Во-первых, зачем использовать преобразователь частоты для управления двигателем?
Давайте сначала кратко разберемся с этими двумя устройствами.
Двигатель является индуктивной нагрузкой, которая препятствует изменению тока и вызывает большое изменение тока при запуске.
Преобразователь частоты представляет собой устройство управления мощностью, которое использует функцию включения-выключения силового полупроводникового устройства для преобразования источника питания промышленной частоты в другую частоту. Он в основном состоит из двух частей схемы, одна из которых представляет собой основную цепь (модуль выпрямителя, электролитический конденсатор и модуль инвертора), а другая представляет собой схему управления (плата импульсного источника питания, плата управления).
Чтобы уменьшить пусковой ток двигателя, особенно для двигателя большей мощности, чем больше мощность, тем больше пусковой ток. Чрезмерный пусковой ток создаст большую нагрузку на сеть электропитания и распределительную сеть, и преобразователь частоты может решить эту проблему пуска, чтобы двигатель запускался плавно, не вызывая чрезмерного пускового тока.
Еще одной функцией использования преобразователя частоты является регулировка скорости двигателя. Во многих случаях необходимо контролировать скорость двигателя для повышения эффективности производства, и регулирование скорости преобразователя частоты всегда было его самым важным моментом. Преобразователь частоты может изменять частоту источника питания для достижения цели управления скоростью двигателя.
Какие существуют методы управления инвертором?
Вот пять наиболее распространенных способов управления двигателем инвертором:
Выходное напряжение низковольтного универсального преобразователя частоты составляет 380-650В, выходная мощность 0.75-400кВт, рабочая частота 0-400Гц. В его основной цепи используется схема переменного-постоянного-переменного тока. Его метод управления прошел следующие четыре поколения.
1U/f=C метод управления синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)
Он характеризуется простой структурой схемы управления, низкой стоимостью и хорошими механическими свойствами и твердостью, которые могут соответствовать требованиям плавного регулирования скорости обычной трансмиссии и широко используются в различных областях промышленности.
Однако при использовании этого метода управления на низкой частоте из-за низкого выходного напряжения на крутящий момент существенно влияет падение напряжения на сопротивлении статора, что снижает максимальный выходной крутящий момент.
Кроме того, его механические характеристики не такие жесткие, как у двигателей постоянного тока после него, а возможности динамического крутящего момента и характеристики статического регулирования скорости неудовлетворительны, производительность системы невысока, кривая управления будет меняться при изменении нагрузки, а отклик крутящего момента работает медленно, и двигатель вращается. Коэффициент использования крутящего момента невелик, а производительность снижается из-за наличия сопротивления статора и эффекта мертвой зоны инвертора на низкой скорости, и стабильность становится плохой. Поэтому люди разработали регулирование скорости преобразования частоты с векторным управлением.
Режим управления пространственным вектором напряжения (SVPWM)
Он основан на предпосылке общего эффекта генерации трехфазной формы волны и направлен на приближение к идеальной круговой траектории вращающегося магнитного поля воздушного зазора двигателя. Он одновременно генерирует сигнал трехфазной модуляции и управляет им таким образом, что вписанный многоугольник приближается к окружности.
После практического использования она была усовершенствована, то есть введение частотной компенсации позволяет устранить погрешность регулирования скорости; величину потокосцепления можно оценить по обратной связи, чтобы исключить влияние сопротивления статора на низкой скорости; выходное напряжение и ток имеют замкнутый контур для повышения динамической точности и стабильности. Однако в цепи управления много звеньев, а регулировка крутящего момента не введена, поэтому производительность системы принципиально не улучшилась.
Режим векторного управления (ВК)
Практика векторного управления частотно-преобразовательным регулированием скорости заключается в преобразовании токов статора Iа, Iб и Iк асинхронного двигателя в трехфазной системе координат в эквивалентный переменный ток Iа1Iб1 в двухфазной стационарной системе координат через трехфазную -двухфазное преобразование, а затем через преобразование ориентации вращения магнитного поля ротора эквивалентно постоянному току Im1 и It1 в синхронно-вращающейся системе координат (Im1 эквивалентно току возбуждения двигателя постоянного тока; Он1 эквивалентен току якоря, пропорциональному крутящему моменту, а затем имитирует двигатель постоянного тока. В методе управления получается управляющая величина двигателя постоянного тока, а управление асинхронным двигателем осуществляется посредством соответствующего обратного преобразования координат.
Суть его в том, что двигатель переменного тока эквивалентен двигателю постоянного тока, а две составляющие скорости и магнитного поля управляются независимо. Управляя потокосцеплением ротора, а затем разлагая ток статора для получения двух компонентов крутящего момента и магнитного поля, преобразование координат может реализовать квадратурное или разъединяющее управление. Предложение метода борьбы с переносчиками имеет эпохальное значение. Однако в практических приложениях из-за сложности точного наблюдения за потокосцеплением ротора характеристики системы сильно зависят от параметров двигателя, а векторное преобразование вращения, используемое в эквивалентном процессе управления двигателем постоянного тока, является более сложным, что затрудняет фактический эффект управления для достижения идеального анализа. результат.
Режим прямого управления крутящим моментом (DTC)
В 1985 году профессор ДеПенброк из Рурского университета в Германии впервые предложил технологию преобразования частоты с прямым управлением крутящим моментом. Эта технология в значительной степени устраняет вышеупомянутые недостатки векторного управления и быстро развивается благодаря новым идеям управления, простой и понятной структуре системы и отличным динамическим и статическим характеристикам.
В настоящее время эта технология успешно применяется для передачи переменного тока большой мощности электровозной тяги. Прямое управление крутящим моментом напрямую анализирует математическую модель двигателя переменного тока в системе координат статора и управляет потокосцеплением и крутящим моментом двигателя. Нет необходимости приравнивать двигатель переменного тока к двигателю постоянного тока, что избавляет от многих сложных вычислений при преобразовании векторного вращения; ему не нужно ни моделировать управление двигателем постоянного тока, ни упрощать математическую модель двигателя переменного тока для развязки.
Матрица AC-AC режим управления
Преобразование частоты VVVF, преобразование частоты с векторным управлением и преобразование частоты с прямым управлением крутящим моментом — это все преобразования частоты AC-DC-AC. Их общими недостатками являются низкий коэффициент входной мощности, большой гармонический ток, большие накопительные конденсаторы для цепей постоянного тока, а рекуперативная энергия не может быть возвращена в сеть, то есть невозможно выполнение четырехквадрантной работы.
По этой причине возникло матричное преобразование частоты AC-AC. Поскольку матричное преобразование частоты переменного тока в переменный ток устраняет промежуточное звено постоянного тока, громоздкие и дорогие электролитические конденсаторы не используются. Он может реализовать коэффициент мощности l, входной ток синусоидальный и может работать в четырех квадрантах, а плотность мощности системы высока. Хотя технология еще не созрела, она по-прежнему привлекает многих ученых к углубленным исследованиям. Суть его не в том, чтобы косвенно управлять током, потокосцеплением и т.п., а в том, чтобы непосредственно реализовать крутящий момент как регулируемую величину.
Конкретный метод:
Управляйте потокосцеплением статора и вводите наблюдатель потокосцепления статора для реализации бездатчикового режима скорости;
Автоматическая идентификация (ID) основана на точной математической модели двигателя для автоматического определения параметров двигателя;
Рассчитайте фактическое значение, соответствующее импедансу статора, взаимной индуктивности, коэффициенту магнитного насыщения, инерции и т. д. Рассчитайте фактический крутящий момент, потокосцепление статора и скорость вращения ротора для управления в реальном времени;
Реализуйте полосовое управление В соответствии с полосовым управлением потокосцепления и крутящего момента генерируются сигналы ШИМ для управления состоянием переключения инвертора.
Матричное преобразование частоты переменного тока в переменный имеет быструю реакцию по крутящему моменту (<2 мс), точность при высокой скорости (±2%, без обратной связи PG) и высокую точность по крутящему моменту (<+3%); он также имеет высокую начальную скорость крутящего момента и высокую точность крутящего момента, особенно на низкой скорости (включая 0 скорость), он может выдавать крутящий момент от 150% до 200%.
Как инвертор управляет двигателем? Как два провода?
Схема подключения инвертора для управления двигателем относительно проста, аналогична схеме подключения контактора. Три основные линии электропитания входят и выходят к двигателю.
Прежде всего, давайте посмотрим на клеммы инвертора. Несмотря на то, что существует много марок и различных способов подключения, большинство клемм инвертора не слишком отличаются. Обычно он делится на вход переключателя прямого и обратного хода, который используется для управления прямым и обратным вращением многих двигателей. Клемма обратной связи используется для обратной связи о рабочем состоянии двигателя, включая рабочую частоту, скорость, состояние неисправности и т. д. Для управления заданием скорости в некоторых преобразователях частоты используются потенциометры, в то время как в других используются кнопки напрямую.
Он управляется физической проводкой, а другой способ — через коммуникационную сеть. Многие инверторы теперь поддерживают управление связью. Через эту линию связи можно управлять двигателем для запуска и остановки, движения вперед и назад, регулировки скорости и т. д., и в то же время информация обратной связи также передается по каналам связи.
Что происходит с выходным крутящим моментом двигателя при изменении его скорости вращения (частоты)?
Пусковой крутящий момент и максимальный крутящий момент при работе от преобразователя частоты меньше, чем при непосредственном управлении от промышленного источника питания.
Когда двигатель питается от источника питания промышленной частоты, толчки при пуске и ускорении очень велики, но когда двигатель питается от преобразователя частоты, эти толчки будут слабее. Прямой пуск с промышленной частотой будет генерировать большой пусковой ток. При использовании преобразователя частоты выходное напряжение и частота преобразователя частоты постепенно добавляются к двигателю, поэтому пусковой ток и воздействие двигателя меньше.
Как правило, крутящий момент, создаваемый двигателем, уменьшается по мере уменьшения частоты (уменьшения скорости). Сокращенные фактические данные будут объяснены в некоторых руководствах по преобразователям.
При использовании преобразователя частоты, управляемого вектором магнитного потока, отсутствие крутящего момента на низкой скорости двигателя будет улучшено, и двигатель сможет выдавать достаточный крутящий момент даже в области низкой скорости.
Когда преобразователь частоты настроен на частоту выше 50 Гц, выходной крутящий момент двигателя уменьшится.
Обычный двигатель спроектирован и изготовлен для напряжения 50 Гц, и его номинальный крутящий момент также указан в этом диапазоне напряжения. Поэтому регулирование скорости ниже номинальной частоты называется регулированием скорости с постоянным крутящим моментом. (T=Te，P<=Pe)
Когда выходная частота преобразователя частоты превышает 50 Гц, крутящий момент, создаваемый двигателем, будет уменьшаться по линейной зависимости, обратно пропорциональной частоте.
Когда двигатель работает с частотой выше 50 Гц, необходимо учитывать нагрузку двигателя, чтобы предотвратить недостаточный выходной крутящий момент двигателя.
Например, крутящий момент, создаваемый двигателем при частоте 100 Гц, будет уменьшен примерно до 1/2 крутящего момента, создаваемого при 50 Гц.
Поэтому регулирование скорости выше номинальной частоты называется регулированием скорости с постоянной мощностью. (P=Ue*Ie)
Применение преобразователя частоты выше 50 Гц
Как мы все знаем, для конкретного двигателя его номинальное напряжение и номинальный ток постоянны.
Например, номинальные значения инвертора и двигателя: 15 кВт/380 В/30 А, и двигатель может работать на частоте выше 50 Гц.
Когда скорость вращения составляет 50 Гц, выходное напряжение инвертора составляет 380 В, а ток составляет 30 А. В это время, если выходная частота увеличивается до 60 Гц, максимальное выходное напряжение и ток инвертора могут составлять только 380 В/30 А. Очевидно, что выходная мощность остается неизменной, поэтому мы называем это регулированием скорости при постоянной мощности.
Какова ситуация с крутящим моментом в это время?
Поскольку P=wT(w; угловая скорость, T: крутящий момент), поскольку P остается неизменным, а w увеличивается, крутящий момент соответственно уменьшится.
Мы также можем посмотреть на это под другим углом:
Напряжение статора двигателя U=E+I*R (I — ток, R — электронное сопротивление, E — индуцированный потенциал)
Видно, что когда U и I неизменны, E также не меняется.
И E=k*f*X (k: постоянная; f: частота; X: магнитный поток), поэтому при изменении f от 50 до > 60 Гц значение X соответственно уменьшится.
Для двигателя T = K * I * X (K: постоянная; I: ток; X: поток), поэтому крутящий момент T будет уменьшаться по мере уменьшения потока X.
В то же время, когда она меньше 50 Гц, поскольку I*R очень мала, когда U/f=E/f постоянна, магнитный поток (X) постоянен. Крутящий момент T пропорционален току. Вот почему перегрузочная (моментная) способность инвертора обычно описывается его максимальной токовой способностью и называется регулированием скорости с постоянным крутящим моментом (номинальный ток не изменяется -> максимальный крутящий момент не изменяется).
Вывод: когда выходная частота инвертора увеличивается выше 50 Гц, выходной крутящий момент двигателя уменьшается.
Другие факторы, связанные с выходным крутящим моментом
Способность выделять и рассеивать тепло определяет выходной ток инвертора, тем самым влияя на выходной крутящий момент инвертора.
Несущая частота: Как правило, номинальный ток инвертора основан на самой высокой несущей частоте, которая может гарантировать непрерывную выходную мощность при самой высокой температуре окружающей среды. Если несущую частоту уменьшить, ток двигателя не изменится. Зато уменьшится нагрев компонентов.
Температура окружающей среды: только потому, что он обнаруживает, что температура окружающей среды относительно низкая, он не увеличивает значение тока защиты инвертора.
Высота над уровнем моря: по мере увеличения высоты это влияет как на рассеивание тепла, так и на характеристики изоляции. Как правило, ниже 1000 м этим можно пренебречь, и достаточно уменьшать мощность на 5% каждые 1000 м выше.
Какова подходящая частота преобразователя частоты для управления двигателем?
Из приведенной выше схемы мы узнали, почему инвертор используется для управления двигателем и как инвертор управляет двигателем. Преобразователь частоты управляет двигателем, и это можно свести к двум пунктам: во-первых, преобразователь частоты управляет пусковым напряжением и частотой двигателя; обеспечивает плавный старт и плавную остановку; во-вторых, используйте преобразователь частоты, регулируйте скорость двигателя и регулируйте скорость двигателя, изменяя частоту.
