Il convertitore di frequenza è una tecnologia che dovrebbe essere padroneggiata quando si eseguono lavori elettrici. L'uso del convertitore di frequenza per controllare i motori è un metodo comune nel controllo elettrico; alcuni richiedono anche una certa competenza nel suo utilizzo.
1. Innanzitutto, perché utilizzare un convertitore di frequenza per controllare un motore?
Il motore è un carico induttivo che ostacola la variazione di corrente e produce una grande variazione di corrente all'avvio.
L'inverter è un dispositivo di controllo dell'energia elettrica che sfrutta la funzione on-off dei dispositivi a semiconduttore di potenza per convertire la frequenza di alimentazione industriale in un'altra frequenza. È composto principalmente da due circuiti: uno è il circuito principale (modulo raddrizzatore, condensatore elettrolitico e modulo inverter), e l'altro è il circuito di controllo (scheda di alimentazione switching, scheda di controllo).
Per ridurre la corrente di avviamento del motore, in particolare per i motori di potenza elevata, maggiore è la potenza, maggiore è la corrente di avviamento. Una corrente di avviamento eccessiva comporterà un carico maggiore sulla rete di alimentazione e distribuzione. Il convertitore di frequenza può risolvere questo problema di avviamento e consentire al motore di avviarsi senza problemi, senza causare una corrente di avviamento eccessiva.
Un'altra funzione dell'utilizzo di un convertitore di frequenza è la regolazione della velocità del motore. In molti casi, è necessario controllare la velocità del motore per ottenere una migliore efficienza produttiva, e la regolazione della velocità tramite convertitore di frequenza è sempre stata la sua caratteristica principale. Il convertitore di frequenza controlla la velocità del motore modificando la frequenza dell'alimentazione.
2. Quali sono i metodi di controllo dell'inverter?
I cinque metodi più comunemente utilizzati per il controllo dei motori tramite inverter sono i seguenti:
A. Metodo di controllo della modulazione di larghezza di impulso sinusoidale (SPWM)
Le sue caratteristiche sono la struttura semplice del circuito di controllo, il basso costo, la buona resistenza meccanica e la capacità di soddisfare i requisiti di regolazione della velocità fluida delle trasmissioni generali. È stato ampiamente utilizzato in vari settori industriali.
Tuttavia, a basse frequenze, a causa della bassa tensione di uscita, la coppia è notevolmente influenzata dalla caduta di tensione della resistenza dello statore, che riduce la coppia di uscita massima.
Inoltre, le sue caratteristiche meccaniche non sono robuste come quelle dei motori a corrente continua e la sua capacità di coppia dinamica e le prestazioni di regolazione statica della velocità non sono soddisfacenti. Inoltre, le prestazioni del sistema non sono elevate, la curva di controllo cambia con il carico, la risposta di coppia è lenta, il tasso di utilizzo della coppia del motore non è elevato e le prestazioni diminuiscono a bassa velocità a causa della presenza di resistenza dello statore e dell'effetto zona morta dell'inverter, con conseguente deterioramento della stabilità. Pertanto, sono stati studiati i sistemi di regolazione della velocità a frequenza variabile con controllo vettoriale.
B. Metodo di controllo del vettore spaziale di tensione (SVPWM)
Si basa sull'effetto di generazione complessivo della forma d'onda trifase, con lo scopo di avvicinarsi alla traiettoria ideale del campo magnetico rotante circolare del traferro del motore, generando una forma d'onda di modulazione trifase alla volta e controllandola come un poligono inscritto che si avvicina al cerchio.
Dopo l'uso pratico, il sistema è stato migliorato, introducendo la compensazione della frequenza per eliminare l'errore di controllo della velocità; stimando l'ampiezza del flusso tramite feedback per eliminare l'influenza della resistenza dello statore a bassa velocità; chiudendo il loop di tensione e corrente di uscita per migliorare la precisione dinamica e la stabilità. Tuttavia, sono presenti numerosi collegamenti al circuito di controllo e non è stata introdotta alcuna regolazione della coppia, quindi le prestazioni del sistema non sono state sostanzialmente migliorate.
C. Metodo di controllo vettoriale (VC)
L'essenza è rendere il motore CA equivalente a un motore CC e controllare in modo indipendente la velocità e il campo magnetico. Controllando il flusso del rotore, la corrente dello statore viene scomposta per ottenere le componenti di coppia e campo magnetico, e la trasformazione delle coordinate viene utilizzata per ottenere un controllo ortogonale o disaccoppiato. L'introduzione del metodo di controllo vettoriale ha un'importanza epocale. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, poiché il flusso del rotore è difficile da osservare con precisione, le caratteristiche del sistema sono fortemente influenzate dai parametri del motore e la trasformazione della rotazione vettoriale utilizzata nel processo di controllo del motore CC equivalente è relativamente complessa, rendendo difficile per l'effetto di controllo effettivo raggiungere il risultato di analisi ideale.
D. Metodo di controllo diretto della coppia (DTC)
Nel 1985, il professor DePenbrock dell'Università della Ruhr in Germania propose per primo la tecnologia di conversione di frequenza a controllo diretto della coppia. Questa tecnologia ha ampiamente risolto le carenze del controllo vettoriale sopra menzionato ed è stata rapidamente sviluppata con nuove idee di controllo, una struttura di sistema concisa e chiara e prestazioni dinamiche e statiche eccellenti.
Attualmente, questa tecnologia è stata applicata con successo alla trazione a corrente alternata ad alta potenza delle locomotive elettriche. Il controllo diretto della coppia analizza direttamente il modello matematico dei motori a corrente alternata nel sistema di coordinate dello statore e controlla il flusso magnetico e la coppia del motore. Non è necessario equiparare i motori a corrente alternata a quelli a corrente continua, eliminando così molti calcoli complessi nella trasformazione della rotazione vettoriale; non è necessario imitare il controllo dei motori a corrente continua, né semplificare il modello matematico dei motori a corrente alternata per il disaccoppiamento.
E. Metodo di controllo AC-AC Matrix
La conversione di frequenza VVVF, la conversione di frequenza a controllo vettoriale e la conversione di frequenza a controllo diretto di coppia sono tutti tipi di conversione di frequenza CA-CC-CA. I loro svantaggi comuni sono il basso fattore di potenza in ingresso, l'elevata corrente armonica, la necessità di un grande condensatore di accumulo di energia per il circuito CC e l'impossibilità di reimmettere l'energia rigenerativa nella rete elettrica, ovvero non possono funzionare nei quattro quadranti.
Per questo motivo, è nata la conversione di frequenza AC-AC a matrice. Poiché la conversione di frequenza AC-AC a matrice elimina il collegamento CC intermedio, elimina anche il grande e costoso condensatore elettrolitico. Può raggiungere un fattore di potenza pari a 1, una corrente di ingresso sinusoidale e può funzionare in quattro quadranti, con un'elevata densità di potenza. Sebbene questa tecnologia non sia ancora matura, attira ancora molti studiosi che conducono ricerche approfondite. La sua essenza non è il controllo indiretto di corrente, flusso magnetico e altre grandezze, ma l'utilizzo diretto della coppia come grandezza controllata per ottenerli.
3. Come fa un convertitore di frequenza a controllare un motore? Come sono cablati insieme i due componenti?
Il cablaggio dell'inverter per controllare il motore è relativamente semplice, simile al cablaggio del contattore, con tre linee di alimentazione principali che entrano e poi escono dal motore, ma le impostazioni sono più complicate e anche i modi per controllare l'inverter sono diversi.
Innanzitutto, per quanto riguarda il terminale dell'inverter, sebbene esistano molte marche e diversi metodi di cablaggio, i terminali di cablaggio della maggior parte degli inverter non presentano grandi differenze. Generalmente sono suddivisi in ingressi di commutazione avanti e indietro, utilizzati per controllare l'avviamento avanti e indietro del motore. I terminali di feedback sono utilizzati per fornire un feedback sullo stato operativo del motore.tra cui frequenza operativa, velocità, stato di guasto, ecc.
Per il controllo della velocità, alcuni convertitori di frequenza utilizzano potenziometri, altri direttamente pulsanti, tutti controllati tramite cablaggio fisico. Un altro modo è utilizzare una rete di comunicazione. Molti convertitori di frequenza ora supportano il controllo tramite comunicazione. La linea di comunicazione può essere utilizzata per controllare l'avvio e l'arresto, la rotazione avanti e indietro, la regolazione della velocità, ecc. del motore. Allo stesso tempo, anche le informazioni di feedback vengono trasmesse tramite comunicazione.
4. Cosa succede alla coppia di uscita di un motore quando cambia la sua velocità di rotazione (frequenza)?
La coppia di avviamento e la coppia massima quando azionate da un convertitore di frequenza sono inferiori rispetto a quando azionate direttamente da un alimentatore.
Il motore ha un impatto significativo in fase di avviamento e accelerazione quando alimentato da un alimentatore, ma questi impatti sono più deboli quando alimentato da un convertitore di frequenza. L'avviamento diretto con un alimentatore genererà un'elevata corrente di avviamento. Quando si utilizza un convertitore di frequenza, la tensione di uscita e la frequenza del convertitore di frequenza vengono gradualmente aggiunte al motore, quindi la corrente di avviamento e l'impatto del motore sono minori. Solitamente, la coppia generata dal motore diminuisce al diminuire della frequenza (diminuzione della velocità). I dati effettivi della riduzione saranno spiegati in alcuni manuali di convertitori di frequenza.
Il motore tradizionale è progettato e costruito per una tensione di 50 Hz e anche la sua coppia nominale è compresa in questo intervallo di tensione. Pertanto, la regolazione della velocità al di sotto della frequenza nominale è detta regolazione della velocità a coppia costante. (T=Te, P<=Pe)
Quando la frequenza di uscita del convertitore di frequenza è maggiore di 50 Hz, la coppia generata dal motore diminuisce in modo lineare e inversamente proporzionale alla frequenza.
Quando il motore funziona a una frequenza superiore a 50 Hz, è necessario considerare l'entità del carico del motore per evitare una coppia di uscita del motore insufficiente.
Ad esempio, la coppia generata dal motore a 100 Hz viene ridotta a circa la metà della coppia generata a 50 Hz.
Pertanto, la regolazione della velocità al di sopra della frequenza nominale è detta regolazione della velocità a potenza costante. (P=Ue*Ie).
5. Applicazione del convertitore di frequenza superiore a 50 Hz
Per un motore specifico, la sua tensione nominale e la sua corrente nominale sono costanti.
Ad esempio, se i valori nominali dell'inverter e del motore sono entrambi: 15 kW/380 V/30 A, il motore può funzionare a frequenze superiori a 50 Hz.
Quando la velocità è di 50 Hz, la tensione di uscita dell'inverter è di 380 V e la corrente è di 30 A. A questo punto, se la frequenza di uscita viene aumentata a 60 Hz, la tensione e la corrente di uscita massime dell'inverter possono essere solo di 380 V/30 A. Ovviamente, la potenza di uscita rimane invariata, quindi la chiamiamo regolazione della velocità a potenza costante.
Qual è la coppia in questo momento?
Poiché P=wT(w; velocità angolare, T: coppia), poiché P rimane invariato e w aumenta, la coppia diminuirà di conseguenza.
Possiamo anche guardarla da un'altra angolazione:
La tensione dello statore del motore è U=E+I*R (I è la corrente, R è la resistenza elettronica ed E è il potenziale indotto).
Si può osservare che quando U e I non cambiano, nemmeno E cambia.
E E=k*f*X (k: costante; f: frequenza; X: flusso magnetico), quindi quando f cambia da 50–>60Hz, X diminuirà di conseguenza.
Per il motore, T=K*I*X (K: costante; I: corrente; X: flusso magnetico), quindi la coppia T diminuirà al diminuire del flusso magnetico X.
Allo stesso tempo, quando la frequenza è inferiore a 50 Hz, poiché I*R è molto piccolo, quando U/f=E/f non cambia, il flusso magnetico (X) è costante. La coppia T è proporzionale alla corrente. Questo è il motivo per cui la capacità di sovracorrente dell'inverter viene solitamente utilizzata per descrivere la sua capacità di sovraccarico (coppia), ed è chiamata regolazione della velocità a coppia costante (corrente nominale rimane invariata -> coppia massima rimane invariata).
Conclusione: quando la frequenza di uscita dell'inverter aumenta oltre i 50 Hz, la coppia di uscita del motore diminuisce.
6.Altri fattori correlati alla coppia di uscita
La capacità di generazione e dissipazione del calore determinano la capacità di corrente in uscita dell'inverter, influenzando così la capacità di coppia in uscita dell'inverter.
1. Frequenza portante: la corrente nominale indicata sull'inverter è generalmente il valore che può garantire un'uscita continua alla massima frequenza portante e alla massima temperatura ambiente. La riduzione della frequenza portante non influisce sulla corrente del motore. Tuttavia, la generazione di calore dei componenti sarà ridotta.
2. Temperatura ambiente: proprio come il valore della corrente di protezione dell'inverter, non verrà aumentato quando la temperatura ambiente rilevata è relativamente bassa.
3. Altitudine: l'aumento di altitudine ha un impatto sulla dissipazione del calore e sulle prestazioni di isolamento. Generalmente, può essere trascurato al di sotto dei 1000 metri e la capacità può essere ridotta del 5% ogni 1000 metri in più.
7. Qual è la frequenza appropriata per un convertitore di frequenza per controllare un motore?
Nel riepilogo precedente, abbiamo appreso perché l'inverter viene utilizzato per controllare il motore e abbiamo anche capito come l'inverter controlla il motore. L'inverter controlla il motore, e questo può essere riassunto come segue:
Innanzitutto, l'inverter controlla la tensione di avviamento e la frequenza del motore per ottenere un avvio e un arresto fluidi;
In secondo luogo, l'inverter viene utilizzato per regolare la velocità del motore, e la velocità del motore viene regolata modificando la frequenza.
Motore a magneti permanenti di Anhui MingtengI prodotti sono controllati dall'inverter. Nell'intervallo di carico del 25%-120%, hanno un'efficienza maggiore e un intervallo di funzionamento più ampio rispetto ai motori asincroni con le stesse specifiche, con un significativo risparmio energetico.
I nostri tecnici specializzati selezioneranno l'inverter più adatto in base alle specifiche condizioni di lavoro e alle reali esigenze dei clienti, per ottenere un migliore controllo del motore e massimizzarne le prestazioni. Inoltre, il nostro servizio di assistenza tecnica può guidare i clienti da remoto nell'installazione e nel debug dell'inverter, e offrire un servizio di assistenza e supporto completo pre e post vendita.
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Data di pubblicazione: 09-09-2024