Frekvensomformare - Variable-frequency drive

Liten frekvensomriktare

Chassi ovanför VFD (locket borttaget)

En variabel frekvens drive ( VFD ) eller justerbar-frekvensomformare ( AFD ), variabel spänning / variabel frekvens ( VVVF ) enhet , varvtalsstyrning ( VSD ), frekvensomriktare , mikro-enhet eller växelriktardrift är en typ av motordriv används i elektromekaniska drivsystem för att styra AC-motor varvtal och vridmoment genom att variera motorns ingångsfrekvens och spänning .

VFD används i applikationer som sträcker sig från små apparater till stora kompressorer. Cirka 25% av världens elektriska energi förbrukas av elmotorer i industriella applikationer. System som använder VFD kan vara mer effektiva än de som använder strypningsreglering av vätskeflöde, till exempel i system med pumpar och spjällreglering för fläktar. Den globala marknadspenetrationen för alla tillämpningar av VFD är dock relativt liten.

Under de senaste fyra decennierna har teknik för kraftelektronik minskat VFD -kostnader och -storlekar och förbättrat prestandan genom framsteg inom halvledaromkopplare, drivningstopologier, simulerings- och styrtekniker och styrhårdvara och programvara.

VFD: er tillverkas i ett antal olika låg- och medelspännings AC-AC- och DC-AC- topologier.

Systembeskrivning och drift

VFD -system

En frekvensomriktare är en enhet som används i ett drivsystem som består av följande tre huvudsakliga delsystem: växelströmsmotor, huvudenhet för styrenhet och drivenhet/operatörsgränssnitt.

AC -motor

AC elektriska motorn används i ett VFD-system är vanligtvis en trefas induktionsmotor . Vissa typer av enfasiga motorer eller synkronmotorer kan vara fördelaktigt i vissa situationer, men i allmänhet tre-fas asynkronmotorer är föredragna som det mest ekonomiska. Motorer som är konstruerade för drift med fast hastighet används ofta. Förhöjda spänningar på induktionsmotorer som levereras av VFD: er kräver att sådana motorer är konstruerade för definitivt ändamålsmatad drift i enlighet med kraven som del 31 i NEMA Standard MG-1.

Kontroller

VFD kontrollenheten är en solid-state kraftelektronik omvandlingssystem består av tre distinkta undersystem: en likriktarbrygga omvandlare, en likström (DC) link, och en inverterare. Spänningskällomvandlare (VSI) -enheter (se avsnittet 'Generiska topologier' nedan) är den överlägset vanligaste typen av enheter. De flesta enheter är AC-AC- enheter genom att de konverterar AC-ingång till AC-inverterutgång. I vissa applikationer, till exempel vanliga DC-buss- eller solapplikationer , är enheter dock konfigurerade som DC-AC-enheter. Den mest grundläggande likriktaromvandlare för VSI-enheten är konfigurerad som en tre-fas, sex-puls, helvågs diodbrygga . I en VSI-enhet, DC-länken består av en kondensator , som jämnar ut omvandlarens DC-utgång rippel och ger en styv inverterarens ingång. Denna filtrerade likspänning omvandlas till kvasi- sinusformad växelspänning utgång med omriktarens aktiva omkopplingselement. VSI-enheter ger högre effektfaktor och lägre harmonisk distorsion än fasstyrda strömkällomvandlare (CSI) och belastningskommuterade växelriktare (LCI) (se avsnittet 'Generiska topologier' nedan). Drivregulatorn kan också konfigureras som en fasomvandlare med enfasomvandlaringång och trefasomformarutgång.

Styrenhetens framsteg har utnyttjat dramatiska ökningar av spännings- och strömvärden och omkopplingsfrekvens för solid-state-enheter under de senaste sex decennierna. Den bipolära transistorn (IGBT), som introducerades 1983, har under de senaste två decennierna kommit att dominera VFD: er som växelriktare.

I applikationer med variabelt vridmoment som är lämpade för Volts-per-Hertz (V/Hz) drivstyrning kräver växelströmsmotorkarakteristik att spänningsstorleken för växelriktarens utgång till motorn justeras för att matcha det erforderliga lastmomentet 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 den är lämplig för omfattande applikationer, är V/Hz-kontrollen suboptimal i högpresterande applikationer som kräver låg hastighet eller krävande, dynamisk varvtalsreglering, positionering och reversering av lastkrav. Vissa V/Hz-styrenheter kan också fungera i kvadratiskt V/Hz-läge eller kan till och med programmeras för att passa speciella flerpunkts V/Hz-banor.

De två andra drivkontrollplattformarna, vektorkontroll och direkt vridmomentkontroll (DTC), justerar motorspänningens storlek, vinkel från referens och frekvens för att exakt styra motorns magnetiska flöde och mekaniska vridmoment.

Även om rymdvektor pulsbreddsmodulation (SVPWM) blir alltmer populärt, är sinusformad PWM (SPWM) den enklaste metoden för att variera enheter motorspänning (eller ström) och frekvens. Med SPWM-styrning (se fig. 1) konstrueras kvasi-sinusformad utgång med variabel pulsbredd från skärningspunkter mellan en sågtandad bärsignal med en modulerande sinusformad signal som är variabel både i driftsfrekvens och i spänning (eller ström) ).

Driften av motorerna över märkets varvtal (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 arbeta vid lägre än nominell V/Hz och över märkskyltens hastighet. Permanenta magnet- synkronmotorer har ganska begränsat fältförsvagande hastighetsintervall på grund av den konstanta magnetflödesförbindelsen . Sårrotorsynkronmotorer och induktionsmotorer har mycket större varvtalsintervall. Till exempel skulle en 100 hk, 460 V, 60 Hz, 1775  varv/min (4-polig) induktionsmotor levererad med 460 V, 75 Hz (6,134 V/Hz) begränsas till 60/75 = 80% vridmoment vid 125% hastighet (2218,75 varv / min) = 100% effekt. Vid högre varvtal måste induktionsmotorns vridmoment begränsas ytterligare på grund av att motorns brytmoment sänks. Således kan märkeffekten normalt produceras endast upp till 130-150% av den nominella märkhastigheten. Sårrotorsynkronmotorer kan köras med ännu högre hastigheter. I valsverksdrev används ofta 200-300% av bashastigheten. Rotorns mekaniska hållfasthet begränsar motorns maximala varvtal.

Bild 1: SPWM-bärar-sinusingång och 2-nivå PWM-utgång

En inbäddad mikroprocessor styr den övergripande driften av VFD -styrenheten. Grundläggande programmering av mikroprocessorn tillhandahålls som användar-otillgänglig firmware . Användarprogrammering av display- , variabel- och funktionsblockparametrar 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 - kretsbrytare eller säkringar , isolering kontaktor , EMC -filter, rad reaktor , passivt filter
• Ansluten till DC -länk - bromschopper , bromsmotstånd
• Ansluten nedströms omformaren - utgångsreaktor, sinusvågfilter, dV/dt -filter.

Operatörsgränssnitt

Operatörsgränssnittet tillhandahåller ett sätt för en operatör att starta och stoppa motorn och justera driftshastigheten. VFD kan också styras av en programmerbar logisk styrenhet via Modbus eller ett annat liknande gränssnitt. Ytterligare operatörskontrollfunktioner kan innefatta backning och växling mellan manuell hastighetsjustering och automatisk styrning från en extern processstyrsignal . Operatörsgränssnittet innehåller ofta en alfanumerisk display eller indikatorlampor och mätare för att ge information om hur enheten fungerar. En knappsats och displayenhet för operatörsgränssnitt finns ofta på framsidan av VFD -styrenheten som visas på fotot ovan. Knappsatsdisplayen kan ofta kabelanslutas och monteras en kort bit från VFD-styrenheten. De flesta är också försedda med in- och utgångar (I/O) för anslutning av tryckknappar, omkopplare och andra operatörsgränssnittsenheter eller styrsignaler. En seriell kommunikationsport är också ofta tillgängliga för att VFD som skall konfigureras, justeras, övervakas och styrs med hjälp av en dator.

Hastighets kontroll

Det finns två huvudsakliga sätt att kontrollera hastigheten på en VFD; nätverksanslutna eller fastkopplade. Nätverk innebär att överföra den avsedda hastigheten över ett kommunikationsprotokoll som Modbus , Modbus / TCP , EtherNet / IP , eller via en knappsats med Display Serial Interface medan hårdkopplad innebär ett rent elektriskt kommunikationsmedel. Typiska medel för trådbunden kommunikation är: 4-20mA , 0-10VDC eller att använda den interna 24VDC-strömförsörjningen med en potentiometer . Hastigheten kan också fjärrstyras och lokalt. Fjärrkontrollen instruerar VFD att ignorera hastighetskommandon från knappsatsen medan lokal kontroll instruerar VFD att ignorera extern kontroll och bara följa knappsatsen. På vissa enheter används samma stift för både 0-10VDC och 4-20mA och väljs via en

Programmering av en VFD

Beroende på modell kan en VFD: s driftsparametrar programmeras via: dedikerad programmeringsprogramvara, intern knappsats, extern knappsats eller SD -kort. VFD blockerar ofta de flesta programmeringsändringar under körning. Typiska parametrar som måste ställas in är: motorns typskyltinformation, hastighetskälla, på/av -styrkälla och bromsstyrning. Det är också vanligt att VFD: er tillhandahåller felsökningsinformation såsom felkoder och tillstånd för insignalerna.

Start och mjukvarubeteende

De flesta VFD: er tillåter automatisk start. Vilken driver 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 låg logik). Ett populärt sätt att styra en VFD är att aktivera autostart och placera L1, L2 och L3 i en kontaktor. Genom att slå på kontaktorn slås alltså enheten på och den matas ut till en bestämd hastighet. Beroende på enhetens sofistikering kan flera autostartbeteenden utvecklas, t.ex. går enheten automatiskt igång vid uppstart men startar inte automatiskt från att rensa ett nödstopp förrän en återställning har cyklats.

Drivning

Elektrisk motor hastighet-vridmoment diagram

Med hänvisning till det medföljande diagrammet kan drivapplikationer kategoriseras som enkelkvadrant, tvåkvadrant eller fyrkvadrant; diagrammets fyra kvadranter definieras enligt följande:

• Kvadrant I - Körning eller motorisering, framåtgående acceleration med kvadrat med positiv hastighet och vridmoment
• Quadrant II - Generera eller bromsning, framåt braking- bromsar kvadrant med positiv hastighet och negativt vridmoment
• Kvadrant III - Körning eller motor, omvänd accelerationskvadrant med negativ hastighet och vridmoment
• Kvadrant IV - Generering eller bromsning, bakbromsningsbromsande kvadrant med negativ hastighet och positivt vridmoment.

De flesta applikationer innefattar enkelkvadrantbelastningar som arbetar i kvadrant I, såsom variabelt vridmoment (t.ex. centrifugalpumpar eller fläktar) och vissa konstantmoment (t.ex. extruder).

Vissa applikationer innefattar tvåkvadrantbelastningar som arbetar i kvadrant I och II där varvtalet är positivt men vridmomentet ändrar polaritet som vid en fläkt som retarderar snabbare än naturliga mekaniska förluster. Vissa källor definierar tvåkvadrantdrivningar som belastningar som arbetar i kvadranterna I och III där hastigheten och vridmomentet är samma (positiva eller negativa) polaritet i båda riktningarna.

Vissa högpresterande applikationer involverar fyrkvadrantbelastningar (Kvadranter I till IV) där hastigheten och vridmomentet kan vara i vilken riktning som helst, till exempel i hissar, hissar och kuperade transportörer. Regenerering kan endast ske i frekvensomriktarens DC-länkbuss när växelriktarens spänning är mindre än motorns bakre- EMF och inverterspänning och bak-EMF är samma polaritet.

Vid start av en motor tillämpar en VFD initialt en lågfrekvens och spänning, och undviker därmed hög startström i samband med direktstart . Efter starten av VFD ökas den applicerade frekvensen och spänningen med en kontrollerad hastighet eller ökas 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 ge ett konstant 150% startmoment från stillastående upp till full hastighet. Motorkylningen försämras dock och kan resultera i överhettning när hastigheten minskar så att långvarig låghastighetsdrift med betydande vridmoment vanligtvis inte är möjlig utan separat motoriserad fläktventilation.

Med en VFD är stoppsekvensen precis motsatsen till startsekvensen. Frekvensen och spänningen som appliceras på motorn sänks med en kontrollerad hastighet. När frekvensen närmar sig noll stängs motorn av. Ett litet bromsmoment finns tillgängligt för att bromsa lasten lite snabbare än det skulle stoppa om motorn helt enkelt stängdes av och fick köra. 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 omvänd vridmoment och injicera energin tillbaka till AC-ledningen.

Fördelar

Energi sparande

VVVF används på tåget i Guangzhou tunnelbana

Många motorbelastningsapplikationer med fast hastighet som levereras direkt från nätström kan spara energi när de drivs med variabel hastighet med hjälp av VFD. Sådana energikostnadsbesparingar är särskilt uttalade i centrifugalfläktar och pumpapplikationer med variabelt vridmoment, där lastens vridmoment och effekt varierar med kvadratets respektive kubens hastighet. Denna förändring ger en stor effektreduktion jämfört med fastvarvad drift för en relativt liten hastighetsminskning. Till exempel, vid 63% hastighet förbrukar en motorbelastning endast 25% av dess fullhastighetseffekt. Denna minskning överensstämmer med affinitetslagar som definierar förhållandet mellan olika centrifugala belastningsvariabler.

I USA används uppskattningsvis 60-65% av den elektriska energin för att leverera motorer, varav 75% är fläktar, pumpar och kompressorbelastningar med variabelt vridmoment. Arton procent av energin som används i de 40 miljoner motorerna i USA kan sparas genom effektiv energiförbättringsteknik som t.ex. VFD.

Endast cirka 3% av den totala installerade basen av växelströmsmotorer är försedda med växelström. Det uppskattas dock att drivteknik används i så många som 30-40% av alla nyinstallerade motorer.

En energiförbrukning fördelning av den globala befolkningen av växelströmsmotorinstallationer är som visas i följande tabell:

Kontrollera prestanda

AC -drivenheter används för att åstadkomma process- och kvalitetsförbättringar i industriella och kommersiella applikationer acceleration, flöde, övervakning, tryck, hastighet, temperatur, spänning och vridmoment.

Lastar med fast hastighet utsätter motorn för ett högt startmoment och för strömöverskott som är upp till åtta gånger fullastströmmen. AC -drivenheter ökar istället motorn gradvis upp till driftshastighet för att minska mekanisk och elektrisk spänning, minska underhålls- och reparationskostnader och förlänga livslängden för motorn och den drivna utrustningen.

Frekvensomriktare kan också köra en motor i specialiserade mönster för att ytterligare minimera mekanisk och elektrisk spänning. Till exempel kan ett S-kurvmönster appliceras på en transportörsapplikation för mjukare retardation och accelerationskontroll, vilket minskar den motreaktion som kan uppstå när en transportör accelererar eller retarderar.

Prestandafaktorer som tenderar att gynna användningen av likströmsenheter 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 farligt område. Följande tabell jämför AC- och DC -enheter enligt vissa nyckelparametrar:

^ Högfrekvent injektion

VFD -typer och betyg

Generiska topologier

Topologi för VSI -enhet

Topologi för CSI -enhet

Sexstegs drivvågformer

Topologi för direktmatrisomvandlare

AC -enheter kan klassificeras enligt följande generiska topologier:

• Spänningsstyv växelriktare (VSI) driv topologier (se bild): I en VSI-enhet, DC-utsignalen från diod -bridge riktar lagrar energi i kondensatorn bussen att leverera styv spänningsingång till inverteraren. De allra flesta enheterna är av VSI -typ med PWM -spänningsutgång.
• Strömkällsomvandlare (CSI) drivningstopologier (se bild): I en CSI-enhet lagrar DC-utgången från SCR- bryggomvandlaren energi i serie- Induktoranslutning för att leverera styv strömingång till växelriktaren. CSI-enheter kan drivas med antingen PWM eller sexstegs vågformsutgång.
• Sexstegs inverter-drivningstopologier (se bild): Nu i stort sett föråldrade, sexstegs-enheter kan vara antingen VSI- eller CSI-typ och kallas också variabla spänningsomriktare, pulsamplitudmodulering (PAM), fyrkantvåg frekvensomriktare eller likriktare . I en sexstegs enhet utjämnas DC-utgången från SCR-bryggomvandlaren via kondensatorbuss och serie-reaktoranslutning för matning via Darlington Pair eller IGBT- inverter kvasi-sinusformad, sexstegsspänning eller strömingång till en induktionsmotor.
• Loadkommuterade inverter (LCI) drivningstopologier : I en LCI-enhet (ett speciellt CSI-fall) lagrar DC-utgången från SCR-bryggomvandlaren energi via DC-länkinduktorkrets för att leverera stel kvasi-sinusformad sexstegs strömutgång på en sekund SCR-bros växelriktare och en överspänd synkronmaskin.
• Cyklokonverterare eller matrisomvandlare (MC) topologier (se bild): Cyklokonverterare och MC är AC-AC-omvandlare som inte har någon mellanliggande DC-länk för energilagring. En cyklokonverter fungerar som en trefasströmkälla via tre antiparallellkopplade SCR-bryggor i sexpulskonfiguration, varvid varje cyklokonverterfas verkar selektivt för att omvandla växelströmsspänning med fast linje till en växelspänning vid en variabel belastningsfrekvens. MC-enheter är IGBT-baserade.
• Dubbelmatade slipåtervinningssystemets topologier : Ett dubbelmatat slipåtervinningssystem matar ut korrigerad glideffekt till en utjämningsreaktor för att leverera ström till AC -nätet via en växelriktare, varvid motorns hastighet styrs genom att justera likströmmen.

Kontrollplattformar

De flesta enheter använder en eller flera av följande kontrollplattformar:

• PWM V / Hz skalär kontroll
• PWM -fältorienterad kontroll (FOC) eller vektorkontroll
• Direkt vridmomentkontroll (DTC).

Lastmoment och effektegenskaper

Frekvensomriktare är också kategoriserade efter följande lastmoment och effektegenskaper:

• Variabelt vridmoment, t.ex. i applikationer för centrifugalfläkt, pump och fläkt
• Konstant vridmoment, till exempel i transportband och pumpar med positiv förskjutning
• Konstant kraft, till exempel i verktygsmaskiner och dragapplikationer.

Tillgängliga effektvärden

VFD: er finns med spännings- och strömvärden som täcker ett brett spektrum av enfasiga och flerfasiga AC-motorer. Lågspännings (LV) enheter är konstruerade för att fungera vid utspänningar som är lika med eller mindre än 690 V. Medan motorapplikation LV-drivenheter är tillgängliga i klassificeringar upp till 5 eller 6 MW, gynnar ekonomiska överväganden vanligtvis medelspänning (MV) -enheter med mycket lägre effektvärden. Olika MV-drivningstopologier (se tabell 2) är konfigurerade i enlighet med de spännings-/strömkombinationsklassificeringar som används i olika drivenheters omkopplingsanordningar så att en given spänningsgrad är större än eller lika med en till följande standard nominella motorspänningsvärden : i allmänhet antingen 2+3 ⁄ 4 .16 kV (60 Hz) eller 3+3 / 6, 6 kV (50 Hz), med en tyristortillverkare som är upp till 12 kV omkopplare. I vissa applikationer en step-up transformator placeras mellan en LV-enhet och en MV motorbelastning. MV -drivenheter är vanligtvis klassade för motorapplikationer som är större än mellan cirka 375 och 750 kW (503 och 1 006 hk). MV -enheter har historiskt sett krävt betydligt mer applikationsdesign än vad som krävs för LV -drivenheter. Effektnivån för MV -enheter kan nå 100 MW (130 000 hk), en rad olika drivningstopologier är involverade för olika krav på betyg, prestanda, effektkvalitet och tillförlitlighet.

Körs av maskiner och detaljerade topologier

Det är slutligen användbart att relatera VFD 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-omvandlare topologier som visas i tabellerna 2 och 3 nedan.

Ansökningsöverväganden

AC -linje övertoner

Anmärkning om förtydligande :.

Även om övertoner i PWM-utgången enkelt kan filtreras av bärarfrekvensrelaterat filterinduktans för att mata nästan sinusformade strömmar till motorbelastningen, omvandlar VFD: s diodbrygglikriktare växelströmsspänning till likspänningsutgång genom superimponerande icke-linjär halvfasströmpulser skapar därmed harmonisk strömförvrängning, och därmed spänningsförvrängning, av AC-ledningsingången. När VFD -belastningarna är relativt små i jämförelse med det stora, styva kraftsystemet som finns tillgängligt från elföretaget kan effekterna av VFD -harmonisk distorsion av AC -nätet ofta ligga inom acceptabla gränser. Vidare, i lågspänningsnät, avbryts övertoner som orsakas av enfasutrustning som datorer och TV-apparater delvis av trefasdiodbryggor eftersom deras femte och sjunde övertoner är i motfas. Men när andelen VFD och annan icke-linjär belastning jämfört med totalbelastning eller icke-linjär belastning jämfört med styvheten vid växelströmsförsörjningen, eller båda, är relativt stor nog, kan belastningen ha en negativ inverkan på AC -effektvågform tillgänglig för andra elföretagskunder i samma nät.

När kraftbolagets spänning blir förvrängd på grund av övertoner ökar förlusterna i andra laster, t.ex. normala växelströmsmotorer med fast hastighet. Detta tillstånd kan leda till överhettning och kortare livslängd. Dessutom påverkas transformatorstationer och kompensationskondensatorer negativt. I synnerhet kan kondensatorer orsaka resonansförhållanden som oacceptabelt kan förstora harmoniska nivåer. För att begränsa spänningsförvrängningen kan ägare av VFD -belastning behöva installera filtreringsutrustning för att minska harmonisk distorsion under acceptabla gränser. Alternativt kan verktyget anta en lösning genom att installera sin egen filtreringsutrustning på transformatorstationer som påverkas av den stora mängden VFD -utrustning som används. I högeffektsanläggningar kan harmonisk distorsion minskas genom att leverera flerpulslikriktarbro-VFD: er från transformatorer med flera fasskiftade lindningar.

Det är också möjligt att ersätta standarddiodbrygglikriktaren med en dubbelriktad IGBT-brytare som speglar standardomformaren som använder IGBT-omkopplingsenhetens utgång till motorn. Sådana likriktare refereras till av olika beteckningar, inklusive aktiv inmatningsomvandlare (AIC), aktiv likriktare , IGBT-försörjningsenhet (ISU), aktiv frontend (AFE) eller fyrkvadrantdrift. Med PWM -styrning och en lämplig ingångsreaktor kan en AFE: s AC -ledningsvågform vara nästan sinusformad. AFE regenererar i sig energi i fyrkvadrantläge från likströmssidan till nätnätet. Således behövs inget bromsmotstånd och drivningens effektivitet förbättras om drivenheten ofta krävs för att bromsa motorn.

Två andra harmoniska lindringstekniker utnyttjar användning av passiva eller aktiva filter anslutna till en gemensam buss med minst en VFD -grenlast på bussen. Passiva filter innefattar utformningen av en eller flera lågpass- LC-filterfällor, varvid varje fälla ställs in efter behov till en harmonisk frekvens (5: e, 7: e, 11: e, 13: e, ... kq +/- 1, där k = heltal, q = pulsantal omvandlare).

Det är mycket vanligt för kraftföretag eller deras kunder att införa harmoniska distorsionsgränser baserade på IEC- eller IEEE -standarder. Exempelvis begränsar IEEE Standard 519 vid kundens anslutningspunkt att den maximala individuella frekvensspänningsharmoniken inte ska vara mer än 3% av den grundläggande och kräver att spänningen total harmonisk distorsion (THD) inte ska vara mer än 5% för en allmänt växelströmssystem.

Kopplingsfrekvens nedfällning

En enhet använder en standardomkopplingsfrekvensinställning på 4 kHz. Att minska frekvensomriktarens omkopplingsfrekvens (bärfrekvensen) minskar värmen som genereras av IGBT: erna .

En bärfrekvens på minst tio gånger den önskade utgångsfrekvensen används för att fastställa PWM -omkopplingsintervallen. En bärfrekvens i intervallet 2000 till 16 000 Hz är vanlig för LV [lågspänning, under 600 volt AC] VFD. En högre bärvågsfrekvens ger en bättre approximation av sinusvåg men medför högre omkopplingsförluster i IGBT, vilket minskar den totala effektomvandlingseffektiviteten.

Bullerutjämning

Vissa enheter har en brusutjämningsfunktion som kan slås på för att introducera en slumpmässig variation till omkopplingsfrekvensen. Detta fördelar det akustiska bruset över ett frekvensområde för att sänka toppbrusintensiteten.

Long-lead effekter

Bärfrekvenspulsad utspänning för en PWM VFD orsakar snabba stigtider i dessa pulser, vars överföringslinjeeffekter måste beaktas. Eftersom överföringslinje impedans av kabeln och motorn är olika, pulser tenderar att reflektera tillbaka från motoranslutningarna in i kabeln. De resulterande reflektionerna kan ge överspänningar som är lika med dubbelt DC -busspänningen eller upp till 3,1 gånger märkspänningen för långa kabeldragningar, vilket påför kabel och motorlindningar hög belastning och eventuellt isoleringsfel. Isolationsstandarder för trefasmotorer som är märkta 230 V eller mindre skyddar tillräckligt mot sådana överspänningar med lång ledning. På 460 V eller 575 V system och växelriktare med 3: e generationens 0,1-mikrosekundhöjningstid IGBT är det maximala rekommenderade kabelavståndet mellan VFD och motor cirka 50 m eller 150 fot. För framväxande SiC MOSFET -drivenheter har betydande överspänningar observerats vid så korta kabellängder som 3 meter. Lösningar på överspänningar orsakade av långa ledlängder inkluderar minimering av kabellängd, sänkning av bärvågsfrekvens, installation av dV/dt-filter, användning av motorer med inverter-duty-nominella motorer (som är klassade 600 V för att klara pulståg med stigningstid mindre än eller lika med 0,1 mikrosekund , med 1600 V toppstorlek) och installation av LCR-lågpass-sinusvågfilter. Valet av optimal PWM-bärfrekvens för växelströmsdrivare innefattar balansering av buller, värme, motorisoleringsspänning, spänningsinducerad motorlagerskada i vanligt läge, smidig motordrift och andra faktorer. Ytterligare övertonsdämpning kan erhållas genom att använda ett LCR-lågpass-sinusvågfilter eller dV/dt-filter.

Motorlager

Bärfrekvenser över 5 kHz kommer sannolikt att orsaka lagerskador om inte skyddsåtgärder vidtas.

PWM-enheter är i sig associerade med högfrekventa common-mode spänningar och strömmar som kan orsaka problem med motorlager. När dessa högfrekventa spänningar hittar en väg till jorden genom ett lager, uppstår överföring av metall- eller elektrisk urladdningsbearbetning (EDM) gnistning mellan lagrets kul och lagrets löpning. Med tiden orsakar EDM-baserad gnistbildning erosion i lagerloppet som kan ses som ett flöjtmönster. I stora motorer, den strökapacitans av lindningarna ger vägar för högfrekventa strömmar som passerar genom motoraxeländarna, vilket leder till en cirkulerande typ av lager ström. Dålig jordning av motorstatorer kan leda till axel-till-jord lagerströmmar. Små motorer med dåligt jordad utrustning är mottagliga för högfrekventa lagerströmmar.

Förebyggande av högfrekventa lagerströmskador använder tre metoder: god kabeldragning och jordning, avbrott i lagerströmmar och filtrering eller dämpning av vanliga modeströmmar, till exempel genom mjuka magnetkärnor, de så kallade induktiva absorberna. God kabeldragning och jordning kan innefatta användning av skärmad, symmetrisk geometri-strömkabel för att försörja motorn, installation av axeljordborstar och konduktivt 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 magnetkärnor över de tre faserna vilket ger en högfrekvent impedans mot vanligt läge eller motorlager. Ett annat tillvägagångssätt är att använda istället för vanliga 2-nivå växelriktare, med antingen 3-nivå växelriktare eller matrisomvandlare.

Eftersom invertermatade motorkablarnas högfrekventa strömspikar kan störa andra kablar i anläggningar bör sådana invertermatade motorkablar inte bara vara avskärmade, symmetrisk-geometrisk design utan också ledas minst 50 cm från signalkablar .

Dynamisk bromsning

Vridmoment som genereras av drivenheten gör att induktionsmotorn körs med synkron hastighet minus halten. Om belastningen driver motorn snabbare än synkron hastighet fungerar motorn som en generator som omvandlar mekanisk kraft till elektrisk kraft. Denna effekt återförs till enhetens DC -länkelement (kondensator eller reaktor). En DC-länk-ansluten elektronisk strömbrytare eller bromsande DC-chopper styr avledningen av denna effekt som värme i en uppsättning motstånd. Kylfläktar kan användas för att förhindra överhettning av motstånd.

Dynamisk bromsning slösar bort bromsenergi genom att omvandla den till värme. Däremot återhämtar regenererande enheter bromsenergi genom att injicera denna energi i växelströmsledningen. Kapitalkostnaden för regenerativa enheter är dock relativt hög.

Regenerativa enheter

Linjeregenererande frekvensomriktare som visar kondensatorer (toppcylindrar) och induktorer anslutna, som filtrerar den regenererade effekten.

Förenklad drivschema för en populär EHV

Regenerativa växelströmsmotorer har kapacitet att återvinna bromsenergin för en last som rör sig snabbare än det angivna motorvarvtalet (en översynladdning ) och återför den till kraftsystemet.

Cyklokonverter-, Scherbius-, matrix-, CSI- och LCI-drivenheter tillåter i sig att återföra energi från lasten till ledningen, medan spänningskällomvandlare kräver en extra omvandlare för att återföra energi till matningen.

Regenerering är endast användbar i VFD: er där värdet av den återvunna energin är stort jämfört med extrakostnaden för ett regenereringssystem, och om systemet kräver frekvent bromsning och start. Regenerativa VFD: er används i stor utsträckning där hastighetskontroll av översynlaster krävs.

Några exempel:

• Transportband för tillverkning, som stannar varannan minut. Medan de är stoppade monteras de korrekt; när det är klart går bältet vidare.
• En kran där lyftmotorn stannar och backar ofta, och bromsning krävs för att bromsa lasten under sänkning.
• Plug-in och hybrid elbilar av alla typer (se bild och Hybrid Synergy Drive ).

Historiska system

Innan solid-state-enheter blev tillgängliga använde frekvensomriktare roterande maskiner och General Electric Company fick flera patent på dessa i början av 1900-talet. Ett exempel är US -patentet 0,949,320 från 1910 som säger: "En sådan generator hittar en användbar applikation för att tillföra ström till induktionsmotorer för att köra bilar, lok eller annan mekanism som ska drivas med variabla hastigheter". Ett annat är brittiskt patent 7061 från 1911 av Brown, Boveri & Cie ., Nu känt som ABB .

Se även

Anteckningar

Referenser