátrixátalakító (MC) topológiák (lásd az ábrát): A ciklikonverterek és az MC - k olyan AC-AC konverterek , amelyek nem rendelkeznek közbenső DC-kapcsolattal az energiatároláshoz. A ciklokonverter háromfázisú áramforrásként működik három anti-párhuzamosan csatlakoztatott SCR-hídon keresztül, hat impulzusos konfigurációban, és mindegyik ciklokonverter fázis szelektíven működik, hogy a vezetékes frekvencia váltakozó feszültségét váltakozó feszültségűvé alakítsa változó terhelési frekvencián. Az MC meghajtók IGBT alapúak.
• Dupla betáplálású csúszásgátló rendszer topológiái : A kétszeresen táplált csúszásgátló rendszer a kiegyenlített csúszásteljesítményt egy simítóreaktorba táplálja, hogy egy inverteren keresztül táplálja a váltakozó áramú hálózatot, és a motor fordulatszámát az egyenáram beállításával lehet szabályozni.

Vezérlőplatformok

A legtöbb meghajtó az alábbi vezérlőplatformok közül egyet vagy többet használ:

• PWM V / Hz skaláris kontroll
• PWM mező-orientált vezérlés (FOC) vagy a vektor kontroll
• Közvetlen nyomatékvezérlés (DTC).

Terhelési nyomaték és teljesítmény jellemzők

A változó frekvenciájú hajtásokat a következő terhelési nyomaték és teljesítményjellemzők szerint is kategorizálják:

• Változtatható nyomaték, például centrifugális ventilátor, szivattyú és fúvó alkalmazásoknál
• Állandó nyomaték, például szállítószalag és szivattyúk esetén
• Állandó teljesítmény, például szerszámgép- és vontatási alkalmazásokban.

Elérhető teljesítményértékek

A VFD-k feszültség- és áramértékekkel kaphatók, amelyek egyfázisú és többfázisú váltakozó áramú motorok széles skáláját lefedik. Az alacsony feszültségű (LV) hajtásokat 690 V-os vagy annál kisebb kimeneti feszültséggel való működésre tervezték. Míg a motoros LV-hajtások legfeljebb 5 vagy 6 MW nagyságrendűek, a gazdasági megfontolások általában a közepes feszültséget részesítik előnyben (MV) sokkal alacsonyabb teljesítményű meghajtók. A különböző MV hajtás-topológiák (lásd a 2. táblázatot) a különböző hajtásszabályozók kapcsolóberendezéseiben használt feszültség/áram-kombináció névleges értékeknek megfelelően vannak konfigurálva, úgy, hogy bármely adott feszültségérték nagyobb vagy egyenlő a következő szabványos névleges motorfeszültség-értékekkel : általában vagy 2+3 ⁄ 4 .16 kV (60 Hz) vagy 3+3 / 6 .6 kV (50 Hz), az egyik tirisztor gyártó eddig legfeljebb 12 kV-os kapcsoló. Egyes alkalmazásokban a step-up transzformátor között helyezkedik el egy LV meghajtót és egy MV motor terhelését. Az MV hajtások jellemzően 375 és 750 kW (503 és 1006 LE) közötti motoroknál nagyobbak. Az MV hajtások történelmileg lényegesen több alkalmazás -tervezési erőfeszítést igényeltek, mint az LV meghajtó alkalmazásoknál. Az MV hajtások teljesítménye elérheti a 100 MW -ot (130 000 LE), és számos különböző hajtás -topológia vesz részt a különböző minősítési, teljesítmény-, energiaminőség- és megbízhatósági követelményeknek megfelelően.

Hajtások gépekkel és részletes topológiákkal

Végül hasznos összekapcsolni a VFD -ket a következő két osztályozás szerint:

• A különböző váltakozó áramú gépek tekintetében, amint azt az 1. táblázat mutatja
• Az alábbi 2. és 3. táblázatban bemutatott különféle részletes AC-AC konverter topológiák tekintetében.

Alkalmazási szempontok

AC hálózati harmonikusok

Megjegyzés a pontosításhoz :.

Míg a PWM kimenetben lévő felharmonikusok könnyen szűrhetők a vivőfrekvenciához kapcsolódó szűrőinduktivitással, hogy közel szinuszos áramokat juttassanak a motor terhelésére, a VFD diódahíd egyenirányítója szuper-impozáns, nem lineáris módon alakítja át az AC hálózati feszültséget DC feszültség kimenetre félfázisú áramimpulzusokat, így harmonikus áram torzulást és ezáltal feszültségtorzulást okozva a váltakozó áramú bemeneten. Ha a VFD terhelés viszonylag kicsi a villamosenergia -társaságtól kapható nagy, merev energiaellátó rendszerhez képest, akkor a váltakozó áramú hálózat VFD harmonikus torzulásának hatásai gyakran elfogadható határokon belül lehetnek. Továbbá az alacsony feszültségű hálózatokban az egyfázisú berendezések, például a számítógépek és a TV-k által okozott felharmonikusokat részben törlik a háromfázisú diódahíd-felharmonikusok, mivel az 5. és a 7. harmonikus ellenfázisban vannak. Ha azonban a VFD és más nemlineáris terhelések aránya a teljes terheléshez vagy a nemlineáris terheléshez képest a váltakozó áramú tápegység merevségéhez vagy mindkettőhöz viszonylag elég nagy, akkor a terhelés negatív hatással lehet a A váltakozó áramú hullámforma más energiaszolgáltató ügyfelek számára is elérhető ugyanabban a hálózatban.

Ha az áramszolgáltató feszültsége a harmonikusok miatt torzul, akkor más terhelések, például a normál fordulatszámú váltakozó áramú motorok veszteségei megnőnek. Ez az állapot túlmelegedéshez és rövidebb élettartamhoz vezethet. Ezenkívül az alállomás transzformátorokat és a kompenzációs kondenzátorokat negatívan befolyásolja. A kondenzátorok különösen olyan rezonancia körülményeket okozhatnak, amelyek elfogadhatatlanul növelhetik a harmonikus szinteket. A feszültség torzításának korlátozása érdekében a VFD terhelés tulajdonosainak szűrőberendezést kell felszerelniük a harmonikus torzítás csökkentése érdekében az elfogadható határok alá. Alternatív megoldásként a közmű elfogadhat egy megoldást, ha saját szűrőberendezést telepít az alállomásokra, amelyeket nagy mennyiségű VFD berendezés érint. Nagy teljesítményű berendezésekben a harmonikus torzítás csökkenthető, ha többfázisú váltótekercsű transzformátorokból több impulzusú egyenirányító-híd VFD-ket szállítanak.

Lehetőség van arra is, hogy a szabványos dióda-híd egyenirányítót kétirányú IGBT kapcsolóeszköz-hídra cserélje, amely tükrözi a szabványos invertert, amely IGBT kapcsolóeszköz kimenetet használ a motorhoz. Az ilyen egyenirányítókra különböző jelölések vonatkoznak, beleértve az aktív bemeneti átalakítót (AIC), az aktív egyenirányítót , az IGBT tápegységet (ISU), az aktív előlapot (AFE) vagy a négynegyed működést. PWM vezérléssel és megfelelő bemeneti reaktorral az AFE váltakozó áramú hullámformája közel szinuszos lehet. Az AFE eleve regenerálja az energiát négy kvadráns üzemmódban az egyenáramú oldaltól a váltakozó áramú hálózatig. Így nincs szükség fékellenállásra, és a hajtás hatékonysága javul, ha a hajtás gyakran szükséges a motor fékezéséhez.

Két másik felharmonikus csillapító technika kihasználja a passzív vagy aktív szűrők használatát, amelyek egy közös buszhoz vannak csatlakoztatva, és legalább egy VFD elágazás van a buszon. A passzív szűrők egy vagy több aluláteresztő LC szűrőcsapda kialakítását foglalják magukban , minden egyes csapdát szükség szerint harmonikus frekvenciára hangolnak (5., 7., 11., 13., ... kq +/- 1, ahol k = egész szám, q = konverter impulzusszáma).

Nagyon gyakori gyakorlat, hogy az áramszolgáltatók vagy ügyfeleik harmonikus torzítási határértékeket írnak elő az IEC vagy az IEEE szabványok alapján. Például az IEEE 519 szabvány határértékei az ügyfél csatlakozási pontjánál azt írják elő, hogy a maximális egyéni frekvenciafeszültségű harmonikus nem lehet több, mint az alap 3% -a, és felszólítanak arra, hogy a teljes harmonikus torzítás (THD) ne haladja meg az 5% -ot. általános hálózati tápegység.

Kapcsolási frekvencia visszacsökkentése

Az egyik meghajtó 4 kHz alapértelmezett kapcsolási frekvenciát használ. A hajtás kapcsolási frekvenciájának (vivőfrekvenciájának) csökkentése csökkenti az IGBT-k által termelt hőt .

A kívánt kimeneti frekvencia legalább tízszeres vivőfrekvenciáját használják a PWM kapcsolási intervallumok meghatározására. A 2000 és 16 000 Hz közötti vivőfrekvencia gyakori az LV [kisfeszültségű, 600 volt alatti AC] VFD -knél. A magasabb vivőfrekvencia jobb szinuszhullám -közelítést eredményez, de nagyobb kapcsolási veszteségeket okoz az IGBT -ben, ami csökkenti a teljes teljesítményátalakítás hatékonyságát.

Zajkiegyenlítés

Egyes meghajtók zajkiegyenlítő funkcióval rendelkeznek, amelyet bekapcsolva véletlenszerű változást lehet bevezetni a kapcsolási frekvenciában. Ez elosztja az akusztikus zajt egy sor frekvencián, hogy csökkentse a csúcszaj intenzitását.

Hosszú vezetésű hatások

A PWM VFD vivőfrekvenciás impulzus kimeneti feszültsége gyors emelkedési időket okoz ezekben az impulzusokban, amelyeknek figyelembe kell venni az átviteli vonal hatásait. Mivel a kábel és a motor távvezeték- impedanciája eltérő, az impulzusok hajlamosak visszaverődni a motor kivezetéseiről a kábelre. Az így kapott visszaverődések túlfeszültségeket okozhatnak, amelyek egyenlőek az egyenáramú busz feszültségével, vagy akár 3,1 -szerese a névleges hálózati feszültségnek a hosszú kábelvezetéseknél, nagy feszültséget okozva a kábel és a motor tekercselésében, és esetlegesen a szigetelés meghibásodását. A 230 V-os vagy annál kisebb névleges névleges értékű háromfázisú motorok szigetelési szabványai megfelelően védenek az ilyen hosszú vezetékes túlfeszültségek ellen. 460 vagy 575 V-os rendszereken és invertereken, amelyek harmadik generációs 0,1 mikroszekundumos emelkedési idejű IGBT-kkel rendelkeznek, a VFD és a motor közötti ajánlott maximális kábeltávolság körülbelül 50 m vagy 150 láb. A feltörekvő SiC MOSFET hajtású hajtásoknál jelentős túlfeszültségeket figyeltek meg a 3 méteres kábeleknél. A hosszú vezetékhosszúság okozta túlfeszültségek megoldásai közé tartozik a kábelhossz minimalizálása, a vivőfrekvencia csökkentése, dV/dt szűrők felszerelése, inverteres terhelésű motorok (amelyek 600 V névleges besorolásúak, hogy ellenálljanak a 0,1 mikroszekundumos vagy annál rövidebb emelkedési idejű impulzusvonatoknak) , 1600 V csúcsnagyságú), és LCR aluláteresztő szinusz-szűrők telepítése. A váltakozó áramú hajtások optimális PWM vivőfrekvenciájának megválasztása magában foglalja a zaj, a hő, a motor szigetelési feszültségének, a közös módú feszültség okozta motorcsapágy áramkárosodásának kiegyenlítését, a motor egyenletes működését és egyéb tényezőket. További harmonikus csillapítás érhető el LCR aluláteresztett szinuszhullámú szűrő vagy dV/dt szűrő használatával.

A motor csapágyáramai

Az 5 kHz feletti hordozófrekvenciák valószínűleg csapágykárosodást okoznak, ha nem tesznek óvintézkedéseket.

A PWM hajtások természetüknél fogva nagyfrekvenciás közös módú feszültségekhez és áramokhoz kapcsolódnak, ami problémákat okozhat a motorcsapágyakban. Amikor ezek a nagyfrekvenciás feszültségek csapágyon keresztül vezetnek a földhöz, fém- vagy elektromos kisülési megmunkálás (EDM) szikrázás lép fel a csapágy golyója és a csapágy futása között. Idővel az EDM-alapú szikrázás eróziót okoz a csapágyversenyben, amely hullámzó mintázatnak tekinthető. Nagyméretű motoroknál a tekercsek kóbor kapacitása utakat biztosít a nagyfrekvenciás áramok számára, amelyek áthaladnak a motor tengelyvégein, ami keringő típusú csapágyáramhoz vezet. A motoros állórészek rossz földelése tengely-föld csapágyáramokhoz vezethet. A rosszul földelt hajtású berendezésekkel rendelkező kis motorok érzékenyek a nagyfrekvenciás csapágyáramokra.

A nagyfrekvenciás csapágyáram-károk megelőzése három megközelítést alkalmaz: jó kábelezési és földelési gyakorlatot, a csapágyáramok megszakítását, valamint a közös módú áramok szűrését vagy csillapítását, például lágy mágneses magokon, az úgynevezett induktív elnyelőkon keresztül. A jó kábelezési és földelési gyakorlat magában foglalhatja az árnyékolt, szimmetrikus geometriájú tápkábel használatát a motor ellátásához, a tengely földelő kefék és a vezető csapágyzsír felszerelését. A csapágyáramokat meg lehet szakítani szigetelt csapágyak és speciálisan tervezett elektrosztatikus árnyékolású indukciós motorok beszerelésével. A nagyfrekvenciás csapágyak szűrése és csillapítása elvégezhető lágy mágneses magok beillesztésével a három fázisba, ami nagyfrekvenciás impedanciát eredményez a közös üzemmóddal vagy a motor csapágyáramával szemben. Egy másik megközelítés az, hogy a szabványos 2 szintű inverteres hajtások helyett 3 szintes inverteres hajtásokat vagy mátrixátalakítókat kell használni.

Mivel a frekvenciaváltó által táplált motorkábelek nagyfrekvenciás áramütései zavarhatják a létesítmények egyéb kábelezéseit, az ilyen inverteres táplálású motorkábeleknek nemcsak árnyékolt, szimmetrikus geometriájúaknak kell lenniük, hanem legalább 50 cm-re kell elvezetniük a jelkábelektől. .

Dinamikus fékezés

A hajtás által generált nyomaték hatására az indukciós motor szinkron fordulatszámon működik, csökkentve a csúszást. Ha a terhelés gyorsabban hajtja a motort, mint a szinkronsebesség, a motor generátorként működik , és a mechanikai energiát elektromos árammá alakítja vissza. Ezt az energiát a hajtás egyenáramú összeköttetési eleme (kondenzátor vagy reaktor) adja vissza. Az egyenáramú összeköttetéshez csatlakoztatott elektronikus tápkapcsoló vagy a fékáramú DC-aprító szabályozza ennek az energiának a hőként történő eloszlását ellenállásokban. Hűtőventilátorok használhatók az ellenállás túlmelegedésének megakadályozására.

A dinamikus fékezés a fékezési energiát pazarolja, ha hővé alakítja. Ezzel szemben a regeneratív hajtások visszanyerik a fékezési energiát azáltal, hogy ezt az energiát a váltakozó áramú vezetékbe fecskendezik. A regeneratív hajtások tőkeköltsége azonban viszonylag magas.

Regeneráló hajtások

Vonal -regeneráló, változtatható frekvenciájú hajtások, kondenzátorokat (felső hengerek) és induktorokat mutatva, amelyek a regenerált teljesítményt szűrik.

Egyszerűsített meghajtó vázlat egy népszerű EHV -hez

A regeneratív váltakozó áramú meghajtók képesek visszanyerni a fékezési energiát egy olyan terhelésnél, amely gyorsabban mozog, mint a meghatározott motor fordulatszám ( nagyjavítási terhelés), és vissza kell juttatni azt az energiaellátó rendszerbe.

A Cycloconverter, Scherbius, mátrix, CSI és LCI hajtások természetüknél fogva lehetővé teszik az energia visszatérését a terhelésről a vezetékre, míg a feszültségforrású inverterek egy további átalakítót igényelnek az energiaellátáshoz.

A regenerálás csak akkor hasznos VFD -kben, ha a visszanyert energia értéke nagy a regeneráló rendszer többletköltségéhez képest, és ha a rendszer gyakori fékezést és indítást igényel. A regeneráló VFD -ket széles körben használják, ahol szükség van a nagyjavítási terhelések sebességszabályozására.

Néhány példa:

• Szállítószalaghajtások a gyártáshoz, amelyek néhány percenként leállnak. Állás közben az alkatrészek helyesen vannak összeszerelve; ha ez megtörtént, az öv továbbhalad.
• Daru, ahol az emelőmotor gyakran leáll és tolat, és fékezésre van szükség a terhelés lelassítása közben.
• Minden típusú plug-in és hibrid elektromos járművek (lásd a képet és a Hybrid Synergy Drive ).

Történelmi rendszerek

Mielőtt a szilárdtest-eszközök elérhetővé váltak, a változó frekvenciájú hajtások forgógépeket használtak, és a General Electric Company számos szabadalmat szerzett ezekre a 20. század elején. Az egyik példa az 1910 -es amerikai egyesült államokbeli 0 949 320 számú szabadalom , amely kimondja: "Egy ilyen generátor hasznos alkalmazást talál az autók, mozdonyok vagy más, változó fordulatszámú hajtóművek vezetésére szolgáló indukciós motorok áramellátására". A másik a Brown, Boveri & Cie . (Ma ABB néven ismert) 1911. évi brit szabadalma, 7061 .

Lásd még

Megjegyzések

Hivatkozások