Frekvensomformare
En frekvensomriktare (VFD, eller frekvensomriktare, frekvensomriktare ) , frekvensomriktare , frekvensomriktare , mikrofrekvensomriktare , växelriktare eller frekvensomriktare ) är en typ av växelströmsmotordrift (system som innehåller en motor) som styr hastighet och vridmoment genom att variera frekvensen på den ingående elektriciteten. Beroende på dess topologi styr den den tillhörande spänningen eller strömvariationen .
VFDs används i applikationer som sträcker sig från små apparater till stora kompressorer. System som använder VFD kan vara mer effektiva än hydrauliska system , till exempel i system med pumpar och spjällstyrning för fläktar.
Sedan 1980-talet har kraftelektroniktekniken minskat VFD-kostnaderna och storleken och har förbättrat prestanda genom framsteg inom halvledaromkopplingsenheter, frekvensomriktartopologier, simulerings- och styrtekniker samt styrhårdvara och mjukvara.
VFD:er inkluderar låg- och mellanspännings AC-AC och DC-AC topologier.
Systembeskrivning och drift
En frekvensomriktare är en enhet som används i ett frekvensomriktarsystem som består av följande tre huvuddelsystem: AC-motor, huvudenhetsstyrenhet och frekvensomriktare/operatörsgränssnitt.
AC motor
- elmotorn som används i ett VFD-system är vanligtvis en trefasinduktionsmotor . Vissa typer av enfasmotorer eller synkronmotorer kan vara fördelaktiga i vissa situationer, men generellt är trefasa induktionsmotorer att föredra som de mest ekonomiska. Motorer som är konstruerade för drift med fast hastighet används ofta. Förhöjda spänningar som utsätts för induktionsmotorer som levereras av VFD:er kräver att sådana motorer är konstruerade för bestämda syften med invertermatad drift i enlighet med sådana krav som del 31 av NEMA Standard MG- 1 .
Kontroller
VFD-styrenheten är ett solid-state kraftelektronikomvandlingssystem som består av tre distinkta delsystem: en likriktarbryggomvandlare , en likströmslänk (DC) och en växelriktare. Omriktare för spänningskälla (VSI) (se underavsnittet 'Generiska topologier' nedan) är den absolut vanligaste typen av frekvensomriktare. De flesta frekvensomriktare är AC-AC- frekvensomriktare genom att de omvandlar AC-linjeingång till AC-växelriktarutgång. I vissa applikationer, såsom vanliga DC-buss- eller solenergiapplikationer , är dock frekvensomriktare konfigurerade som DC-AC-frekvensomriktare. Den mest grundläggande likriktaromvandlaren för VSI - frekvensomriktaren är konfigurerad som en trefas, sexpuls, helvågsdiodbrygga . I en VSI-frekvensomriktare består DC-länken av en kondensator som jämnar ut omvandlarens DC-utgångsrippel och ger en styv ingång till omriktaren. Denna filtrerade DC-spänning omvandlas till kvasinusformad AC -spänningsutgång med hjälp av omriktarens aktiva kopplingselement. VSI-frekvensomriktare ger högre effektfaktor och lägre harmonisk distorsion än fasstyrda strömkälla- växelriktare (CSI) och lastkommuterade växelriktare (LCI) (se underavsnittet 'Generiska topologier' nedan). Frekvensomriktaren kan också konfigureras som en fasomvandlare med enfas omvandlaringång och trefasomvandlarutgång.
Framsteg med styrenhet har utnyttjat dramatiska ökningar av spännings- och strömvärden och växlingsfrekvensen för solid-state-kraftenheter under de senaste sex decennierna. Introducerad 1983, har den isolerade gate bipolära transistorn (IGBT) under de senaste två decennierna kommit att dominera VFDs som en växelriktaromkopplingsenhet.
I tillämpningar med variabelt vridmoment som är lämpade för volt-per-hertz (V/Hz) drivningsreglering, kräver AC-motorns egenskaper att spänningsstorleken på växelriktarens utsignal till motorn justeras för att matcha det erforderliga belastningsmomentet i ett linjärt V/Hz - förhållande . Till exempel, för 460 V, 60 Hz motorer är detta linjära V/Hz förhållande 460/60 = 7,67 V/Hz. Även om V/Hz-styrningen lämpar sig för många applikationer, är den suboptimal i högpresterande applikationer som involverar låg hastighet eller krävande, dynamisk hastighetsreglering, positionering och reverserande belastningskrav. Vissa V/Hz-styrenheter kan också arbeta i kvadratiskt V/Hz-läge eller kan till och med programmeras för att passa speciella flerpunkts V/Hz-banor.
De två andra drivkontrollplattformarna, vektorstyrning och direkt vridmomentkontroll (DTC), justerar motorspänningens storlek, vinkel från referens och frekvens för att exakt kontrollera motorns magnetiska flöde och mekaniska vridmoment.
Även om rymdvektorpulsbreddsmodulering (SVPWM) blir allt mer populär, är sinusformad PWM (SPWM) den enklaste metoden som används för att variera frekvensomriktarnas motorspänning (eller ström) och frekvens . Med SPWM-styrning (se fig. 1) konstrueras kvasi-sinusformad, variabel pulsbreddsutgång från skärningspunkterna mellan en sågtandad bärsignal med en modulerande sinusformad signal som är variabel i arbetsfrekvens såväl som i spänning (eller ström). ).
Drift av motorer över märkt märkhastighet (bashastighet) är möjlig, men är begränsad till förhållanden som inte kräver mer effekt än motorns märkskylt. Detta kallas ibland "fältförsvagning" och, för växelströmsmotorer, betyder det att de arbetar med mindre än nominell V/Hz och över nominell märkhastighet. Permanentmagnet synkronmotorer har ganska begränsat fältförsvagande hastighetsområde på grund av den konstanta magnetflödeslänken . Synkronmotorer med lindade rotorer och induktionsmotorer har ett mycket bredare varvtalsområde. Till exempel skulle en 100 HP, 460 V, 60 Hz, 1775 RPM (4-polig) induktionsmotor försedd med 460 V, 75 Hz (6,134 V/Hz), begränsas till 60/75 = 80 % vridmoment vid 125 % hastighet (2218,75 RPM) = 100 % effekt. Vid högre hastigheter måste induktionsmotorns vridmoment begränsas ytterligare på grund av sänkningen av motorns brytmoment. Således kan märkeffekt normalt endast produceras upp till 130–150 % av märkskyltens märkhastighet. Synkronmotorer med lindade rotorer kan köras med ännu högre hastigheter. I valsverksdrifter används ofta 200–300 % av bashastigheten. Rotorns mekaniska styrka begränsar motorns maximala hastighet.
En inbäddad mikroprocessor styr den övergripande driften av VFD-styrenheten. Grundläggande programmering av mikroprocessorn tillhandahålls som användarotillgänglig firmware . Användarprogrammering av display , variabel och funktionsblock tillhandahålls för att styra, skydda och övervaka VFD, motor och driven utrustning.
Den grundläggande drivenheten kan konfigureras för att selektivt inkludera sådana valfria strömkomponenter och tillbehör enligt följande:
- Ansluten uppströms omvandlare – strömbrytare eller säkringar , isolationskontaktor , EMC- filter, ledningsreaktor , passivt filter
- Ansluts till DC-länk – bromschopper , bromsmotstånd
- Ansluten nedströms om växelriktaren—utgångsreaktor, sinusvågsfilter, dV/dt-filter.
Operatörsgränssnitt
Operatörsgränssnittet ger en operatör möjlighet att starta och stoppa motorn och justera driftshastigheten. VFD kan också styras av en programmerbar logisk styrenhet via Modbus eller annat liknande gränssnitt. Ytterligare förarstyrningsfunktioner kan inkludera backning och växling mellan manuell hastighetsjustering och automatisk styrning från en extern processkontrollsignal . Operatörsgränssnittet inkluderar ofta en alfanumerisk display eller indikeringslampor och mätare för att ge information om driften av frekvensomriktaren. En knappsats för operatörsgränssnitt och en displayenhet finns ofta på framsidan av VFD-styrenheten som visas på bilden ovan. Manöverpanelens display kan ofta kabelanslutas och monteras på kort avstånd från VFD-styrenheten. De flesta är också försedda med ingångs- och utgångsterminaler (I/O) för anslutning av tryckknappar, omkopplare och andra operatörsgränssnittsenheter eller styrsignaler. En seriell kommunikationsport är också ofta tillgänglig för att tillåta VFD att konfigureras, justeras, övervakas och kontrolleras med hjälp av en dator.
Hastighets kontroll
Det finns två huvudsakliga sätt att styra hastigheten på en VFD; nätverksansluten eller fastansluten. Nätverk innebär att överföra den avsedda hastigheten över ett kommunikationsprotokoll som Modbus , Modbus / TCP , EtherNet/IP eller via en knappsats som använder Display Serial Interface medan hårdkopplad innebär ett rent elektriskt kommunikationsmedel. Typiska sätt för trådbunden kommunikation är: 4-20mA , 0-10VDC, eller att använda den interna 24VDC-strömförsörjningen med en potentiometer . Hastigheten kan även fjärrstyras och lokalt. Fjärrkontroll instruerar VFD:n att ignorera hastighetskommandon från knappsatsen medan lokal kontroll instruerar VFD:n att ignorera extern kontroll och endast följa knappsatsen.
Programmera en VFD
Beroende på modell kan en VFD:s driftsparametrar programmeras via: dedikerad programmeringsprogramvara, intern knappsats, extern knappsats eller SD-kort. VFD:er blockerar ofta de flesta programmeringsändringar medan de körs. Typiska parametrar som måste ställas in inkluderar: motornamnskyltinformation, hastighetsreferenskälla, på/av-kontrollkälla och bromskontroll. Det är också vanligt att VFD:er tillhandahåller felsökningsinformation såsom felkoder och ingångssignalernas tillstånd.
Start- och mjukvarubeteende
De flesta VFD:er tillåter att automatisk start aktiveras. Som kommer att driva utgången till en angiven frekvens efter en strömcykel, eller efter att ett fel har åtgärdats, eller efter att nödstoppssignalen har återställts (i allmänhet är nödstopp aktiv låglogik). Ett populärt sätt att styra en VFD är att aktivera autostart och placera L1, L2 och L3 i en kontaktor. När kontaktorn slås på slås alltså på frekvensomriktaren och matas ut till en angiven hastighet. Beroende på frekvensomriktarens förfining kan flera automatiska startbeteenden utvecklas, t.ex. startar frekvensomriktaren automatiskt vid uppstart men startar inte automatiskt från att åtgärda ett nödstopp tills en återställning har genomförts.
Drivdrift
Med hänvisning till det medföljande diagrammet kan drivtillämpningar kategoriseras som enkelkvadrant, tvåkvadrant eller fyrkvadrant; diagrammets fyra kvadranter definieras enligt följande:
- Quadrant I – Körning eller bilkörning, framåt accelererande kvadrant med positiv hastighet och vridmoment
- Quadrant II – Genererande eller bromsande, framåtbromsande-bromsande kvadrant med positiv hastighet och negativt vridmoment
- Quadrant III – Körning eller bilkörning, backaccelererande kvadrant med negativ hastighet och vridmoment
- Quadrant IV – Genererande eller bromsande, backbroms-bromsande kvadrant med negativ hastighet och positivt vridmoment.
De flesta applikationer involverar enkvadrantlaster som arbetar i kvadrant I, såsom i variabelt vridmoment (t.ex. centrifugalpumpar eller fläktar) och vissa laster med konstant vridmoment (t.ex. extruder).
Vissa applikationer involverar tvåkvadrantlaster som arbetar i kvadrant I och II där hastigheten är positiv men vridmomentet ändrar polaritet som i fallet med en fläkt som bromsar snabbare än naturliga mekaniska förluster. Vissa källor definierar tvåkvadrantdrivningar som laster som arbetar i kvadranter I och III där hastigheten och vridmomentet är samma (positiv eller negativ) polaritet i båda riktningarna.
Vissa högpresterande applikationer involverar laster i fyra kvadranter (kvadranter I till IV) där hastigheten och vridmomentet kan vara i vilken riktning som helst som i hissar, hissar och kuperade transportörer. Regenerering kan endast ske i frekvensomriktarens mellankretsbuss när växelriktarspänningen är mindre i storlek än motorns bakåt- EMF och växelriktarens spänning och bakåt-EMF har samma polaritet.
Vid start av en motor applicerar en VFD initialt en låg frekvens och spänning, och undviker på så sätt hög startström förknippad med direktstart . Efter starten av VFD ökas den applicerade frekvensen och spänningen med en kontrollerad hastighet eller rampas upp för att accelerera belastningen. Denna startmetod tillåter vanligtvis en motor att utveckla 150 % av sitt nominella vridmoment medan VFD drar mindre än 50 % av sin märkström från elnätet i låghastighetsområdet. En VFD kan justeras för att producera ett konstant startmoment på 150 % från stillastående upp till full hastighet. Motorkylningen försämras dock och kan resultera i överhettning när hastigheten minskar så att långvarig drift med låga hastigheter med betydande vridmoment vanligtvis inte är möjlig utan separat motoriserad fläktventilation.
Med en VFD är stoppsekvensen precis den motsatta som startsekvensen. Frekvensen och spänningen som appliceras på motorn rampas ner med en kontrollerad hastighet. När frekvensen närmar sig noll stängs motorn av. Ett litet bromsmoment är tillgängligt för att bromsa ned lasten lite snabbare än den skulle stanna om motorn helt enkelt stängdes av och fick gå i utrullning. Ytterligare bromsmoment kan erhållas genom att lägga till en bromskrets (motstånd som styrs av en transistor) för att avleda bromsenergin. Med en fyrkvadrantlikriktare (aktiv front-end) kan VFD bromsa lasten genom att applicera ett omvänt vridmoment och injicera energin tillbaka till AC-ledningen.
Fördelar
Energi sparande
Många motorbelastningstillämpningar med fast hastighet som matas direkt från växelström kan spara energi när de drivs med variabel hastighet med hjälp av VFD. Sådana energikostnadsbesparingar är särskilt uttalade i centrifugalfläkt- och pumpapplikationer med variabelt vridmoment, där lastens vridmoment och effekt varierar med kvadraten respektive kuben av hastigheten. Denna förändring ger en stor effektminskning jämfört med drift med fast hastighet för en relativt liten hastighetsminskning. Till exempel, vid 63 % varvtal förbrukar en motorbelastning endast 25 % av sin fullhastighetseffekt. Denna minskning är i enlighet med affinitetslagar som definierar förhållandet mellan olika centrifugala lastvariabler.
I USA används uppskattningsvis 60–65 % av den elektriska energin för att försörja motorer, varav 75 % är fläkt-, pump- och kompressorbelastningar med variabelt vridmoment. Arton procent av energin som används i de 40 miljoner motorerna i USA skulle kunna sparas genom effektiv energiförbättringsteknik som VFD.
Endast cirka 3 % av den totala installerade basen av växelströmsmotorer är försedda med frekvensomriktare. Det uppskattas dock att drivteknik används i så många som 30–40 % av alla nyinstallerade motorer.
En energiförbrukningsfördelning av den globala befolkningen av AC-motorinstallationer visas i följande tabell:
| Små | Allmänt bruk – medelstor | Stor | |
|---|---|---|---|
| Kraft | 10 W – 750 W | 0,75 kW – 375 kW | 375 kW – 10000 kW |
| Fas, spänning | 1-ph., <240 V | 3-tim, 200 V till 1 kV | 3-ph., 1 kV till 20 kV |
| % total motorenergi | 9 % | 68 % | 23 % |
| Totalt lager | 2 miljarder | 230 miljoner | 0,6 miljoner |
Kontrollera prestanda
AC-frekvensomriktare används för att åstadkomma process- och kvalitetsförbättringar i industriella och kommersiella applikationers acceleration, flöde, övervakning, tryck, hastighet, temperatur, spänning och vridmoment.
Belastningar med fast hastighet utsätter motorn för ett högt startmoment och för strömstötar som är upp till åtta gånger fullastströmmen. AC-frekvensomriktare ökar istället gradvis motorn till driftshastighet för att minska mekanisk och elektrisk påfrestning, minska underhålls- och reparationskostnaderna och förlänga livslängden på motorn och den drivna utrustningen.
Drev med variabel hastighet kan också köra en motor i specialiserade mönster för att ytterligare minimera mekanisk och elektrisk påfrestning. Till exempel kan ett S-kurvmönster appliceras på en transportörapplikation för mjukare retardation och accelerationskontroll, vilket minskar det glapp som kan uppstå när en transportör accelererar eller retarderar.
Prestandafaktorer som tenderar att gynna användningen av DC-frekvensomriktare framför frekvensomriktare inkluderar sådana krav som kontinuerlig drift vid låg hastighet, fyrkvadrantdrift med regenerering, frekventa accelerations- och retardationsrutiner och behovet av att motorn skyddas för ett riskområde. Följande tabell jämför AC- och DC-frekvensomriktare enligt vissa nyckelparametrar:
| Drivtyp | DC | AC VFD | AC VFD | AC VFD | AC VFD |
|---|---|---|---|---|---|
| Kontrollplattform | Borste typ DC | V/Hz kontroll | Vektor kontroll | Vektor kontroll | Vektor kontroll |
| Kontrollkriterier | Sluten slinga | Öppen slinga | Öppen slinga | Sluten slinga | Öppen slinga w. HFI^ |
| Motor | DC | JAG ÄR | JAG ÄR | JAG ÄR | Interiör PM |
| Typisk hastighetsreglering (%) | 0,01 | 1 | 0,5 | 0,01 | 0,02 |
| Typiskt varvtalsområde vid konstant vridmoment (%) | 0–100 | 10–100 | 3–100 | 0–100 | 0–100 |
| Min. hastighet vid 100 % vridmoment (% av basen) | Stå still | 8 % | 2 % | Stå still | Stillastående (200 %) |
| Flermotordrift rekommenderas | Nej | Ja | Nej | Nej | Nej |
| Felskydd (endast säkring eller inneboende i drivning) | Endast smält | Inneboende | Inneboende | Inneboende | Inneboende |
| Underhåll | (Borstar) | Låg | Låg | Låg | Låg |
| Återkopplingsenhet | Varvräknare eller kodare | N/A | N/A | Encoder | N/A |
^ Högfrekvent injektion
VFD-typer och betyg
Generiska topologier
AC-frekvensomriktare kan klassificeras enligt följande allmänna topologier:
- Spänningskällans växelriktare (VSI) frekvensomriktartopologier ( se bild): I en VSI-enhet lagrar likströmsutgången från diod -bryggomvandlaren energi i kondensatorbussen för att mata styv spänningsingång till växelriktaren. De allra flesta frekvensomriktare är av VSI-typ med PWM-spänningsutgång.
- Omriktartopologier för strömkälla (CSI) ( se bild): I en CSI-enhet lagrar DC-utgången från SCR -bryggomvandlaren energi i serie- Induktoranslutning för att mata in styv ström till växelriktaren. CSI-enheter kan drivas med antingen PWM eller sexstegs vågformsutgång.
- Sexstegs växelriktardrivningstopologier (se bild): Nu i stort sett föråldrade, sexstegsfrekvensomriktare kan vara antingen VSI- eller CSI-typ och kallas även för växelriktare med variabel spänning, pulsamplitudmodulering ( PAM ), fyrkantsvågor frekvensomriktare eller DC-chopper- inverterdrivningar. I en sexstegsdrift utjämnas DC-utgången från SCR-bryggomvandlaren via kondensatorbuss och seriereaktoranslutning för att mata via Darlington Pair eller IGBT -växelriktare kvasi-sinusformad, sexstegs spänning eller strömingång till en induktionsmotor.
- Belastningskommuterade inverterare (LCI) drivtopologier : I en LCI-drivenhet (ett speciellt CSI-fall) lagrar DC-utgången från SCR-bryggomvandlaren energi via DC-länkinduktorkretsen för att leverera en styv kvasi-sinusformad sexstegsströmutgång på en sekund SCR-bryggans växelriktare och en överexciterad synkronmaskin. Lågkostnads SCR-tyristorbaserade LCI-matade synkronmotordrivningar används ofta i högeffekts lågdynamiska fläktar, pumpar och kompressorapplikationer med en nominell effekt på upp till 100 MW.
- Cykloomvandlare eller matrisomvandlare (MC) topologier (se bild): Cyklokonverterare och MC:er är AC-AC-omvandlare som inte har någon mellanliggande DC-länk för energilagring. En cykloomvandlare fungerar som en trefas strömkälla via tre antiparallellkopplade SCR-bryggor i sexpulskonfiguration, varvid varje cyklokonverterfas selektivt konverterar växelspänning med fast linjefrekvens till en växelspänning vid en variabel belastningsfrekvens. MC-frekvensomriktare är IGBT-baserade.
- Dubbelmatade sliråtervinningssystemtopologier : Ett dubbelmatat sliråtervinningssystem matar likriktad slireffekt till en utjämningsreaktor för att mata ström till AC-försörjningsnätet via en växelriktare, varvid motorns hastighet styrs genom att justera likströmmen.
Styrplattformar
De flesta enheter använder en eller flera av följande kontrollplattformar:
- PWM V/Hz skalär kontroll
- PWM fältorienterad styrning (FOC) eller vektorstyrning
- Direkt vridmomentkontroll (DTC).
Lastvridmoment och effektegenskaper
Frekvensfrekvensomriktare kategoriseras också efter följande lastvridmoment och effektegenskaper:
- Variabelt vridmoment, såsom i centrifugalfläktar, pumpar och fläktapplikationer
- Konstant vridmoment, t.ex. i applikationer med transportörer och deplacementpumpar
- Konstant kraft, till exempel i verktygsmaskiner och dragtillämpningar.
Tillgänglig effekt
VFD:er finns tillgängliga med spännings- och strömklasser som täcker ett brett utbud av enfasiga och flerfasiga AC-motorer. Lågspänningsfrekvensomriktare (LV) är konstruerade för att arbeta vid utspänningar lika med eller mindre än 690 V. Medan LV-frekvensomriktare för motortillämpning finns tillgängliga i märkvärden på upp till storleksordningen 5 eller 6 MW, gynnar ekonomiska överväganden vanligtvis mellanspänning (MV) frekvensomriktare med mycket lägre effekt. Olika MV-frekvensomriktartopologier (se tabell 2) är konfigurerade i enlighet med spännings-/strömkombinationsvärdena som används i olika frekvensomriktares kopplingsanordningar så att varje given spänningsklassning är större än eller lika med en till följande nominella motorspänningsklassificeringar. : i allmänhet antingen 2 + 3 ⁄ 4 ,16 kV (60 Hz) eller 3 + 3 ⁄ 6 ,6 kV (50 Hz), med en tyristortillverkare klassad för upp till 12 kV omkoppling. I vissa applikationer är en step-up transformator placerad mellan en LV-drivenhet och en MV-motorbelastning. MV-frekvensomriktare är vanligtvis klassade för motorapplikationer större än mellan cirka 375 och 750 kW (503 och 1 006 hk). MV-frekvensomriktare har historiskt sett krävt betydligt mer applikationsdesignansträngning än vad som krävs för LV-drivsystem. Effekten för MV-frekvensomriktare kan nå 100 MW (130 000 hk), en rad olika frekvensomriktartopologier är involverade för olika klassificering, prestanda, effektkvalitet och tillförlitlighetskrav.
Drivningar av maskiner och detaljerade topologier
Det är slutligen användbart att relatera VFDs i termer av följande två klassificeringar:
- När det gäller olika AC-maskiner som visas i Tabell 1 nedan
- När det gäller olika detaljerade AC-AC-omvandlartopologier som visas i tabellerna 2 och 3 nedan.
| Maskiner |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Topologier |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Indirekt AC-AC |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Direkt AC-AC |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Förenklad 2-nivå växelriktartopologi
Förenklad Neutral Point Clamped 3-Level Inverter Topology
Förenklad kaskadad H-brygga invertertopologi
Förenklad flygande kondensatorväxelriktare 4-nivå topologi
Förenklad Neutral Point Clamped H-bridge Inverter Topology
| ^ | Inverterbrytare (med standard diodlikriktare) |
| ^^ | Växelriktare och likriktare |
| ^^^ | Roterande eller linjär |
| AFE | Aktiv frontend |
| BLDM | PM trapetsformad maskin ( borstlös DC elmotor ) |
| CME | Eliminering av vanligt läge |
| CHB | Kaskad H-bro |
| CSI | Strömkälla inverter |
| CSR | Strömkälla likriktare |
| GCT | Grindstyrd tyristor |
| GTO | Gate avstängning tyristor |
| IGBT | Isolerad gate bipolär transistor |
| LCI | Lastkommuterad växelriktare |
| LV | Låg spänning |
| MV | Mellanspänning |
| NPC | Neutral punkt fastspänd |
| PAM | Puls-amplitudmodulering |
| PM | Permanentmagnet |
| PMSM | Permanent magnet synkron generator |
| PWM | Pulsbreddsmodulering |
| SCR | Silikonstyrd likriktare |
| SGCT | Symmetrisk gatestyrd tyristor |
| SRM | Kopplad reluktansmotor |
| SyRM | Synkron reluktansmaskin |
| VRM | Maskin med variabel reluktans |
| VSI | Spänningskälla inverter |
| VVI | Variabel spänningsomvandlare |
| WFSM | Synkronmaskin med sårfält |
| WRIM | Sårrotor induktionsmotor |
Tillämpningsöverväganden
AC linje övertoner
Anmärkning om förtydligande:.
Medan övertoner i PWM-utgången enkelt kan filtreras med bärfrekvensrelaterad filterinduktans för att tillföra nästan sinusformade strömmar till motorbelastningen, omvandlar VFD:s diodbrygglikriktare AC-nätspänning till DC-spänningsutgång genom att överlagra icke- linjär halvfasströmpulser skapar sålunda harmonisk strömdistorsion, och följaktligen spänningsdistorsion, av AC-linjeingången. När VFD-belastningarna är relativt små i jämförelse med det stora, styva kraftsystemet som finns tillgängligt från elkraftsföretaget, kan effekterna av VFD-harmonisk distorsion av AC-nätet ofta ligga inom acceptabla gränser. Vidare, i lågspänningsnätverk, upphävs övertoner orsakade av enfasutrustning såsom datorer och TV-apparater delvis av trefasiga diodbryggövertoner eftersom deras 5:e och 7:e övertoner är i motfas. Men när andelen VFD och annan icke-linjär belastning jämfört med total belastning eller icke-linjär belastning jämfört med styvheten vid växelströmsförsörjningen, eller båda, är relativt stor nog, kan belastningen ha en negativ inverkan på Växelströmsvågform tillgänglig för andra kraftbolagskunder i samma nät.
När kraftbolagets spänning blir förvrängd på grund av övertoner, ökar förlusterna i andra belastningar som normala växelströmsmotorer med fast hastighet. Detta tillstånd kan leda till överhettning och kortare livslängd. Transformatorer och kompensationskondensatorer påverkas också negativt. Speciellt kan kondensatorer orsaka resonansförhållanden som oacceptabelt kan förstora övertonsnivåer. För att begränsa spänningsdistorsionen kan ägare av VFD-last behöva installera filtreringsutrustning för att reducera harmonisk distorsion under acceptabla gränser. Alternativt kan företaget anta en lösning genom att installera egen filtreringsutrustning vid transformatorstationer som påverkas av den stora mängden VFD-utrustning som används. I högeffektsinstallationer kan övertonsdistorsion reduceras genom att leverera flerpulslikriktarbrygga VFD från transformatorer med flera fasförskjutna lindningar.
Det är också möjligt att ersätta standard diodbrygglikriktare med en dubbelriktad IGBT-omkopplingsenhetsbrygga som speglar standardväxelriktaren som använder IGBT-omkopplingsenhetsutgång till motorn. Sådana likriktare hänvisas till med olika beteckningar inklusive aktiv inmatningsomvandlare (AIC), aktiv likriktare , IGBT-försörjningsenhet (ISU), aktiv frontände (AFE) eller fyrkvadrantdrift. Med PWM-kontroll och en lämplig ingångsreaktor kan en AFE:s AC-linjeströmvågform vara nästan sinusformad. AFE regenererar i sig energi i fyrkvadrantläge från DC-sidan till AC-nätet. Således behövs inget bromsmotstånd och drivenhetens effektivitet förbättras om drivenheten ofta krävs för att bromsa motorn.
Två andra övertonsreducerande tekniker utnyttjar användningen av passiva eller aktiva filter anslutna till en gemensam buss med minst en VFD-grenbelastning på bussen. Passiva filter involverar designen av en eller flera lågpass LC-filterfällor, där varje fälla ställs in efter behov till en övertonsfrekvens (5:e, 7:e, 11:e, 13:e, . . . kq+/-1, där k=heltal, q= omvandlarens pulsnummer).
Det är mycket vanligt att kraftbolag eller deras kunder inför harmoniska distorsionsgränser baserade på IEC- eller IEEE -standarder. Till exempel gränser IEEE Standard 519 vid kundens anslutningspunkt att den maximala individuella frekvensspänningsövertonen inte får vara mer än 3 % av grundtonen och kräver att spänningens totala övertonsdistorsion (THD) inte är mer än 5 % för en allmänt AC-strömförsörjningssystem.
Växlingsfrekvens vikning
En frekvensomriktare använder en standardinställning för switchfrekvens på 4 kHz. Genom att minska frekvensomriktarens kopplingsfrekvens (bärvågsfrekvensen) reduceras värmen som genereras av IGBT:erna .
En bärvågsfrekvens på minst tio gånger den önskade utfrekvensen används för att fastställa PWM-omkopplingsintervallen. En bärvågsfrekvens i intervallet 2 000 till 16 000 Hz är vanlig för LVD [lågspänning, under 600 volt AC] VFD. En högre bärvågsfrekvens ger en bättre sinusvågsapproximation men medför högre kopplingsförluster i IGBT, vilket minskar den totala effektomvandlingseffektiviteten.
Brusutjämning
Vissa enheter har en brusutjämningsfunktion som kan slås på för att introducera en slumpmässig variation av växlingsfrekvensen. Detta fördelar det akustiska bruset över en rad frekvenser för att sänka den maximala brusintensiteten.
Långvariga effekter
Den bärfrekvenspulsade utspänningen från en PWM VFD orsakar snabba stigtider i dessa pulser, vars överföringsledningseffekter måste beaktas. Eftersom transmissionsledningsimpedansen för kabeln och motorn är olika, tenderar pulser att reflekteras tillbaka från motorterminalerna in i kabeln . De resulterande reflektionerna kan producera överspänningar som är lika med två gånger DC-bussspänningen eller upp till 3,1 gånger den märkta nätspänningen för långa kabeldragningar, vilket ger hög belastning på kabeln och motorlindningarna och eventuellt isolationsfel. Isoleringsstandarder för trefasmotorer märkta 230 V eller mindre skyddar tillräckligt mot sådana långa överspänningar. På 460 V- eller 575 V-system och växelriktare med 3:e generationens 0,1 mikrosekunders stigtids-IGBT:er är det maximala rekommenderade kabelavståndet mellan VFD och motor cirka 50 m eller 150 fot. För nya SiC MOSFET-drivna frekvensomriktare har betydande överspänningar observerats vid kabellängder så korta som 3 meter. Lösningar på överspänningar orsakade av långa ledningslängder inkluderar minimering av kabellängd, sänkning av bärfrekvens, installation av dV/dt-filter, användning av motorer med inverterdrift (som är klassade 600 V för att motstå pulståg med stigtid mindre än eller lika med 0,1 mikrosekund , av 1 600 V toppstorlek), och installera LCR lågpassfilter för sinusvågor. Val av optimal PWM-bärvågsfrekvens för frekvensomriktare involverar balansering av brus, värme, motorisoleringsspänning, spänningsinducerad motorlagerströmskada i common-mode, jämn motordrift och andra faktorer. Ytterligare övertonsdämpning kan erhållas genom att använda ett LCR-lågpass sinusvågsfilter eller dV/dt-filter.
Motorlagerströmmar
Bärvågsfrekvenser över 5 kHz kommer sannolikt att orsaka lagerskador om inte skyddsåtgärder vidtas.
PWM-frekvensomriktare är naturligt förknippade med högfrekventa common-mode spänningar och strömmar som kan orsaka problem med motorlager. När dessa högfrekventa spänningar hittar en väg till jord genom ett lager, uppstår överföring av metall eller elektrisk urladdningsbearbetning (EDM) gnistor mellan lagrets kula och lagrets lagerbana. Med tiden orsakar EDM-baserad gnistbildning erosion i lagerbanan som kan ses som ett räfflat mönster. I stora motorer strökapacitans vägar för högfrekventa strömmar som passerar genom motoraxeländarna, vilket leder till en cirkulerande typ av lagerström. Dålig jordning av motorstatorer kan leda till axel-till-jord lagerströmmar. Små motorer med dåligt jordad utrustning är känsliga för högfrekventa lagerströmmar.
Förebyggande av högfrekventa lagerströmsskador använder tre tillvägagångssätt: bra kablage och jordningsmetoder, avbrott av lagerströmmar och filtrering eller dämpning av common-mode-strömmar till exempel genom mjuka magnetiska kärnor, de så kallade induktiva absorbatorerna. Goda kablar och jordningsmetoder kan inkludera användning av skärmad strömkabel med symmetrisk geometri för att försörja motorn, installation av axeljordningsborstar och ledande lagerfett. Lagerströmmar kan avbrytas genom installation av isolerade lager och specialdesignade elektrostatiskt skärmade induktionsmotorer. Filtrering och dämpning av högfrekventa lager kan göras genom att sätta in mjuka magnetiska kärnor över de tre faserna, vilket ger en högfrekvent impedans mot common mode eller motorlagerströmmar. Ett annat tillvägagångssätt är att använda istället för vanliga 2-nivås växelriktardrivenheter, med antingen 3-nivås växelriktare eller matrisomvandlare.
Eftersom växelriktarmatade motorkablars högfrekventa strömspikar kan störa andra kablar i anläggningar, bör sådana växelriktarmatade motorkablar inte bara vara av skärmad, symmetrisk design utan bör också dras minst 50 cm bort från signalkablar .
Dynamisk bromsning
Vridmoment som genereras av frekvensomriktaren gör att induktionsmotorn går med synkron hastighet minus slirningen. Om lasten driver motorn snabbare än synkront varvtal, fungerar motorn som en generator och omvandlar mekanisk kraft tillbaka till elektrisk kraft. Denna effekt återförs till frekvensomriktarens DC-länkelement (kondensator eller reaktor). En DC-länk-ansluten elektronisk strömbrytare eller bromsande DC-chopper kontrollerar förlusten av denna effekt som värme i en uppsättning motstånd. Kylfläktar kan användas för att förhindra överhettning av motstånd.
Dynamisk bromsning slösar bromsenergi genom att omvandla den till värme. Däremot återvinner regenerativa enheter bromsenergi genom att injicera denna energi i AC-ledningen. Kapitalkostnaden för regenerativa drivenheter är dock relativt hög.
Regenerativa enheter
Regenerativa frekvensomriktare har kapacitet att återvinna bromsenergin från en last som rör sig snabbare än den angivna motorhastigheten (en översynslast ) och återföra den till kraftsystemet.
Cykloomvandlare, Scherbius, matris, CSI och LCI-enheter tillåter i sig att energi återgår från belastningen till linjen, medan spänningskälla-växelriktare kräver en extra omvandlare för att återföra energi till matningen.
Regenerering är användbar i VFD endast där värdet av den återvunna energin är stort jämfört med den extra kostnaden för ett regenerativt system, och om systemet kräver frekvent bromsning och start. Regenerativa VFD:er används ofta där hastighetskontroll av översynslaster krävs.
Några exempel:
- Transportbandsdrifter för tillverkning, som stannar med några minuters mellanrum. När de är stoppade är delarna korrekt monterade; när det är gjort går bältet vidare.
- En kran, där lyftmotorn stannar och backar ofta, och bromsning krävs för att bromsa lasten under sänkning.
- Plug-in och hybridelfordon av alla typer (se bild och Hybrid Synergy Drive ) .
Se även
Anteckningar