Innanzitutto, perché utilizzare un convertitore di frequenza per controllare un motore?
Comprendiamo prima brevemente questi due dispositivi.
Il motore è un carico induttivo, che ostacola il cambiamento di corrente e produrrà un grande cambiamento di corrente quando viene avviato.
Il convertitore di frequenza è un dispositivo di controllo della potenza che utilizza la funzione on-off del dispositivo a semiconduttore di potenza per convertire l'alimentazione a frequenza industriale in un'altra frequenza. È composto principalmente da due parti del circuito, una è il circuito principale (modulo raddrizzatore, condensatore elettrolitico e modulo inverter) e l'altra è il circuito di controllo (scheda di alimentazione a commutazione, scheda di controllo).
Per ridurre la corrente di avviamento del motore, soprattutto per un motore di potenza maggiore, 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 e il convertitore di frequenza può risolvere questo problema di avviamento in modo che il motore si avvii senza problemi senza causare una corrente di avviamento eccessiva.
Un'altra funzione dell'utilizzo del convertitore di frequenza è quella di regolare la velocità del motore. In molte occasioni è necessario controllare la velocità del motore per ottenere una migliore efficienza produttiva e la regolazione della velocità del convertitore di frequenza è sempre stata il suo punto forte. Il convertitore di frequenza può modificare la frequenza dell'alimentazione per raggiungere lo scopo di controllare la velocità del motore.
Quali sono i metodi di controllo dell'inverter?
I cinque modi più comuni in cui un inverter controlla un motore sono i seguenti:
La tensione di uscita della conversione di frequenza universale a bassa tensione è 380-650 V, la potenza di uscita è 0.75-400 kW e la frequenza di lavoro è 0-400 Hz. Il suo circuito principale adotta un circuito AC-DC-AC. Il suo metodo di controllo ha attraversato le quattro generazioni successive.
Metodo di controllo della modulazione di larghezza di impulso sinusoidale (SPWM) 1U/f=C
È caratterizzato da una struttura semplice del circuito di controllo, basso costo e buone proprietà meccaniche e durezza, che possono soddisfare i requisiti di regolazione della velocità regolare della trasmissione generale ed è stato ampiamente utilizzato in vari campi industriali.
Tuttavia, quando questo metodo di controllo è a bassa frequenza, a causa della bassa tensione di uscita, la coppia è significativamente influenzata dalla caduta di tensione della resistenza statorica, che riduce la coppia massima di uscita.
Inoltre, le sue caratteristiche meccaniche non sono così rigide come quelle dei motori DC successivi, e la capacità di coppia dinamica e le prestazioni di regolazione della velocità statica non sono soddisfacenti, le prestazioni del sistema non sono elevate, la curva di controllo cambierà con il cambiamento del carico e la risposta della coppia è lento e il motore gira. Il tasso di utilizzo della coppia non è elevato e le prestazioni diminuiscono a causa della resistenza dello statore e dell'effetto zona morta dell'inverter a bassa velocità e la stabilità diventa scarsa. Pertanto, le persone hanno sviluppato una regolazione della velocità di conversione della frequenza di controllo vettoriale.
Modalità di controllo del vettore dello spazio di tensione (SVPWM)
Si basa sulla premessa dell'effetto di generazione complessivo della forma d'onda trifase e mira ad avvicinarsi alla traiettoria circolare ideale del campo magnetico rotante del traferro del motore. Genera una forma d'onda di modulazione trifase contemporaneamente e la controlla in modo che un poligono inscritto si avvicini a un cerchio.
Dopo l'uso pratico, è stato migliorato, ovvero l'introduzione della compensazione della frequenza può eliminare l'errore del controllo della velocità; l'entità del collegamento del flusso può essere stimata tramite feedback per eliminare l'influenza della resistenza statorica a bassa velocità; la tensione e la corrente di uscita sono a circuito chiuso per migliorare la precisione e la stabilità dinamica. Tuttavia, ci sono molti collegamenti nel circuito di controllo e non viene introdotta alcuna regolazione della coppia, quindi le prestazioni del sistema non sono state sostanzialmente migliorate.
Modalità controllo vettoriale (VC)
La pratica della regolazione della velocità di conversione della frequenza con controllo vettoriale consiste nel convertire le correnti statoriche Ia, Ib e Ic del motore asincrono nel sistema di coordinate trifase in una corrente CA equivalente Ia1Ib1 nel sistema di coordinate stazionario bifase attraverso -conversione bifase, e quindi attraverso Secondo la trasformazione della rotazione dell'orientamento del campo magnetico del rotore, è equivalente alla corrente continua Im1 e It1 nel sistema di coordinate rotanti sincrono (Im1 è equivalente alla corrente di eccitazione del motore CC; It1 è equivalente alla corrente di armatura proporzionale alla coppia) e quindi imita il motore CC. Nel metodo di controllo, si ottiene la quantità di controllo del motore CC e il controllo del motore asincrono viene realizzato attraverso la corrispondente trasformazione inversa delle coordinate.
La sua essenza è che il motore CA è equivalente a un motore CC e le due componenti della velocità e del campo magnetico sono controllate in modo indipendente. Controllando il collegamento del flusso del rotore e quindi decomponendo la corrente dello statore per ottenere le due componenti di coppia e campo magnetico, la trasformazione delle coordinate può realizzare il controllo di quadratura o disaccoppiamento. La proposta del metodo di controllo vettoriale ha un significato epocale. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, a causa della difficoltà di osservare accuratamente il collegamento del flusso del rotore, 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 più complicata, rendendo difficile l’effetto di controllo effettivo per ottenere un’analisi ideale. risultato.
Modalità di controllo diretto della coppia (DTC)
Nel 1985, il professor DePenbrock dell'Università della Ruhr in Germania propose per la prima volta la tecnologia di conversione della frequenza con controllo diretto della coppia. Questa tecnologia risolve in gran parte le suddette carenze del controllo vettoriale e si è sviluppata rapidamente con nuove idee di controllo, struttura del sistema semplice e chiara ed eccellenti prestazioni dinamiche e statiche.
Attualmente, questa tecnologia è stata applicata con successo alla trasmissione CA ad alta potenza della trazione delle locomotive elettriche. Il controllo diretto della coppia analizza direttamente il modello matematico del motore CA nel sistema di coordinate dello statore e controlla il collegamento del flusso e la coppia del motore. Non è necessario equiparare il motore CA a un motore CC, risparmiando così molti calcoli complicati nella trasformazione della rotazione vettoriale; non è necessario simulare il controllo del motore DC, né semplificare il modello matematico del motore AC per il disaccoppiamento.
Modalità di controllo Matrix AC-AC
La conversione di frequenza VVVF, la conversione di frequenza del controllo vettoriale e la conversione di frequenza del controllo diretto della coppia sono tutte conversioni di frequenza AC-DC-AC. I loro svantaggi comuni sono un basso fattore di potenza in ingresso, una grande corrente armonica, grandi condensatori di accumulo di energia per i circuiti CC e l'energia rigenerativa non può essere reimmessa nella rete, ovvero non è possibile eseguire il funzionamento a quattro quadranti.
Per questo motivo è nata la conversione di frequenza a matrice AC-AC. Poiché la conversione di frequenza CA-CA a matrice elimina il collegamento CC intermedio, vengono omessi i condensatori elettrolitici ingombranti e costosi. Può realizzare che il fattore di potenza è l, la corrente di ingresso è sinusoidale e può funzionare in quattro quadranti e la densità di potenza del sistema è elevata. Sebbene la tecnologia non sia ancora matura, attira ancora molti studiosi a fare ricerche approfondite. La sua essenza non è controllare indirettamente la corrente, il collegamento del flusso, ecc., ma realizzare la coppia direttamente come quantità controllata.
Il metodo specifico è:
Controllare il collegamento del flusso dello statore e introdurre l'osservatore del collegamento del flusso dello statore per realizzare la modalità senza sensore di velocità;
L'identificazione automatica (ID) si basa sul preciso modello matematico del motore per identificare automaticamente i parametri del motore;
Calcolare il valore effettivo corrispondente all'impedenza dello statore, all'induttanza reciproca, al fattore di saturazione magnetica, all'inerzia, ecc. Calcolare la coppia effettiva, il collegamento del flusso dello statore e la velocità del rotore per il controllo in tempo reale;
Realizzare il controllo Band-Band In base al controllo Band-Band del collegamento del flusso e della coppia, vengono generati segnali PWM per controllare lo stato di commutazione dell'inverter.
La conversione di frequenza AC-AC Matrix ha una risposta di coppia rapida (<2ms), precisione ad alta velocità (±2%, senza feedback PG) ed elevata precisione di coppia (<+3%); ha anche una coppia di velocità iniziale elevata e un'elevata precisione della coppia, soprattutto a bassa velocità (inclusa la velocità 0), può produrre una coppia dal 150% al 200%.
Come fa un inverter a controllare un motore? Come sono collegati i due?
Il cablaggio dell'inverter per controllare il motore è relativamente semplice, simile al cablaggio del contattore. Le tre linee di alimentazione principale entrano ed escono al motore.
Prima di tutto diamo un'occhiata ai terminali dell'inverter. Sebbene esistano molte marche e diversi metodi di cablaggio, la maggior parte dei terminali dell'inverter non sono troppo diversi. È generalmente diviso in ingresso interruttore avanti e indietro, che viene utilizzato per controllare la rotazione avanti e indietro di molti motori. Il terminale di feedback viene utilizzato per fornire feedback sullo stato di funzionamento del motore, inclusa la frequenza di funzionamento, la velocità, lo stato di guasto e così via. Per il controllo del riferimento di velocità, alcuni convertitori di frequenza utilizzano potenziometri, mentre altri utilizzano direttamente i tasti.
È controllato tramite cablaggio fisico e un altro modo è passare attraverso la rete di comunicazione. Molti inverter ora supportano il controllo della comunicazione. Attraverso questa linea di comunicazione, il motore può essere controllato per l'avvio e l'arresto, l'avanzamento e la retromarcia, la regolazione della velocità, ecc. e allo stesso tempo anche le informazioni di feedback vengono trasmesse tramite comunicazioni.
Cosa succede alla coppia in uscita di un motore quando cambia la sua velocità di rotazione (frequenza)?
La coppia iniziale e la coppia massima quando azionate da un convertitore di frequenza sono inferiori a quelle azionate direttamente da un alimentatore a frequenza commerciale.
Quando il motore è alimentato da un alimentatore a frequenza commerciale, gli shock di avviamento e accelerazione sono molto grandi, ma quando il motore è alimentato da un convertitore di frequenza, questi shock saranno più deboli. L'avviamento diretto a frequenza di rete genererà una grande corrente di avviamento. Quando si utilizza un convertitore di frequenza, la tensione di uscita e la frequenza del convertitore di frequenza vengono aggiunte gradualmente al motore, quindi la corrente di avviamento e l'impatto del motore sono minori.
Generalmente la coppia prodotta dal motore diminuisce al diminuire della frequenza (diminuisce la velocità). I dati effettivi ridotti verranno spiegati in alcuni manuali dell'inverter.
Utilizzando il convertitore di frequenza controllato da un vettore di flusso magnetico, verrà migliorata la mancanza di coppia alle basse velocità del motore e il motore potrà erogare una coppia sufficiente anche nell'area di bassa velocità.
Quando il convertitore di frequenza viene regolato su una frequenza superiore a 50 Hz, la coppia di uscita del motore diminuirà.
Il motore normale è progettato e prodotto in base alla 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 chiamata 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 diminuirà in una relazione lineare inversamente proporzionale alla frequenza.
Quando il motore funziona a una frequenza superiore a 50 Hz, è necessario considerare il carico del motore per evitare una coppia di uscita del motore insufficiente.
Ad esempio, la coppia prodotta dal motore a 100 Hz sarà ridotta a circa la metà della coppia prodotta a 1 Hz.
Pertanto, la regolazione della velocità al di sopra della frequenza nominale è chiamata regolazione della velocità a potenza costante. (P=Ue*Ie)
Applicazione del convertitore di frequenza sopra 50Hz
Come tutti sappiamo, per un motore specifico, la tensione nominale e la corrente nominale sono costanti.
Ad esempio, i valori nominali dell'inverter e del motore sono entrambi: 15 kW/380 V/30 A e il motore può funzionare a una frequenza superiore a 50 Hz.
Quando la velocità di rotazione è 50 Hz, la tensione di uscita dell'inverter è 380 V e la corrente è 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 380 V/30 A. Ovviamente la potenza in uscita rimane invariata, per questo la chiamiamo regolazione della velocità a potenza costante.
Qual è la situazione della 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 guardarlo da un’altra angolazione:
Tensione dello statore del motore U=E+I*R (I è la corrente, R è la resistenza elettronica, E è il potenziale indotto)
Si può vedere che quando U e I rimangono invariati, anche E rimane invariato.
E E=k*f*X (k: costante; f: frequenza; X: flusso magnetico), quindi quando f cambia da 50–>60 Hz, X diminuirà di conseguenza
Per il motore, T=K*I*X (K: costante; I: corrente; X: flusso), quindi la coppia T diminuirà al diminuire del flusso X
Allo stesso tempo, quando è inferiore a 50 Hz, poiché I*R è molto piccolo, quando U/f=E/f è costante, il flusso magnetico (X) è costante. La coppia T è proporzionale alla corrente. Questo è il motivo per cui la capacità di sovraccarico (coppia) dell'inverter è solitamente descritta dalla sua capacità di sovracorrente, ed è chiamata regolazione della velocità a coppia costante (la corrente nominale non cambia –> la coppia massima non cambia)
Conclusione: quando la frequenza di uscita dell'inverter aumenta da oltre 50 Hz, la coppia di uscita del motore diminuirà
Altri fattori legati alla coppia in uscita
La capacità di generazione e dissipazione del calore determina la capacità di corrente di uscita dell'inverter, influenzando così la capacità di coppia di uscita dell'inverter.
Frequenza portante: generalmente, la corrente nominale dell'inverter si basa sulla frequenza portante più alta, che può garantire un'uscita continua alla temperatura ambiente più alta. Se la frequenza portante viene ridotta, la corrente del motore non verrà influenzata. Ma il riscaldamento dei componenti sarà ridotto.
Temperatura ambiente: solo perché rileva che la temperatura ambiente è relativamente bassa, non aumenterà il valore della corrente di protezione dell'inverter.
Altitudine: l'aumento dell'altitudine influisce sia sulla dissipazione del calore che sulle prestazioni di isolamento. In genere si può ignorare al di sotto dei 1000 m, mentre al di sopra è sufficiente ridurre la capacità del 5% ogni 1000 m.
Qual è la frequenza appropriata affinché il convertitore di frequenza controlli il motore?
Nella disposizione di cui sopra, abbiamo imparato perché l'inverter viene utilizzato per controllare il motore e come l'inverter controlla il motore. Il convertitore di frequenza controlla il motore e ciò può essere riassunto in due punti: in primo luogo, il convertitore di frequenza controlla la tensione di avviamento e la frequenza del motore; raggiunge un avvio e un arresto graduali; in secondo luogo, utilizzare il convertitore di frequenza per regolare la velocità del motore e regolare la velocità del motore modificando la frequenza.
