Taajuusmuuttaja - Variable-frequency drive

Pieni taajuusmuuttaja
Alusta yläpuolella VFD (kansi poistettu)

Muuttuja-taajuusmuuttajan ( VFD ) tai säädettävän-taajuusmuuttajan ( AFD ), muuttuva jännite / muuttuva-taajuus ( Frequency ) asema , taajuusmuuttaja ( VSD ), AC-käyttö , mikro-asema tai invertterikäytöstä on eräänlainen moottorikäytön käytetään sähkömekaanisissa käyttöjärjestelmissä AC-moottorin nopeuden ja vääntömomentin säätämiseksi vaihtelemalla moottorin tulotaajuutta ja jännitettä .

VFD -laitteita käytetään sovelluksissa pienistä laitteista suuriin kompressoreihin. Noin 25% maailman sähköenergiasta kuluu sähkömoottoreihin teollisissa sovelluksissa. VFD -järjestelmiä käyttävät järjestelmät voivat olla tehokkaampia kuin ne, jotka käyttävät nesteen virtauksen kuristusta, kuten järjestelmissä, joissa on pumput ja tuulettimien vaimennin. Kaikkien VFD -sovellusten maailmanlaajuinen levinneisyys on kuitenkin suhteellisen pieni.

Viimeisten neljän vuosikymmenen aikana tehoelektroniikkateknologia on vähentänyt VFD -kustannuksia ja kokoa ja parantanut suorituskykyä puolijohdekytkinlaitteiden, taajuusmuuttajien topologioiden, simulointi- ja ohjaustekniikoiden sekä ohjauslaitteistojen ja -ohjelmistojen kehityksen ansiosta.

VFD-laitteita valmistetaan useilla eri matala- ja keskijännite- AC-AC- ja DC-AC- topologioilla.

Järjestelmän kuvaus ja toiminta

VFD -järjestelmä

Taajuusmuuttaja on laite, jota käytetään käyttöjärjestelmässä, joka koostuu seuraavista kolmesta pääalijärjestelmästä: AC-moottori, pääkäytön ohjainkokoonpano ja käyttö/käyttöliittymä.

AC -moottori

VFD-järjestelmässä käytettävä vaihtovirtamoottori on yleensä kolmivaiheinen induktiomoottori . Jotkin yksivaihemoottorit tai synkronimoottorit voivat olla hyödyllisiä joissakin tilanteissa, mutta yleensä kolmivaiheiset induktiomoottorit ovat edullisimpia. Usein käytetään moottoreita, jotka on suunniteltu kiinteälle nopeudelle. VFD-laitteiden toimittamiin induktiomoottoreihin kohdistuvat korotetut jännitteet edellyttävät, että tällaiset moottorit on suunniteltava tiettyyn käyttötarkoitukseen invertterikäyttöön sellaisten vaatimusten mukaisesti kuin NEMA- standardin MG-1 osa 31 .

Ohjain

VFD-ohjain on puolijohdetehoelektroniikan muunnosjärjestelmä, joka koostuu kolmesta erillisestä alijärjestelmästä: tasasuuntaajan siltamuuntimesta, tasavirtalinkistä (DC) ja invertteristä. Jännitelähde- taajuusmuuttaja (VSI) -käytöt (katso alla oleva kohta 'Yleiset topologiat') ovat ylivoimaisesti yleisin taajuusmuuttajatyyppi. Useimmat taajuusmuuttajat ovat AC- taajuusmuuttajia, koska ne muuntavat AC-linjatulon AC-invertterilähtöksi. Joissakin sovelluksissa, kuten tavallisissa DC-väylä- tai aurinkosovelluksissa , taajuusmuuttajat on kuitenkin määritetty DC-AC-asemiksi. VSI-taajuusmuuttajan yksinkertaisin tasasuuntaajan muunnin on konfiguroitu kolmivaiheiseksi, kuuden pulssin, täysi- aaltodiodisillaksi . Eräässä VSI-asema, välipiirin koostuu kondensaattorista , joka tasoittaa muuntimen DC-lähtö ripple ja tarjoaa jäykkä tulo invertteriin. Tämä suodatettu tasavirtajännite muunnetaan lähes sinimuotoiseksi vaihtojännitteeksi invertterin aktiivisten kytkinelementtien avulla. VSI-taajuusmuuttajat tarjoavat suuremman tehokertoimen ja pienemmän harmonisen särön kuin vaiheohjatut virtalähde- invertterit (CSI) ja kuormituskommutoidut invertterit (LCI) (katso alla oleva kohta 'Yleiset topologiat'). Taajuusmuuttaja voidaan konfiguroida myös vaihemuuntimeksi, jossa on yksivaiheinen muuntimen tulo ja kolmivaiheinen invertterilähtö.

Ohjainten edistysaskeleet ovat hyödyntäneet dramaattisesti SSD-teholaitteiden jännitteen ja virran luokitusten ja kytkentätaajuuden nousua viimeisen kuuden vuosikymmenen aikana. Vuonna 1983 käyttöön otettu eristetty porttinen bipolaaritransistori (IGBT) on kahden viime vuosikymmenen aikana tullut hallitsemaan VFD-laitteita invertterin kytkentälaitteena.

Vaihtelevissa vääntömomenttisovelluksissa, jotka soveltuvat Volts-per-Hertz (V/Hz) -käyttöohjaukseen, AC-moottorin ominaisuudet edellyttävät, että invertterin moottoriin antaman jännitteen suuruus on säädettävä vastaamaan vaadittua kuormitusmomenttia lineaarisessa V/Hz-suhteessa . Esimerkiksi 460 V, 60 Hz moottoreilla tämä lineaarinen V/Hz -suhde on 460/60 = 7,67 V/Hz. Vaikka V/Hz-ohjaus soveltuu laaja-alaisiin sovelluksiin, se on epäoptimaalinen korkean suorituskyvyn sovelluksissa, joihin liittyy hidas nopeus tai vaativa, dynaaminen nopeuden säätö, paikannus ja peruutuskuorman vaatimukset. Jotkut V/Hz-taajuusmuuttajat voivat toimia myös toisen asteen V/Hz-tilassa tai ne voidaan jopa ohjelmoida sopimaan erityisiin monipisteisiin V/Hz-reitteihin.

Kaksi muuta käyttöohjausjärjestelmää, vektorisäätö ja suora vääntömomentin ohjaus (DTC), säätävät moottorin jännitteen suuruutta, kulmaa vertailukohdasta ja taajuutta siten, että ne ohjaavat tarkasti moottorin magneettivirtaa ja mekaanista vääntömomenttia.

Vaikka avaruusvektorin pulssileveysmodulaatio (SVPWM) on tulossa yhä suositummaksi, sinimuotoinen PWM (SPWM) on yksinkertaisin tapa käyttää taajuusmuuttajan moottorin jännitettä (tai virtaa) ja taajuutta. SPWM-ohjauksella (ks. Kuva 1) kvasi-sinimuotoinen, muuttuvan pulssin leveyslähtö muodostetaan sahahampaisen kantoaaltosignaalin leikkauskohdista moduloivan sinimuotoisen signaalin kanssa, joka vaihtelee toimintataajuudella ja jännitteellä (tai virralla) ).

Moottorien käyttö tyyppikilven nimellisnopeuden (perusnopeuden) yläpuolella on mahdollista, mutta se on rajoitettu olosuhteisiin, jotka eivät vaadi enemmän tehoa kuin moottorin tyyppikilpi. Tätä kutsutaan joskus "kentän heikkenemiseksi", ja AC -moottoreilla se tarkoittaa, että se toimii alle nimellis -V/Hz: n ja nimelliskilven nopeuden. Kestomagneetti- synkronimoottoreilla on melko rajallinen kentänheikennysnopeusalue jatkuvan magneettivuon kytkennän vuoksi . Haavaroottorilla varustetuilla synkronimoottoreilla ja induktiomoottoreilla on paljon laajempi nopeusalue. Esimerkiksi 100 hv, 460 V, 60 Hz, 1775  RPM (4-napainen) induktiomoottori, jossa on 460 V, 75 Hz (6,134 V/Hz), rajoittuisi 60/75 = 80% vääntömomenttiin 125% nopeus (2218,75 RPM) = 100% teho. Suuremmilla nopeuksilla induktiomoottorin vääntömomenttia on rajoitettava edelleen moottorin murtumismomentin pienenemisen vuoksi. Siten nimellistehoa voidaan tyypillisesti tuottaa vain 130-150% tyyppikilven nimellisnopeudesta. Haavaroottorisia synkronimoottoreita voidaan käyttää vielä suuremmilla nopeuksilla. Valssaamoissa käytetään usein 200-300% perusnopeudesta. Roottorin mekaaninen lujuus rajoittaa moottorin maksiminopeutta.

Kuva 1: SPWM-kantoaaltotulo ja 2-tasoinen PWM-lähtö

Upotettu mikroprosessori ohjaa yleistä toimintaa VFD ohjaimen. Basic ohjelmointi mikroprosessorin palvelee käyttäjän torjuvalla firmware . Käyttäjän ohjelmointi näyttö , vaihteleva, ja toimilohko parametrit annetaan ohjaus, suojata, ja valvoa VFD, moottori, ja käytettävän laitteiston.

Peruskäyttöohjain voidaan konfiguroida sisältämään valikoivasti seuraavat valinnaiset virtakomponentit ja lisävarusteet seuraavasti:

Käyttöliittymä

Käyttöliittymä antaa käyttäjälle mahdollisuuden käynnistää ja pysäyttää moottori ja säätää käyttönopeutta. VFD voidaan myös ohjata ohjelmoitava logiikka kautta Modbus tai muun vastaavan rajapinnan. Muita kuljettajan ohjaustoimintoja voivat olla peruutus ja vaihtaminen manuaalisen nopeudensäädön ja automaattisen ohjauksen välillä ulkoisesta prosessinohjaussignaalista . Käyttöliittymässä on usein aakkosnumeerinen näyttö tai merkkivalot ja mittarit, jotka antavat tietoja taajuusmuuttajan toiminnasta. VFD -ohjaimen etuosassa on usein käyttöliittymän näppäimistö ja näyttöyksikkö, kuten yllä olevassa valokuvassa näkyy. Näppäimistön näyttö voidaan usein liittää kaapelilla ja asentaa lyhyen matkan päässä VFD-ohjaimesta. Useimmissa on myös tulo- ja lähtöliitännät (I/O) painikkeiden, kytkimien ja muiden käyttöliittymälaitteiden tai ohjaussignaalien liittämistä varten. Sarjaportin portti on myös usein käytettävissä, jotta VFD voidaan konfiguroida, säätää, seurataan, ja ohjataan tietokoneella.

Nopeuden säätö

VFD: n nopeutta voidaan hallita kahdella tavalla; verkotettu tai kiinteä. Verkko sisältää suunnitellun nopeuden lähettämisen tietoliikenneprotokollalla, kuten Modbus , Modbus / TCP , EtherNet / IP , tai näppäimistöllä Display Serial Interface -liitäntää käyttäen, kun taas langalliseen laitteeseen kuuluu puhdas sähköinen viestintä. Tyypillisiä langallisen tiedonsiirron keinoja ovat: 4-20mA , 0-10VDC tai sisäisen 24VDC-virtalähteen käyttäminen potentiometrin kanssa . Nopeutta voidaan ohjata myös etänä ja paikallisesti. Kaukosäädin neuvoo VFD: tä ohittamaan näppäimistön nopeuskäskyt, kun taas paikallinen ohjaus kehottaa VFD: tä jättämään ulkoisen ohjauksen huomiotta ja noudattamaan vain näppäimistöä. Joissakin taajuusmuuttajissa samoja tappeja käytetään sekä 0-10 VDC että 4-20 mA jännitteille ja ne valitaan

VFD: n ohjelmointi

Mallista riippuen VFD: n toimintaparametrit voidaan ohjelmoida: omalla ohjelmointiohjelmistolla, sisäisellä näppäimistöllä, ulkoisella näppäimistöllä tai SD -kortilla. VFD: t estävät usein useimmat ohjelmointimuutokset käytön aikana. Tyypillisiä asetettavia parametreja ovat: moottorin tyyppikilven tiedot, nopeuden vertailulähde, päälle/pois -ohjauslähde ja jarrut. On myös tavallista, että VFD -laitteet tarjoavat virheenkorjaustietoja, kuten vikakoodeja ja tulosignaalien tiloja.

Käynnistys ja ohjelmiston toiminta

Useimmat VFD: t mahdollistavat automaattisen käynnistyksen. Mikä ohjaa lähdön määrätylle taajuudelle virtakierron tai vian poistamisen tai hätäpysäytyssignaalin palauttamisen jälkeen (yleensä hätäpysäytykset ovat aktiivisia alhainen logiikka). Yksi suosittu tapa ohjata VFD on ottaa käyttöön automaattinen käynnistys ja sijoittaa L1, L2 ja L3 kontaktoriin. Kontaktorin käynnistäminen käynnistää siten taajuusmuuttajan ja antaa sen annetulle nopeudelle. Taajuusmuuttajan kehittyneisyydestä riippuen voidaan kehittää useita automaattisia käynnistyskäyttäytymisiä, esim. Taajuusmuuttaja käynnistyy automaattisesti käynnistyksen yhteydessä, mutta ei käynnisty automaattisesti hätäpysäytyksen poistamisesta ennen kuin nollaus on suoritettu.

Taajuusmuuttajan toiminta

Sähkömoottorin nopeuden ja vääntömomentin kaavio

Oheisen kaavion perusteella taajuusmuuttajasovellukset voidaan luokitella yhden, kahden tai neljän kvadrantin osiin. kaavion neljä neljännestä määritellään seuraavasti:

  • Neljännes I - Ajo tai moottoriajoneuvo, eteenpäin kiihdyttävä neljännes positiivisella nopeudella ja vääntömomentilla
  • Quadrant II - generoiva tai jarruttava, eteenpäin jarruttava - hidastava neljännes positiivisella nopeudella ja negatiivisella vääntömomentilla
  • Neljännes III - Ajo tai moottori, taaksepäin kiihdyttävä neljännes negatiivisella nopeudella ja vääntömomentilla
  • Neljännes IV - Generaatio tai jarrutus, peruutusjarrutusta hidastava neljännes negatiivisella nopeudella ja positiivisella vääntömomentilla.

Useimmat sovellukset sisältävät yhden kvadrantin kuormia, jotka toimivat neljänneksessä I, kuten muuttuvassa vääntömomentissa (esim. Keskipakopumput tai tuulettimet) ja tietyissä vakiomomenttikuormissa (esim. Suulakepuristimet).

Joissakin sovelluksissa kaksivaiheiset kuormat toimivat neljänneksissä I ja II, joissa nopeus on positiivinen, mutta vääntömomentti muuttaa napaisuutta , jos tuuletin hidastuu nopeammin kuin luonnolliset mekaaniset häviöt. Jotkut lähteet määrittelevät kahden kvadrantin taajuusmuuttajat kuormiksi, jotka toimivat neljänneksissä I ja III, joissa nopeus ja vääntömomentti ovat samat (positiiviset tai negatiiviset) molempiin suuntiin.

Tietyt korkean suorituskyvyn sovellukset sisältävät neljän kvadrantin kuormia (neljännet I-IV), joissa nopeus ja vääntömomentti voivat olla mihin tahansa suuntaan, kuten nostolaitteissa, hisseissä ja mäkisissä kuljettimissa. Palautuminen voi tapahtua ainoastaan taajuusmuuttajan välipiirin väylän kun invertterin jännite on suuruudeltaan pienempi kuin moottorin taka- EMF ja invertterin jännite ja back-EMF on sama napaisuus.

Moottoria käynnistettäessä VFD käyttää aluksi matalaa taajuutta ja jännitettä, jolloin vältetään suora käynnistys . VFD: n käynnistyksen jälkeen käytettävää taajuutta ja jännitettä nostetaan hallitulla nopeudella tai nostetaan ylös kuormituksen nopeuttamiseksi. Tämä käynnistysmenetelmä sallii tyypillisesti moottorin kehittää 150% nimellismomentistaan, kun VFD vetää alle 50% nimellisvirrastaan ​​hitaiden nopeuksien alueen verkosta. VFD voidaan säätää tuottamaan tasainen 150%: n käynnistysmomentti pysähdyksestä aina täydelle nopeudelle. Moottorin jäähdytys kuitenkin heikkenee ja voi johtaa ylikuumenemiseen nopeuden pienentyessä siten, että pitkäaikainen käyttö pienellä nopeudella ja huomattava vääntömomentti ei yleensä ole mahdollista ilman erikseen moottoroitua tuulettimen tuuletusta.

VFD: llä pysäytysjakso on päinvastainen kuin aloitusjakso. Moottoriin kohdistuvaa taajuutta ja jännitettä pienennetään kontrolloidulla nopeudella. Kun taajuus lähestyy nollaa, moottori sammuu. Käytettävissä on pieni jarrutusmomentti, joka auttaa hidastamaan kuormaa hieman nopeammin kuin se pysähtyisi, jos moottori sammutettaisiin ja annettaisiin vapaasti pyörittää. Jarrutusmomentti voidaan saada lisäämällä lisäämällä jarrupiiri (transistorin ohjaama vastus) jarrutusenergian hajauttamiseksi. Neljän kvadrantin tasasuuntaajan (aktiivinen etuosa) avulla VFD pystyy jarruttamaan kuormitusta kohdistamalla käänteisen vääntömomentin ja syöttämällä energian takaisin vaihtovirtaan.

Edut

Energiansäästö

VVVF käytetään Guangzhoun metrojunassa

Monet kiinteän nopeuden moottorikuormitussovellukset, jotka toimitetaan suoraan verkkovirrasta, voivat säästää energiaa, kun niitä käytetään vaihtelevalla nopeudella VFD: n avulla. Tällaiset energiakustannussäästöt ovat erityisen voimakkaita muuttuvan vääntömomentin keskipakopuhaltimien ja -pumppujen sovelluksissa, joissa kuorman vääntömomentti ja teho vaihtelevat nopeuden neliön ja kuution mukaan. Tämä muutos vähentää merkittävästi tehoa verrattuna kiinteään nopeuteen, jolloin nopeus pienenee suhteellisen vähän. Esimerkiksi 63%: n nopeudella moottorin kuormitus kuluttaa vain 25% sen täydestä nopeudesta. Tämä vähennys on affiniteettilakien mukainen, jotka määrittävät eri keskipakokuormamuuttujien välisen suhteen.

Yhdysvalloissa arviolta 60-65% sähköenergiasta käytetään moottoreiden syöttämiseen, joista 75% on muuttuvan vääntömomentin puhallin-, pumppu- ja kompressorikuormia. Kahdeksantoista prosenttia Yhdysvaltojen 40 miljoonan moottorin energiasta voitaisiin säästää tehokkailla energian parantamistekniikoilla, kuten VFD -laitteilla.

Vain noin 3% vaihtovirtamoottoreiden asennuskannasta on varustettu taajuusmuuttajilla. On kuitenkin arvioitu, että käyttötekniikkaa käytetään jopa 30–40 prosentissa kaikista uusista moottoreista.

AC -moottoriasennusten maailmanlaajuisen populaation energiankulutusjakauma on seuraavan taulukon mukainen:

Maailmanlaajuinen moottoripopulaatio, 2009
Pieni Yleiskäyttöinen - keskikokoinen Suuri
Virta 10 W - 750 W 0,75 kW - 375 kW 375 kW - 10000 kW
Vaihe, jännite 1-v., <240 V 3-v., 200 V-1 kV 3-ph., 1 kV-20 kV
% moottorin kokonaisenergiasta 9% 68% 23%
Yhteensä varastossa 2 miljardia 230 miljoonaa 0,6 miljoonaa

Ohjaa suorituskykyä

Taajuusmuuttajia käytetään prosessin ja laadun parantamiseen teollisissa ja kaupallisissa sovelluksissa: kiihtyvyys, virtaus, valvonta, paine, nopeus, lämpötila, jännitys ja vääntömomentti.

Kiinteänopeuksiset kuormat altistavat moottorin suurelle käynnistysmomentille ja virran nousulle, joka on jopa kahdeksan kertaa täysikuormavirta. Taajuusmuuttajat sen sijaan nostavat moottoria vähitellen toimintanopeuteen vähentääkseen mekaanista ja sähköistä rasitusta, vähentäen huolto- ja korjauskustannuksia sekä pidentäen moottorin ja käytettävän laitteen käyttöikää.

Muuttuvanopeuksiset taajuusmuuttajat voivat myös käyttää moottoria erikoiskuvioilla mekaanisen ja sähköisen rasituksen minimoimiseksi. Esimerkiksi S-käyräkuviota voidaan soveltaa kuljetinsovellukseen tasaisemman hidastumisen ja kiihtyvyyden ohjaamiseksi, mikä vähentää välin, joka voi ilmetä kuljettimen kiihdyttäessä tai hidastettaessa.

Suorituskykytekijöihin, jotka pyrkivät suosimaan tasavirtakäyttöjen käyttöä taajuusmuuttajien sijaan, kuuluvat muun muassa seuraavat vaatimukset: jatkuva toiminta pienellä nopeudella, neljän kvadrantin toiminta regeneroinnin kanssa, usein tapahtuvat kiihdytys- ja hidastustoimenpiteet sekä tarve suojata moottori vaarallisella alueella. Seuraavassa taulukossa verrataan taajuusmuuttajia tiettyjen avainparametrien mukaan:

Ajotyyppi DC AC VFD AC VFD AC VFD AC VFD
Ohjausalusta Harja tyyppi DC V/Hz ohjaus Vektorin ohjaus Vektorin ohjaus Vektorin ohjaus
Valvontakriteerit Suljettu silmukka Avoin silmukka Avoin silmukka Suljettu silmukka Avoin silmukka w. HFI^
Moottori DC OLEN OLEN OLEN sisustus PM
Tyypillinen nopeuden säätö (%) 0,01 1 0,5 0,01 0,02
Tyypillinen nopeusalue vakiomomentilla (%) 0-100 10-100 3-100 0-100 0-100
Min. nopeus 100%: n vääntömomentilla (% perustaa) Seisokki 8% 2% Seisokki Seisokki (200%)
Usean moottorin käyttöä suositellaan Ei Joo Ei Ei Ei
Vikasuojaus (vain sulake tai luontainen asema) Vain sulatettu Luontainen Luontainen Luontainen Luontainen
Huolto (Harjat) Matala Matala Matala Matala
Palautelaite Kierroslukumittari tai anturi Ei käytössä Ei käytössä Kooderi Ei käytössä

^ Korkeataajuinen injektio

VFD -tyypit ja -luokitukset

Yleiset topologiat

VSI -aseman topologia
CSI -aseman topologia
Kuusivaiheiset aaltomuodot
Suoran matriisimuuntimen topologia

Taajuusmuuttajat voidaan luokitella seuraavien yleisten topologioiden mukaan:

  • Jännitelähteen vaihtosuuntaajan (VSI) taajuusmuuttajan topologiat (katso kuva): VSI -taajuusmuuttajassa diodisillan muuntimen DC -lähtö tallentaa energiaa kondensaattoriväylään syöttääkseen jäykkää jännitetuloa invertteriin. Suurin osa taajuusmuuttajista on VSI -tyyppisiä ja PWM -jännitelähdöllä.
  • Virtalähteen invertterin (CSI) taajuusmuuttajan topologiat (katso kuva): CSI-taajuusmuuttajassa SCR- sillanmuuntimen DC-lähtö tallentaa energiaa sarja- Induktoriliitäntä syöttää taajuusmuuttajalle jäykkää virtatuloa. CSI-taajuusmuuttajia voidaan käyttää joko PWM- tai kuusivaiheisella aaltomuodolla.
  • Kuusivaiheiset taajuusmuuttajakäytön topologiat (katso kuva): Nyt pitkälti vanhentuneet, kuusivaiheiset taajuusmuuttajat voivat olla joko VSI- tai CSI-tyyppisiä, ja niitä kutsutaan myös nimellä vaihtuvajännitteiset taajuusmuuttajakäytöt, pulssi-amplitudimodulaatio (PAM) -taajuusmuuttajat, neliöaaltoiset taajuusmuuttajia tai DC -katkaisimen invertterikäyttöjä. Kuusivaiheisessa taajuusmuuttajassa SCR-sillanmuuntimen tasavirtalähtö tasoitetaan kondensaattoriväylän ja sarjareaktoriliitännän kautta syötettäväksi Darlington-parin tai IGBT- invertterin kautta, joka on lähes sinimuotoinen, kuusivaiheinen jännite- tai virtatulo induktiomoottorille.
  • Lataa LCI-taajuusmuuttajan topologiat : LCI-taajuusmuuttajassa (erityinen CSI-kotelo) SCR-sillanmuuntimen tasavirtalähtö tallentaa energiaa DC-linkin induktoripiirin kautta syöttämään jäykän, lähes sinimuotoisen kuusivaiheisen virtalähdön sekunnin ajan SCR-sillan invertteri ja ylikuormitettu synkronikone.
  • Syklo- tai matriisimuuntimen (MC) topologiat (katso kuva): Syklo- ja MC -muuntimet ovat AC-AC-muuntimia , joissa ei ole välivaihe DC-linkkiä energian varastointiin. Syklo-muunnin toimii kolmivaiheisena virtalähteenä kolmen rinnakkaiskytkentäisen SCR-sillan kautta kuuden pulssin kokoonpanossa, ja jokainen syklonmuuntimen vaihe toimii valikoivasti kiinteän linjan taajuuden vaihtojännitteen muuttamiseksi vaihtojännitteeksi vaihtelevalla kuormitustaajuudella. MC-asemat ovat IGBT-pohjaisia.
  • Kaksinkertaisesti syötetty slip talteenottojärjestelmä topologioita A kaksinkertaisesti syötetty slip talteenottojärjestelmä syötteitä korjattu slip valta tasoitusfunktion reaktoriin antaa virran AC-jakeluverkon kautta invertterin, nopeus moottorin ohjataan säätämällä DC-virta.

Ohjausalustat

Useimmat taajuusmuuttajat käyttävät yhtä tai useampaa seuraavista ohjausjärjestelmistä:

Kuormitusmomentti ja tehoominaisuudet

Taajuusmuuttajat luokitellaan myös seuraavien kuormitusmomenttien ja tehoominaisuuksien mukaan:

  • Vaihteleva vääntömomentti, kuten keskipakopuhaltimen, pumpun ja puhaltimen sovelluksissa
  • Jatkuva vääntömomentti, kuten kuljettimissa ja iskutilavuuspumppusovelluksissa
  • Jatkuva teho, kuten työstökone- ja vetosovelluksissa.

Saatavilla olevat tehoarvot

VFD-laitteita on saatavana jännite- ja virrankulutuksilla, jotka kattavat laajan valikoiman yksivaiheisia ja monivaiheisia AC-moottoreita. Pienjännite (LV) taajuusmuuttajat on suunniteltu toimimaan enintään 690 V: n lähtöjännitteillä. (MV) -asemat, joiden teho on paljon pienempi. Erilaiset taajuusmuuttajatopologiat (katso taulukko 2) on konfiguroitu eri taajuusmuuttajien kytkentälaitteissa käytettyjen jännite/virta-yhdistelmäarvojen mukaisesti siten, että mikä tahansa annettu jännitearvo on suurempi tai yhtä kuin yksi seuraavista moottorin nimellisjännitteistä : yleensä joko 2+3 / 4 0,16 kV (60 Hz) tai 3+3 / 6 0,6 kV (50 Hz), jossa on yksi tyristori valmistaja mitoitettu enintään 12 kV kytkentä. Joissakin sovelluksissa tehomuuntaja on sijoitettu LV-taajuusmuuttajan ja MV-moottorikuorman väliin. MV -taajuusmuuttajat on tyypillisesti tarkoitettu moottorisovelluksiin, jotka ovat suurempia kuin noin 375–750 kW (503–1006 hv). MV -taajuusmuuttajat ovat historiallisesti vaatineet huomattavasti enemmän sovellusten suunnittelua kuin LV -taajuusmuuttajasovellukset. MV -taajuusmuuttajien teho voi nousta 100 MW: iin (130 000 hv), ja eri taajuusmuuttajien topologioita käytetään eri luokitus-, suorituskyky-, virranlaatu- ja luotettavuusvaatimuksiin.

Ajokoneet ja yksityiskohtaiset topologiat

Lopuksi on hyödyllistä yhdistää VFD: t seuraavien kahden luokituksen perusteella:

  • Eri vaihtovirtakoneiden osalta, kuten taulukossa 1 on esitetty
  • Mitä tulee erilaisiin yksityiskohtaisiin AC-AC-muuntimen topologioihin, jotka on esitetty alla olevissa taulukoissa 2 ja 3.
Taulukko 1: Ajokoneet
Koneet
Induktio ^^^
Häkin roottori

CSI tai VSI (kuusivaiheinen tai PWM ), syklokonvertteri, matriisi

WRIM

Sähkömekaaninen

Kaksinkertaisesti syötetty WRIM

Liukuva energian talteenotto (Kramer/Scherbius)

Synkroninen ^^^
WFSM

CSI (LCI), syklokonvertteri, VSI

PM

Aksiaalinen tai levy

Radiaalinen

Sisustus

Pinta
Puolisuunnikas BLDM , Sinimuotoinen PMSM

VSI

SyRM

VSI

VRM ^^^
Kytketty reluktanssimoottoriaskelmoottori

VSI

Taulukko 2: Asemat yksityiskohtaisten AC-AC-muuntimen topologioiden mukaan

Topologiat

Epäsuora  AC-AC
LV
IGBT ^
2-tasoinen VSI  PWM

Suurin osa LV -taajuusmuuttajista

3-tasoinen VSI  PWM

Ensisijaisesti Yaskawa

( SCR /CSI tai diodi /VSI)+ IGBT
Kuusivaiheinen tai  PAM

Esimerkiksi Baker-Hughes

MV
VSI
GCT^
3 -tasoinen NPC -invertteri

Ensisijaisesti ABB, GE

IGBT ^
2 -tasoinen invertteri

Ensisijaisesti GE-Converteam

3 -tasoinen NPC -invertteri

Ensisijaisesti Eaton, GE-Toshiba, Siemens

Monitasoinen CHB -invertteri

Ensisijaisesti GE, Siemens (Robicon), Toshiba

Lentävä kondensaattorin taajuusmuuttaja

Ensisijaisesti GE-Converteam

NPC/H -sillan vaihtosuuntaaja

Ensisijaisesti Toshiba

CSI
Pääasiassa ABB, GE -Converteam, Siemens
SCR ^^

LCI

Pääasiassa A -B
SGCT ^^ AFE: n kanssa

CSR PWM / CSI PWM -invertteri, jossa CME

SCR  + SGCT

18-pulssinen CSI PWM- taajuusmuuttaja

GTO ^^

Kondensaattoriavusteinen CSI PWM -asema (vanha)

Suora  AC-AC
SCR
Syklo -muunnin

Pääasiassa ABB, Siemens, GE Converteam

IGBT
Matriisi

Ensisijaisesti Yaskawa

Taulukko 3: Topologiakaaviot
Selitys taulukoille 1-3
^ Taajuusmuuttajan kytkentälaite (vakio diodisuuntaajalla)
^^ Invertterin ja tasasuuntaajan kytkentälaite
^^^ Pyörivä tai lineaarinen
AFE Aktiivinen etuosa
BLDM PM puolisuunnikkaan kone ( harjaton DC sähkömoottori )
CME Yhteisen tilan poistaminen
CHB Porrastettu H-silta
CSI Virtalähteen invertteri
CSR Virtalähteen tasasuuntaaja
GCT Portin ohjaama tyristori
GTO Portin sammutus tyristori
IGBT Eristetty portin bipolaarinen transistori
LCI Kuormita kommutoitu invertteri
LV Alhainen jännite
MV Keskijännite
NPC Neutraalipiste kiristetty
PAM Pulssin amplitudimodulaatio
PM Kestomagneetti
PMSM Synkroninen kestomagneettigeneraattori
PWM Pulssinleveysmodulaatio
SCR Piiohjattu tasasuuntaaja
SGCT Symmetrinen porttiohjattu tyristori
SRM Kytketty reluktanssimoottori
SyRM Synkroninen reluktanssikone
VRM Muuttuvan reluktanssikone
VSI Jännitelähteen invertteri
VVI Muuttuvajännitteinen invertteri
WFSM Haavakentän synkroninen kone
WRIM Haavaroottorin induktiomoottori

Sovellusnäkökohdat

AC -linjan harmoniset

Selvennyshuomautus :.

Vaikka PWM-lähdön yliaaltoja voidaan helposti suodattaa kantoaaltotaajuuteen liittyvällä suodattimen induktanssilla syöttääkseen lähes sinimuotoisia virtoja moottorin kuormitukseen, VFD: n diodisillan tasasuuntaaja muuntaa AC-verkkojännitteen DC-jännitelähdöksi ylivoimaisesti epälineaarisella puolivaiheiset virtapulssit luoden siten verkkovirtatulon harmonisen virran vääristymän ja siten jännitteen vääristymän. Kun VFD kuormat ovat suhteellisen pieniä verrattuna suuri, jäykkä sähköjärjestelmään saatavilla sähköteho yritys , vaikutukset VFD harmoninen AC verkkoon voi usein olla hyväksyttävissä rajoissa. Lisäksi pienjänniteverkoissa yksivaiheisten laitteiden, kuten tietokoneiden ja televisioiden, aiheuttamat yliaalot poistetaan osittain kolmivaiheisten diodisillan yliaaltojen takia, koska niiden 5. ja 7. harmoniset ovat vastavaiheessa. Kuitenkin, kun VFD: n ja muun epälineaarisen kuorman osuus suhteessa kokonaiskuormaan tai epälineaariseen kuormaan verrattuna verkkovirtalähteen jäykkyyteen tai molempiin on suhteellisen suuri, kuormalla voi olla negatiivinen vaikutus Vaihtovirta -aaltomuoto muiden sähköyhtiöiden asiakkaiden käytettävissä samassa verkossa.

Kun sähköyhtiön jännite vääristyy yliaaltojen takia, muiden kuormien, kuten tavallisten kiinteiden nopeuksien vaihtovirtamoottoreiden, häviöt lisääntyvät. Tämä voi johtaa ylikuumenemiseen ja lyhyempään käyttöikään. Myös sähköasemamuuntajat ja kompensointikondensaattorit vaikuttavat negatiivisesti. Erityisesti kondensaattorit voivat aiheuttaa resonanssiolosuhteita, jotka voivat suurentaa harmonisia tasoja hyväksyttävästi. Jännitteen vääristymien rajoittamiseksi VFD -kuorman omistajia voidaan vaatia asentamaan suodatuslaitteita harmonisten vääristymien vähentämiseksi sallittujen rajojen alapuolelle. Vaihtoehtoisesti apuohjelma voi hyväksyä ratkaisun asentamalla oman suodatuslaitteiston sähköasemille, joihin suuri määrä VFD -laitteita vaikuttaa. Suuritehoisissa asennuksissa harmonisia vääristymiä voidaan vähentää syöttämällä monipulssisia tasasuuntaajasillan VFD-muuntajia muuntajista, joissa on useita vaihesiirtokäämiä.

Vakiodiodisillan tasasuuntaaja on myös mahdollista korvata kaksisuuntaisella IGBT-kytkentälaitesillalla, joka peilaa vakiomuuntajaa, joka käyttää IGBT-kytkentälaitteen lähtöä moottoriin. Tällaisiin tasasuuntaajiin viitataan eri nimityksillä, mukaan lukien aktiivinen syöttömuunnin (AIC), aktiivinen tasasuuntaaja , IGBT-syöttöyksikkö (ISU), aktiivinen etupää (AFE) tai neljän kvadrantin toiminta. PWM -ohjauksella ja sopivalla tuloreaktorilla AFE: n vaihtovirta -aaltomuoto voi olla lähes sinimuotoinen. AFE elvyttää luonnostaan ​​energiaa neljän kvadrantin tilassa DC-puolelta AC-verkkoon. Näin ollen jarruvastusta ei tarvita, ja taajuusmuuttajan tehokkuus paranee, jos taajuusmuuttajaa tarvitaan usein moottorin jarruttamiseen.

Kaksi muuta yliaaltojen lieventämistekniikkaa hyödyntävät passiivisten tai aktiivisten suodattimien käyttöä, jotka on kytketty yhteiseen väylään ja joissa on vähintään yksi VFD -haarakuorma väylällä. Passiivinen suodattimet liittyy suunnittelu yhden tai useamman alipääs- LC-suodattimen ansat, kukin ansa on viritetty niin tarvitaan harmoninen taajuus (5., 7., 11., 13.,... Kq +/- 1, missä k = kokonaisluku, q = muuntimen pulssiluku).

On hyvin yleinen käytäntö, että sähköyhtiöt tai niiden asiakkaat asettavat harmonisia särörajoja IEC- tai IEEE -standardien perusteella. Esimerkiksi IEEE -standardin 519 rajat asiakkaan liitäntäpisteessä vaativat, että suurin yksittäinen taajuusjänniteharmoninen on enintään 3% perusarvosta, ja vaativat, että kokonaisharmoninen vääristymä (THD) on enintään 5% yleinen vaihtovirtalähdejärjestelmä.

Kytkentätaajuuden takaisku

Yksi asema käyttää oletusarvoista kytkentätaajuutta 4 kHz. Taajuusmuuttajan kytkentätaajuuden (kantoaaltotaajuuden) vähentäminen vähentää IGBT- laitteiden tuottamaa lämpöä .

Kantoaaltotaajuutta, joka on vähintään kymmenen kertaa haluttu lähtötaajuus, käytetään PWM -kytkentävälien määrittämiseen. Kantoaaltotaajuus alueella 2000 - 16 000 Hz on yleinen LV [pienjännite, alle 600 volttia] VFD -taajuusmuuttajille. Suurempi kantoaaltotaajuus tuottaa paremman siniaallon lähentämisen, mutta aiheuttaa suurempia kytkentähäviöitä IGBT: ssä, mikä pienentää kokonaistehon muuntotehokkuutta.

Melun tasoitus

Joissakin taajuusmuuttajissa on kohinanvaimennusominaisuus, joka voidaan kytkeä päälle vaihtotaajuuden satunnaisen vaihtelun aikaansaamiseksi. Tämä jakaa akustisen kohinan eri taajuuksille melun huippuintensiteetin pienentämiseksi.

Pitkäjohtoiset vaikutukset

PWM VFD: n kantoaaltotaajuinen pulssilähtöjännite aiheuttaa nopeita nousuaikoja näissä pulsseissa, joiden siirtolinjan vaikutukset on otettava huomioon. Koska kaapelin ja moottorin siirtojohdon impedanssi on erilainen, pulsseilla on taipumus heijastua takaisin moottorin liittimistä kaapeliin. Tuloksena olevat heijastukset voivat tuottaa ylijännitteitä, jotka ovat kaksi kertaa tasavirtaväyläjännite tai jopa 3,1 kertaa nimellisjännite pitkiä kaapeleita käytettäessä, aiheuttaen suurta rasitusta kaapeleille ja moottorikäämille sekä mahdollisia eristyshäiriöitä. Eristysstandardit kolmivaiheisille moottoreille, joiden nimellisarvo on 230 V tai vähemmän, suojaavat riittävästi tällaisilta pitkäjohtoisilta ylijännitteiltä. 460 V: n tai 575 V: n järjestelmissä ja inverttereissä, joissa on kolmannen sukupolven 0,1 mikrosekunnin nousuajan IGBT-laitteita, suurin suositeltu kaapelin etäisyys VFD: n ja moottorin välillä on noin 50 m tai 150 jalkaa. Uusille SiC MOSFET -käyttöisille taajuusmuuttajille on havaittu merkittäviä ylijännitteitä jopa 3 metrin pituisilla kaapeleilla. Pitkien johtojen aiheuttamien ylijännitteiden ratkaisuja ovat kaapelin pituuden minimoiminen, kantoaaltotaajuuden alentaminen, dV/dt-suodattimien asentaminen, invertterikäyttöisten moottorien käyttäminen (joiden nimellisarvo on 600 V kestämään pulssijunia, joiden nousuaika on enintään 0,1 mikrosekuntia) (1 600 V: n huippuarvo), ja asennetaan LCR-alipäästösiniaalisuodattimet. Optimaalisen PWM-kantoaaltotaajuuden valinta taajuusmuuttajia varten tasapainottaa kohinaa, lämpöä, moottorin eristysjännitystä, yleistilan jännitteen aiheuttamaa moottorin laakerivirran vaurioita, tasaista moottorin toimintaa ja muita tekijöitä. Yliaaltojen lisävaimennus voidaan saavuttaa käyttämällä LCR-alipäästösiniaalto- tai dV/dt-suodatinta.

Moottorin laakerivirrat

Yli 5 kHz: n kantoaaltotaajuudet voivat aiheuttaa laakerivaurioita, ellei ryhdytä suojatoimenpiteisiin.

PWM-taajuusmuuttajiin liittyy luonnostaan ​​suurtaajuisia yhteistilajännitteitä ja -virtoja, jotka voivat aiheuttaa ongelmia moottorin laakereissa. Kun nämä korkeataajuiset jännitteet löytävät polun maahan laakerin läpi, metallin tai sähköpurkauskoneiston (EDM) kipinöinti tapahtuu laakeripallon ja laakeripyörän välillä. Ajan myötä EDM-pohjainen kipinöinti aiheuttaa eroosiota laakerikilpailussa, mikä voidaan nähdä aaltoilevana kuviona. Suurissa moottoreissa käämien hajakapasitanssi tarjoaa polkuja suurtaajuisille virroille, jotka kulkevat moottorin akselin päiden läpi ja johtavat kiertävään laakerivirtaan. Moottoristaattorien huono maadoitus voi johtaa akselin ja maan välisiin laakerivirtoihin. Pienet moottorit, joilla on huonosti maadoitettu käyttölaite, ovat alttiita korkeataajuisille laakerivirroille.

Suurtaajuisten laakerivirtavaurioiden estämisessä käytetään kolmea lähestymistapaa: hyvät kaapelointi- ja maadoituskäytännöt, laakerivirtojen keskeyttäminen ja yhteismuotoisten virtojen suodatus tai vaimennus esimerkiksi pehmeiden magneettisydämien, ns. Induktiivisten absorboijien, kautta. Hyvät kaapelointi- ja maadoituskäytännöt voivat sisältää suojatun, symmetrisen geometrian virtajohdon käytön moottorin syöttämiseen, akselin maadoitusharjojen ja johtavan laakerin rasvan asentamisen. Laakerivirrat voidaan katkaista asentamalla eristetyt laakerit ja erityisesti suunnitellut sähköstaattisesti suojatut induktiomoottorit. Suurtaajuuslaakerin suodatus ja vaimennus voidaan tehdä lisäämällä pehmeitä magneettisydämiä kolmeen vaiheeseen, mikä antaa korkeataajuisen impedanssin yhteismoodia tai moottorin laakerivirtoja vastaan. Toinen lähestymistapa on käyttää tavallisten 2-tasoisten taajuusmuuttajien sijasta joko 3-tasoisia taajuusmuuttajia tai matriisimuuntimia.

Koska taajuusmuuttajan syöttämien moottorikaapelien suurtaajuiset virtapiikit voivat häiritä tilojen muita kaapelointeja, tällaisten invertterisyöttöisten moottorikaapelien ei pitäisi olla vain suojattuja, symmetrisiä geometrisia rakenteita, vaan ne on myös reititettävä vähintään 50 cm: n etäisyydelle signaalikaapelista .

Dynaaminen jarrutus

Taajuusmuuttajan tuottama vääntömomentti saa induktiomoottorin pyörimään synkronisella nopeudella vähemmän luistamalla. Jos kuorma ajaa moottoria nopeammin kuin synkroninen nopeus, moottori toimii generaattorina ja muuntaa mekaanisen tehon takaisin sähkötehoksi. Tämä teho palautetaan taajuusmuuttajan tasavirtalinkkielementtiin (kondensaattori tai reaktori). Tasavirtalinkkiin kytketty elektroninen virtakytkin tai jarrutava DC- katkaisin hallitsee tämän tehon haihtumista lämmönä vastuksissa. Jäähdytyspuhaltimia voidaan käyttää estämään vastuksen ylikuumeneminen.

Dynaaminen jarrutus tuhlaa jarrutusenergiaa muuttamalla sen lämmöksi. Sitä vastoin regeneratiiviset taajuusmuuttajat tallentavat jarrutusenergian ruiskuttamalla tämän energian AC -linjaan. Regeneratiivisten käyttölaitteiden pääomakustannukset ovat kuitenkin suhteellisen korkeat.

Regeneratiiviset taajuusmuuttajat

Linjageneratiiviset taajuusmuuttajat, joissa on kondensaattorit (ylemmät sylinterit) ja induktorit, jotka suodattavat regeneroidun tehon.
Yksinkertaistettu ajokaavio suositulle EHV: lle

Regeneratiivisilla taajuusmuuttajilla on kyky ottaa talteen jarrutusenergiaa, kun kuorma liikkuu nopeammin kuin moottorin määrätty nopeus ( peruskorjauskuorma ) ja palauttaa se sähköjärjestelmään.

Cycloconverter-, Scherbius-, matriisi-, CSI- ja LCI-taajuusmuuttajat mahdollistavat luonnostaan ​​energian palauttamisen kuormasta linjaan, kun taas jännitelähteen vaihtosuuntaajat vaativat lisämuuntimen energian palauttamiseksi verkkoon.

Regeneraatiosta on hyötyä VFD -laitteissa vain silloin, kun talteenotetun energian arvo on suuri verrattuna regeneratiivisen järjestelmän lisäkustannuksiin ja jos järjestelmä vaatii usein jarrutusta ja käynnistymistä. Regeneratiivisia VFD -laitteita käytetään laajalti, kun vaaditaan peruskorjauskuormien nopeuden säätöä.

Joitain esimerkkejä:

  • Valmistukseen tarkoitetut kuljetinhihnat, jotka pysähtyvät muutaman minuutin välein. Pysäytettynä osat on koottu oikein; kun tämä on tehty, vyö siirtyy eteenpäin.
  • Nosturi, jossa nostomoottori pysähtyy ja peruuttaa usein, ja jarrutusta tarvitaan kuorman hidastamiseksi laskun aikana.
  • Kaikentyyppiset plug-in- ja hybridiajoneuvot (katso kuva ja Hybrid Synergy Drive ).

Historialliset järjestelmät

Ennen kuin SSD-laitteet tulivat saataville, taajuusmuuttajat käyttivät pyöriviä koneita, ja General Electric Company sai niihin useita patentteja 1900-luvun alussa. Yksi esimerkki on US -patentti 0,949,320 (1910), jossa todetaan: "Tällainen generaattori löytää hyödyllisen sovelluksen virran syöttämiselle induktiomoottoreille, jotka ajavat autoja, vetureita tai muita mekanismeja, joita käytetään vaihtelevalla nopeudella". Toinen on brittiläinen patentti 7061 vuodelta 1911, Brown, Boveri & Cie ., Joka tunnetaan nyt nimellä ABB .

Katso myös

Huomautuksia

Viitteet