Frekvensomvandlare - typer, driftprincip, anslutningsscheman

Rotorn på en elektrisk motor drivs av krafter som orsakas av ett roterande elektromagnetiskt fält inuti statorlindningen. Dess hastighet bestäms vanligtvis av elnätets industriella frekvens.

Dess standardvärde på 50 hertz innebär femtio svängningsperioder på en sekund. På en minut ökar deras antal 60 gånger och är 50×60 = 3000 varv. Rotorn roterar lika många gånger under påverkan av det pålagda elektromagnetiska fältet.

Om du ändrar värdet på nätfrekvensen som appliceras på statorn, kan du justera rotationshastigheten för rotorn och den frekvensomriktare som är ansluten till den. Denna princip är grunden för styrningen av elmotorer.

Typer av frekvensomformare

Konstruerat är frekvensomformare:

1. induktionstyp;

2. elektronisk.

Tillverkade asynkronmotorer enligt schemat med en fasrotor och startade i generatorläge, är representanter för den första typen. Under drift har de låg effektivitet och kännetecknas av låg effektivitet.Därför har de inte hittat någon bred tillämpning i produktionen och används extremt sällan.

Den elektroniska frekvensomvandlingsmetoden tillåter smidig hastighetsreglering av både asynkrona och synkrona maskiner. I det här fallet kan en av två kontrollprinciper tillämpas:

1. Enligt en förutbestämd karaktäristik av rotationshastighetens beroende av frekvensen (V/f);

2. vektorkontrollmetod.

Den första metoden är den enklaste och mindre perfekta, och den andra används för att exakt styra rotationshastigheterna för kritisk industriell utrustning.

Funktioner för frekvensomvandlingsvektorkontroll

Skillnaden mellan denna metod är interaktionen, inflytandet av omvandlarens styrenhet på «rymdvektorn» av det magnetiska flödet som roterar med rotorfältets frekvens.

Algoritmer för omvandlare att arbeta enligt denna princip skapas på två sätt:

1. sensorlös kontroll;

2. flödesreglering.

Den första metoden bygger på att bestämma ett visst beroende av växlingen av sekvenser pulsbreddsmodulering (PWM) inverter för förinställda algoritmer. I detta fall styrs amplituden och frekvensen för omvandlarens utspänning av slirström och belastning, men utan att använda rotorhastighetsåterkoppling.

Denna metod används vid styrning av flera elektriska motorer kopplade parallellt med frekvensomformaren.Fluxkontroll innebär att övervaka driftsströmmarna inuti motorn med deras nedbrytning till aktiva och reaktiva komponenter och att göra justeringar av omvandlarens drift för att ställa in amplituden, frekvensen och vinkeln för utspänningsvektorerna.

Detta förbättrar motorns noggrannhet och ökar gränserna för dess justering. Användningen av flödeskontroll utökar kapaciteten hos drivenheter som arbetar vid låga hastigheter med höga dynamiska belastningar, såsom lyftkranar eller industriella lindningsmaskiner.

Användningen av vektorteknik gör att dynamisk vridmomentkontroll kan implementeras trefas asynkronmotorer. 

Ekvivalent krets

En grundläggande förenklad elektrisk krets för en induktionsmotor kan representeras enligt följande.

En spänning u1 läggs på statorlindningarna som har ett aktivt motstånd R1 och ett induktivt motstånd X1. Den, som övervinner motståndet i luftgapet Xv, omvandlas till rotorlindningen, vilket i den orsakar en ström som övervinner dess motstånd.

Ekvivalent krets för en vektorkrets

Dess konstruktion hjälper till att förstå de processer som äger rum i induktionsmotorn.

Statorströmmens energi är uppdelad i två delar:

• iµ — flödesbildande partition;

• iw — momentgenererande komponent.

I detta fall har rotorn ett glidberoende aktivt motstånd R2/s.

För sensorlös styrning mäts följande:

• spänning u1;

• nuvarande i1.

Enligt deras värden beräknar de:

• iµ — flödeskomponent som bildar flödet;

• iw — värdegenererande vridmoment.

Beräkningsalgoritmen inkluderar nu en elektronisk ekvivalent krets av en induktionsmotor med strömregulatorer, som tar hänsyn till mättnadsförhållandena för det elektromagnetiska fältet och förlusterna av magnetisk energi i stål.

Båda komponenterna i strömvektorerna, olika i vinkel och amplitud, roterar tillsammans med rotorkoordinatsystemet och blir ett stationärt statororienteringssystem.

Enligt denna princip justeras frekvensomformarens parametrar enligt belastningen på induktionsmotorn.

Funktionsprincipen för frekvensomformaren

Denna enhet, som även kallas en inverter, är baserad på en dubbel förändring av vågformen för nätaggregatet.

Initialt matas industriell spänning till en likriktare med kraftfulla dioder som tar bort sinusformade övertoner men lämnar signalens rippel. För att avlägsna dem tillhandahålls en kondensatorbank med en induktans (LC-filter), som ger en stabil, utjämnad form till den likriktade spänningen.

Signalen går sedan till ingången på frekvensomformaren, som är en trefas bryggkrets på sex krafttransistorer IGBT- eller MOSFET-serien med spänningsskyddsdioder för omvänd polaritet. Tidigare använda tyristorer för dessa ändamål har inte tillräcklig hastighet och fungerar med stora störningar.

För att slå på motorns "broms" -läge kan en kontrollerad transistor med ett kraftfullt motstånd som avleder energi installeras i kretsen. Denna teknik gör att spänningen som genereras av motorn kan tas bort för att skydda filterkondensatorerna från överladdning och skador.

Vektorfrekvensstyrmetoden för omvandlaren låter dig skapa kretsar som utför automatisk styrning av signalen från ACS-system. Ett ledningssystem används för detta:

1. amplitud;

2. PWM (pulsbreddssimulering).

Amplitudstyrmetoden är baserad på att ändra inspänningen, och PWM är baserad på algoritmen för omkoppling av effekttransistorerna vid en konstant inspänning.

Med PWM-reglering skapas en period av signalmodulering när statorlindningen ansluts i strikt ordning till de positiva och negativa terminalerna på likriktaren.

Eftersom klockfrekvensen för generatorn är ganska hög, utjämnas de i elmotorns lindning, som har induktivt motstånd, till en normal sinusvåg.

PWM-styrmetoder maximerar elimineringen av energiförluster och ger hög omvandlingseffektivitet tack vare den samtidiga styrningen av frekvens och amplitud. De har blivit tillgängliga på grund av utvecklingen av GTO-seriens effektlåsta tyristorkontrollteknologier eller bipolära märken av IGBT-transistorer med isolerad grind.

Principerna för deras införande för att styra en trefasmotor visas på bilden.

Var och en av de sex IGBT:erna är ansluten i antiparallell krets till sin egen backströmsdiod. I detta fall passerar induktionsmotorns aktiva ström genom kraftkretsen för varje transistor, och dess reaktiva komponent riktas genom dioderna.

För att eliminera påverkan av externt elektriskt brus på driften av växelriktaren och motorn kan frekvensomformarens krets inkludera brusreducerande filterlikvidation:

• radiostörningar;

• elektriska urladdningar orsakade av driftutrustning.

Dessa signaleras av styrenheten och skärmad ledning används mellan motorn och växelriktarens utgångsterminaler för att minska stötar.

För att förbättra noggrannheten i driften av asynkronmotorer inkluderar styrkretsen för frekvensomformare:

• kommunikationsingång med avancerade gränssnittsmöjligheter;

• inbyggd styrenhet;

• minneskort;

• programvara;

• informativ LED-display som visar huvudutgångsparametrarna;

• bromschopper och inbyggt EMC-filter;

• kretskylsystem baserat på blåsning med fläktar med ökad resurs;

• funktionen att värma motorn med likström och några andra möjligheter.

Driftscheman

Frekvensomformare är designade för att fungera med enfas- eller trefasnät. Men om det finns industriella källor för likström med en spänning på 220 volt, kan växelriktare drivas från dem.

Trefasmodeller är designade för nätspänning 380 volt och matar den till elmotorn. Enfas växelriktare drivs av 220 volt och matar ut tre faser fördelade över tiden.

Anslutningsschemat för frekvensomformaren till motorn kan utföras enligt scheman:

• stjärnor;

• triangel.

Motorns lindningar är monterade i en «stjärna» för omvandlaren, matad av ett trefasnät på 380 volt.

Enligt "delta"-schemat monteras motorlindningarna när kraftomvandlaren är ansluten till ett enfas 220-voltsnätverk.

När du väljer en metod för att ansluta en elmotor till en frekvensomformare måste du vara uppmärksam på effektförhållandet som en löpande motor kan skapa i alla lägen, inklusive en långsam, laddad start, med växelriktarens kapacitet.

Det är omöjligt att ständigt överbelasta frekvensomformaren, och en liten reserv av dess uteffekt kommer att säkerställa dess långsiktiga och problemfria drift.