Kontrola VFD pozwala za pomocą specjalnego konwertera elastycznie zmieniać tryby pracy silnika elektrycznego: start, stop, przyspieszanie, hamowanie, zmiana prędkości obrotowej.
Zmiana częstotliwości napięcia zasilającego prowadzi do zmiany prędkości kątowej pola magnetycznego stojana. Gdy częstotliwość spada, prędkość silnika spada, a poślizg wzrasta.
Zasada działania przemiennika częstotliwości napędu
Główną wadą silników asynchronicznych jest złożoność sterowania prędkością w sposób tradycyjny: poprzez zmianę napięcia zasilania i wprowadzenie dodatkowych rezystancji w obwodzie uzwojenia. Bardziej doskonały jest napęd częstotliwościowy silnika elektrycznego. Do niedawna konwertery były drogie, ale pojawienie się tranzystorów IGBT i układów sterowania mikroprocesorowego umożliwiło zagranicznym producentom tworzenie niedrogich urządzeń. Bardzoidealne teraz są statyczne przetwornice częstotliwości.
Prędkość kątowa pola magnetycznego stojana ω0 zmienia się proporcjonalnie do częstotliwości ƒ1 zgodnie ze wzorem:
ω0=2π׃1/p, gdzie p jest liczbą par biegunów.
Ta metoda zapewnia płynną kontrolę prędkości. W takim przypadku prędkość ślizgu silnika nie wzrasta.
Aby uzyskać wysoką wydajność energetyczną silnika - sprawność, współczynnik mocy i przeciążalność, wraz z częstotliwością, zmień napięcie zasilania zgodnie z pewnymi zależnościami:
- stały moment obciążenia – U1/ ƒ1=const;
- znak wentylatora momentu obciążenia - U1/ ƒ12=const;
- Moment obciążenia odwrotnie proporcjonalny do prędkości - U1/√ ƒ1=const.
Te funkcje są realizowane przy użyciu konwertera, który jednocześnie zmienia częstotliwość i napięcie na stojanie silnika. Oszczędność energii elektrycznej następuje dzięki regulacji za pomocą niezbędnego parametru technologicznego: ciśnienia pompy, wydajności wentylatora, prędkości posuwu maszyny itp. W tym przypadku parametry zmieniają się płynnie.
Metody regulacji częstotliwości asynchronicznych i synchronicznych silników elektrycznych
W przemienniku częstotliwości opartym na silnikach asynchronicznych z wirnikiem klatkowym stosowane są dwie metody sterowania - skalarna i wektorowa. W pierwszym przypadku zmieniają się jednocześnieamplituda i częstotliwość napięcia zasilania.
Jest to konieczne do utrzymania wydajności silnika, najczęściej stałego stosunku jego maksymalnego momentu obrotowego do momentu oporu na wale. W rezultacie sprawność i współczynnik mocy pozostają niezmienione w całym zakresie obrotów.
Regulacja wektorowa polega na jednoczesnej zmianie amplitudy i fazy prądu na stojanie.
Przemiennik częstotliwości silnika synchronicznego pracuje tylko przy małych obciążeniach, których wzrost powyżej dopuszczalnych wartości może spowodować zerwanie synchronizacji.
Zalety przemiennika częstotliwości
Kontrola częstotliwości ma cały szereg zalet w porównaniu z innymi metodami.
- Automatyzacja silnika i procesów produkcyjnych.
- Miękki start, który eliminuje typowe błędy występujące podczas przyspieszania silnika. Poprawa niezawodności przemiennika częstotliwości i sprzętu poprzez zmniejszenie przeciążeń.
- Większa ogólna ekonomiczność i wydajność napędu.
- Tworzenie stałej prędkości silnika elektrycznego niezależnie od charakteru obciążenia, co jest ważne podczas stanów nieustalonych. Wykorzystanie sprzężenia zwrotnego umożliwia utrzymanie stałej prędkości silnika pod różnymi wpływami zakłócającymi, w szczególności przy zmiennych obciążeniach.
- Konwertery można łatwo zintegrować z istniejącymi systemami technicznymi bez znaczących zmian i zatrzymywania procesów technologicznych. Zakres mocy jest duży, ale wraz z ich wzrostemceny znacznie rosną.
- Możliwość rezygnacji z wariatorów, skrzyń biegów, przepustnic i innego sprzętu sterującego lub rozszerzenia zakresu ich zastosowania. Powoduje to znaczne oszczędności energii.
- Eliminacja szkodliwego wpływu stanów nieustalonych na urządzenia procesowe, takich jak uderzenia wodne lub zwiększone ciśnienie płynu w rurociągach, przy jednoczesnym zmniejszeniu jej zużycia w nocy.
Wady
Podobnie jak wszystkie falowniki, chastotniki są źródłem zakłóceń. Muszą zainstalować filtry.
Koszt marek jest wysoki. Zwiększa się znacznie wraz ze wzrostem mocy urządzeń.
Regulacja częstotliwości transportu płynów
W obiektach, w których pompowana jest woda i inne ciecze, sterowanie przepływem odbywa się głównie za pomocą zasuw i zaworów. Obecnie obiecującym kierunkiem jest zastosowanie przemiennika częstotliwości pompy lub wentylatora wprawiającego w ruch ich łopatki.
Zastosowanie przetwornicy częstotliwości jako alternatywy dla przepustnicy daje efekt oszczędności energii do 75%. Zawór powstrzymujący przepływ płynu nie wykonuje użytecznej pracy. Jednocześnie wzrastają straty energii i materii do jej transportu.
Przetwornica częstotliwości umożliwia utrzymanie stałego ciśnienia u odbiornika, gdy zmienia się przepływ płynu. Z czujnika ciśnienia wysyłany jest sygnał do napędu, który zmienia prędkość obrotową silnika i tym samym ją regulujeobrotów, utrzymując ustawiony przepływ.
Jednostki pompujące są sterowane poprzez zmianę ich wydajności. Pobór mocy pompy jest sześcienny w zależności od wydajności lub prędkości obrotowej koła. Jeśli prędkość zostanie zmniejszona 2 razy, wydajność pompy spadnie 8 razy. Obecność dziennego harmonogramu zużycia wody pozwala określić oszczędności energii w tym okresie, jeśli sterujesz przemiennikiem częstotliwości. Dzięki temu możliwa jest automatyzacja przepompowni i tym samym optymalizacja ciśnienia wody w sieciach.
Obsługa systemów wentylacji i klimatyzacji
Maksymalny przepływ powietrza w systemach wentylacyjnych nie zawsze jest potrzebny. Warunki pracy mogą wymagać obniżenia wydajności. Tradycyjnie do tego celu stosuje się dławienie, gdy prędkość koła pozostaje stała. Wygodniej jest zmieniać natężenie przepływu powietrza dzięki napędowi sterowanemu częstotliwością, gdy zmieniają się warunki sezonowe i klimatyczne, wydzielanie ciepła, wilgoci, oparów i szkodliwych gazów.
Oszczędności energii w systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych są nie mniejsze niż w przepompowniach, ponieważ pobór mocy przy obrotach wału jest uzależniony od sześciennych obrotów.
Przetwornica częstotliwości
Nowoczesna przetwornica częstotliwości jest zaaranżowana zgodnie ze schematem podwójnej przetwornicy. Składa się z prostownika i falownika impulsowego z układem sterowania.
Poprostując napięcie sieciowe, sygnał jest wygładzany przez filtr i podawany do falownika z sześcioma przełącznikami tranzystorowymi, gdzie każdy z nich jest podłączony do uzwojeń stojana asynchronicznego silnika elektrycznego. Urządzenie przetwarza wyprostowany sygnał na sygnał trójfazowy o wymaganej częstotliwości i amplitudzie. IGBT mocy na stopniach wyjściowych mają wysoką częstotliwość przełączania i zapewniają wyraźną, pozbawioną zniekształceń falę prostokątną. Ze względu na właściwości filtrujące uzwojeń silnika kształt krzywej prądu na ich wyjściu pozostaje sinusoidalny.
Metody kontroli amplitudy sygnału
Napięcie wyjściowe jest regulowane dwoma metodami:
- Amplituda - zmiana wartości napięcia.
- Modulacja szerokości impulsu to metoda przetwarzania sygnału impulsowego, w której zmienia się jego czas trwania, ale częstotliwość pozostaje niezmieniona. Tutaj moc zależy od szerokości impulsu.
Druga metoda stosowana jest najczęściej w związku z rozwojem technologii mikroprocesorowej. Nowoczesne falowniki są wykonane z wykorzystaniem tranzystorów wyłączających GTO lub IGBT.
Możliwości i zastosowanie konwerterów
Przemiennik częstotliwości ma wiele możliwości.
- Reguluj częstotliwość trójfazowego napięcia zasilania od zera do 400 Hz.
- Przyspieszenie lub spowolnienie silnika elektrycznego od 0,01 sek. do 50 min. zgodnie z danym prawem czasu (zwykle liniowym). Podczas przyspieszania możliwy jest nie tylko spadek, ale również wzrost do 150% momentu dynamicznego i rozruchowego.
- Odwracanie silnika przy podanych trybach hamowania i przyspieszania do żądanegoprędkość w przeciwnym kierunku.
- Inwertery wyposażone są w konfigurowalne zabezpieczenia elektroniczne przed zwarciami, przeciążeniami, upływem uziemienia i otwartymi liniami zasilania silnika.
- Cyfrowe wyświetlacze przekształtników wyświetlają dane dotyczące ich parametrów: częstotliwość, napięcie zasilania, prędkość, prąd itp.
- Charakterystyki U/f są dostrajane w przekształtnikach w zależności od wymaganego obciążenia silnika. Funkcje opartych na nich systemów sterowania realizują wbudowane sterowniki.
- W przypadku niskich częstotliwości ważne jest, aby używać sterowania wektorowego, które umożliwia pracę z pełnym momentem obrotowym silnika, utrzymywanie stałej prędkości przy zmianie obciążenia i kontrolowanie momentu obrotowego na wale. Przemiennik częstotliwości działa dobrze z prawidłowym wprowadzeniem danych paszportu silnika i po pomyślnych testach. Znane produkty HYUNDAI, Sanyu itp.
Obszary zastosowania konwerterów są następujące:
- pompy w instalacjach ciepłej i zimnej wody oraz zaopatrzenia w ciepło;
- pompy do gnojowicy, piasku i szlamu w koncentratorach;
- systemy transportu: przenośniki, stoły rolkowe i inne środki;
- miksery, młyny, kruszarki, wytłaczarki, dozowniki, podajniki;
- wirówki;
- windy;
- sprzęt metalurgiczny;
- sprzęt wiertniczy;
- napędy elektryczne obrabiarek;
- wyposażenie koparek i dźwigów, mechanizmy manipulatorów.
Producenci przetwornic częstotliwości, recenzje
Krajowy producent już zaczął produkować produkty odpowiednie dla użytkowników pod względem jakości i ceny. Zaletą jest możliwość szybkiego uzyskania odpowiedniego urządzenia, a także szczegółowe porady dotyczące konfiguracji.
Firma „Skuteczne systemy” produkuje produkty seryjne i pilotażowe partie sprzętu. Produkty są wykorzystywane do użytku domowego, w małym biznesie oraz w przemyśle. Producent Vesper produkuje siedem serii przetworników, wśród których znajdują się przetworniki wielofunkcyjne pasujące do większości mechanizmów przemysłowych.
Duńska firma Danfoss jest liderem w produkcji chastotnikova. Jej produkty znajdują zastosowanie w systemach wentylacyjnych, klimatyzacyjnych, wodociągowych i grzewczych. Fińska firma Vacon, będąca częścią duńskiej firmy, produkuje konstrukcje modułowe, z których można zmontować niezbędne urządzenia bez zbędnych części, co pozwala zaoszczędzić na komponentach. Znane są również przekształtniki międzynarodowego koncernu ABB, wykorzystywane w przemyśle i życiu codziennym.
Sądząc po opiniach, tanie domowe konwertery mogą być używane do rozwiązywania prostych typowych problemów, podczas gdy te złożone wymagają marki o znacznie większej liczbie ustawień.
Wniosek
Przetwornica częstotliwości steruje silnikiem elektrycznym poprzez zmianę częstotliwości i amplitudy napięcia zasilającego, jednocześnie chroniąc go przed awariami: przeciążeniami, zwarciami, przerwami w sieci zasilającej. Takie siłowniki elektryczne spełniają trzy główne funkcje,związane z przyspieszaniem, zwalnianiem i prędkością silnika. Poprawia to wydajność sprzętu w wielu obszarach technologii.
