Frekvensomformer - Variable-frequency drive

Liten frekvensomformer

Chassis på over VFD (deksel fjernet)

En variabel frekvensdrift ( VFD ) eller justerbar frekvensregulering ( AFD ), variabel spenning / variabel frekvens ( Frequency ) stasjon , variabel hastighetsdrivinnretning ( VSD ), frekvensomformer , mikro-stasjonen eller frekvensomformer er en form for motordrift brukes i elektromekaniske drivsystemer for å kontrollere AC motor hastigheten og dreiemomentet ved å variere motorens inngangs frekvens og spenning .

VFD -er brukes i applikasjoner som spenner fra små apparater til store kompressorer. Omtrent 25% av verdens elektriske energi forbrukes av elektriske motorer i industrielle applikasjoner. Systemer som bruker VFD kan være mer effektive enn de som bruker strupekontroll av væskestrøm, for eksempel i systemer med pumper og spjeldkontroll for vifter. Imidlertid er den globale markedspenetrasjonen for alle applikasjoner av VFD -er relativt liten.

I løpet av de siste fire tiårene har kraftelektronikk -teknologi redusert VFD -kostnader og -størrelse og forbedret ytelsen gjennom fremskritt innen halvlederbryterutstyr, drevtopologier, simulering og kontrollteknikker og kontroll av maskinvare og programvare.

VFDer er laget i en rekke forskjellige lav- og mellomspenning AC-AC og DC-AC topologier.

Systembeskrivelse og drift

VFD -system

En variabel frekvensdrift er en innretning som brukes i et drivsystem som består av de følgende tre hovedundersystemer: AC-motor, hoveddrivstyreenheten sammenstillingen, og driv / operatør-grensesnitt.

AC motor

AC-motoren som brukes i et VFD-system er vanligvis en trefaset induksjonsmotor . Noen typer enfasede motorer eller synkronmotorer kan være fordelaktige i noen situasjoner, men generelt er trefasede induksjonsmotorer å foretrekke som de mest økonomiske. Motorer som er designet for drift med fast hastighet brukes ofte. Forhøyede spenninger påført på induksjonsmotorer som leveres av VFD, krever at slike motorer er konstruert for definert formål invertermatet drift i samsvar med kravene som del 31 i NEMA Standard MG-1.

Kontroller

VFD-kontrolleren er et solid state -kraftelektronikkonverteringssystem som består av tre forskjellige undersystemer: en likeretterbroomformer , en likestrømslink (DC) og en omformer. Spenningskilde- inverter (VSI) stasjoner (se underavsnittet 'Generiske topologier' nedenfor) er den desidert vanligste typen stasjoner. De fleste stasjoner er AC-AC- stasjoner ved at de konverterer AC-inngang til AC-vekselretterutgang. I noen applikasjoner, for eksempel vanlige DC-busser eller solcelleprogrammer , er stasjoner imidlertid konfigurert som DC-AC-stasjoner. Den mest grunnleggende likeretteren omformer for VSI-stasjonen er konfigurert som et tre-fase, seks-puls, helbølge diodebro . I en VSI stasjon, mellomkretsen består av en kondensator som jevner ut omformerens likestrømsutgangen krusning og gir en stiv inngang til omformeren. Dette filtrerte likespenning blir omformet til kvasi- sinusformet vekselspenningsutgang ved hjelp av vekselretterens aktive svitsje-elementer. VSI-stasjoner gir høyere effektfaktor og lavere harmonisk forvrengning enn fasestyrt strømkildeomformer (CSI) og lastkommutert inverter (LCI) -drev (se underavsnittet 'Generiske topologier' nedenfor). Frekvensomformeren kan også konfigureres som en fasekonverter med enfaset omformerinngang og trefaset inverterutgang.

Kontrollerens fremskritt har utnyttet dramatiske økninger i spennings- og strømverdier og byttefrekvens for solid-state-enheter de siste seks tiårene. Bipolar transistor (IGBT) , som ble introdusert i 1983, har de siste to tiårene kommet til å dominere VFD-er som en vekselretterbryter.

I applikasjoner med variabelt dreiemoment som er egnet for Volts-per-Hertz (V/Hz) drivstyring, krever vekselstrømsmotorkarakteristikker at spenningsstørrelsen til omformerens utgang til motoren justeres for å matche det nødvendige lastmomentet i et lineært V/Hz-forhold . For eksempel, for 460 V, 60 Hz motorer, er dette lineære V/Hz forholdet 460/60 = 7,67 V/Hz. Selv om den er egnet i omfattende applikasjoner, er V/Hz-kontroll suboptimal i applikasjoner med høy ytelse som krever lav hastighet eller krevende, dynamisk hastighetsregulering, posisjonering og reversering av lastkrav. Noen V/Hz-kontrollstasjoner kan også fungere i kvadratisk V/Hz-modus eller kan til og med programmeres for å passe til spesielle flerpunkts V/Hz-baner.

De to andre stasjonskontrollplattformene, vektorkontroll og direkte dreiemomentkontroll (DTC), justerer motorspenningens størrelse, vinkel fra referanse og frekvens for å nøyaktig kontrollere motorens magnetiske flux og mekaniske dreiemoment.

Selv om plass vektor pulsbreddemodulasjon (SVPWM) blir stadig mer populært, sinusformet PWM (SPWM) er den enkleste metoden som brukes for å variere stasjoner motor spenning (eller strøm) og frekvens. Med SPWM-kontroll (se fig. 1), er kvasi-sinusformet utgang med variabel pulsbredde konstruert fra kryssene mellom et sagtannet bæresignal med et modulerende sinusformet signal som er variabelt både i driftsfrekvens og spenning (eller strøm) ).

Drift av motorene over nominell tavlehastighet (grunnhastighet) er mulig, men er begrenset til forhold som ikke krever mer effekt enn motorens typeskilt. Dette kalles noen ganger "svekkelse i feltet", og for vekselstrømsmotorer betyr det å operere med mindre enn nominell V/Hz og over nominell tavlehastighet. Permanente magnet synkronmotorer har ganske begrenset felt-svekkende hastighetsområde på grunn av den konstante magnetfluksforbindelsen . Sårrotor-synkronmotorer og induksjonsmotorer har mye større hastighetsområde. For eksempel vil en 100 HK, 460 V, 60 Hz, 1775  o/min (4-polet) induksjonsmotor levert med 460 V, 75 Hz (6.134 V/Hz), være begrenset til 60/75 = 80% dreiemoment ved 125% hastighet (2218,75 o / min) = 100% effekt. Ved høyere hastigheter må induksjonsmotormomentet begrenses ytterligere på grunn av senking av motorens utbrytningsmoment. Dermed kan nominell effekt vanligvis bare produseres opptil 130-150% av den nominelle hastigheten på typeskiltet. Sårrotor-synkronmotorer kan kjøres med enda høyere turtall. I valsemaskiner brukes ofte 200-300% av grunnhastigheten. Rotorens mekaniske styrke begrenser motorens maksimale hastighet.

Fig. 1: SPWM bærer-sinus inngang og 2-nivå PWM utgang

En innebygd mikroprosessor styrer den generelle driften av VFD -kontrolleren. Grunnleggende programmering av mikroprosessoren er tilgjengelig som bruker-utilgjengelig fastvare . Brukerprogrammering av display- , variabel- og funksjonsblokkparametere er gitt for å kontrollere, beskytte og overvåke VFD, motor og drevet utstyr.

Den grunnleggende stasjonskontrolleren kan konfigureres til å selektivt inkludere slike valgfrie strømkomponenter og tilbehør som følger:

• Tilkoblet oppstrøms fra omformer - effektbryter eller sikringer , isolasjon kontaktor , EMC filter, linje reaktor , passivt filter
• Koblet til Krets - bremse chopper , bremsemotstand
• Koblet nedstrøms omformeren - utgangsreaktor, sinusbølgefilter, dV/dt -filter.

Operatørgrensesnitt

Operatørgrensesnittet gir en operatør et middel til å starte og stoppe motoren og justere driftshastigheten. VFD kan også styres av en programmerbar logisk kontroller via Modbus eller et annet lignende grensesnitt. Ytterligere operatørkontrollfunksjoner kan omfatte reversering og bytte mellom manuell hastighetsjustering og automatisk kontroll fra et eksternt prosesskontrollsignal . Operatørgrensesnittet inneholder ofte et alfanumerisk display eller indikatorlamper og målere for å gi informasjon om driften av stasjonen. Et tastatur og displayenhet for operatørgrensesnitt er ofte tilgjengelig på forsiden av VFD -kontrolleren som vist på bildet ovenfor. Tastaturdisplayet kan ofte være kabeltilkoblet og montert et lite stykke fra VFD-kontrolleren. De fleste er også utstyrt med inngangs- og utgangsterminaler (I/O) for tilkobling av trykknapper, brytere og andre operatørgrensesnittenheter eller kontrollsignaler. En seriell kommunikasjon port er også ofte tilgjengelig for å tillate at VFD som skal konfigureres, justeres, overvåkes og styres ved hjelp av en datamaskin.

Fartskontroll

Det er to hovedmåter for å kontrollere hastigheten på en VFD; nettverk eller fastkoblet. Nettverk innebærer å overføre den tiltenkte hastigheten over en kommunikasjonsprotokoll som Modbus , Modbus / TCP , EtherNet / IP , eller via et tastatur ved hjelp av Display Serial Interface mens hardwired innebærer et rent elektrisk kommunikasjonsmiddel. Typiske kommunikasjonsmidler er: 4-20mA , 0-10VDC, eller bruk av den interne 24VDC strømforsyningen med et potensiometer . Hastigheten kan også fjernstyres og lokalt. Fjernkontroll instruerer VFD om å ignorere hastighetskommandoer fra tastaturet mens lokal kontroll instruerer VFD om å ignorere ekstern kontroll og bare følge tastaturet. På noen stasjoner brukes de samme pinnene for både 0-10VDC og 4-20mA og velges via en

Programmering av en VFD

Avhengig av modellen kan en VFDs driftsparametere programmeres via: dedikert programmeringsprogramvare, internt tastatur, eksternt tastatur eller SD -kort. VFD -er blokkerer ofte de fleste programmeringsendringene mens de kjører. Typiske parametere som må angis inkluderer: informasjon om motorskilt, hastighetskilde, på/av -kontrollkilde og bremsekontroll. Det er også vanlig at VFDer gir feilsøkingsinformasjon som feilkoder og tilstandene til inngangssignalene.

Start og programvareoppførsel

De fleste VFD-er tillater automatisk start. Som driver utgangen til en angitt frekvens etter en strømsyklus, eller etter at en feil er utbedret, eller etter at nødstoppsignalet er gjenopprettet (vanligvis er nødstopp aktiv lav logikk). En populær måte å kontrollere en VFD på er å aktivere automatisk start og plassere L1, L2 og L3 i en kontaktor. Når du slår på kontaktoren, slås dermed stasjonen på og får den til å angi en bestemt hastighet. Avhengig av raffinementet i stasjonen kan flere auto-start-oppførsel utvikles, f.eks. Starter stasjonen automatisk ved oppstart, men starter ikke automatisk fra å fjerne et nødstopp før en tilbakestilling har blitt syklet.

Kjøring

Elektrisk motor hastighet-dreiemoment diagram

Med henvisning til det medfølgende diagrammet, kan stasjonsapplikasjoner kategoriseres som enkeltkvadrant, tokvadrant eller firkvadrant; diagrammets fire kvadranter er definert som følger:

• Kvadrant I - Kjøring eller bilkjøring, fremadgående akselererende kvadrant med positiv hastighet og dreiemoment
• Kvadrant II - Generering eller bremsing fremover braking- bremsende kvadrant med positiv og negativ hastighet moment
• Quadrant III - Kjøring eller bilkjøring, omvendt akselererende kvadrant med negativ hastighet og dreiemoment
• Kvadrant IV - Generering eller bremsing, reverserende bremsende bremsende kvadrant med negativ hastighet og positivt dreiemoment.

De fleste applikasjoner involverer enkeltkvadrantbelastninger som opererer i kvadrant I, for eksempel i variabelt dreiemoment (f.eks. Sentrifugalpumper eller vifter) og visse konstantmomenter (f.eks. Ekstrudere).

Enkelte applikasjoner innebærer tokvadrantbelastninger som opererer i kvadrant I og II hvor hastigheten er positiv, men dreiemomentet endrer polaritet som i tilfelle en vifte bremser raskere enn naturlige mekaniske tap. Noen kilder definerer to-kvadrant-stasjoner som belastninger som opererer i kvadranter I og III hvor hastigheten og dreiemomentet er den samme (positive eller negative) polariteten i begge retninger.

Enkelte applikasjoner med høy ytelse innebærer firekvadrantbelastninger (Kvadranter I til IV) hvor hastigheten og dreiemomentet kan være i alle retninger, for eksempel i taljer, heiser og kupertransportører. Regenerering kan forekomme bare i frekvensomformerens mellomkrets bussen når vekselretterspenningen er mindre i størrelse enn den motor bak- EMF og vekselretterspenningen og tilbake-EMF er de samme polaritet.

Når en motor startes, bruker en VFD i utgangspunktet en lav frekvens og spenning, og unngår dermed høy startstrøm forbundet med direkte-på-start . Etter starten av VFD økes den påførte frekvensen og spenningen med en kontrollert hastighet eller økes for å akselerere belastningen. Denne startmetoden tillater vanligvis en motor å utvikle 150% av sitt nominelle dreiemoment mens VFD trekker mindre enn 50% av sin nominelle strøm fra strømnettet i lavhastighetsområdet. En VFD kan justeres for å gi et jevnt 150% startmoment fra stillstand helt opp til full hastighet. Motorkjøling forringes imidlertid og kan resultere i overoppheting ettersom hastigheten synker slik at langvarig lavhastighetsdrift med betydelig dreiemoment vanligvis ikke er mulig uten separat motorisert vifteventilasjon.

Med en VFD er stoppsekvensen akkurat det motsatte som startsekvensen. Frekvensen og spenningen som påføres motoren, reduseres med en kontrollert hastighet. Når frekvensen nærmer seg null, blir motoren slått av. En liten mengde bremsemoment er tilgjengelig for å bremse lasten litt raskere enn den ville stoppe hvis motoren bare ble slått av og fikk kjøre. Ytterligere bremsemoment kan oppnås ved å legge til en bremsekrets (motstand styrt av en transistor) for å spre bremseenergien. Med en firkvadrant likeretter (aktiv front-end), er VFD i stand til å bremse lasten ved å bruke et omvendt dreiemoment og injisere energien tilbake til AC-ledningen.

fordeler

Energibesparelser

VVVF brukt på toget til Guangzhou metro

Mange motorbelastningsapplikasjoner med fast hastighet som leveres direkte fra vekselstrøm, kan spare energi når de drives med variabel hastighet ved hjelp av VFD. Slike energikostnadsbesparelser er spesielt uttalt i applikasjoner med sentrifugalvifte og pumpe med variabelt dreiemoment, der lastens dreiemoment og effekt varierer med henholdsvis kvadratet og terningen av hastigheten. Denne endringen gir en stor effektreduksjon sammenlignet med drift med fast hastighet for en relativt liten hastighetsreduksjon. For eksempel bruker en motorbelastning ved 63% turtall bare 25% av fullhastigheten. Denne reduksjonen er i samsvar med affinitetslover som definerer forholdet mellom forskjellige sentrifugale lastvariabler.

I USA brukes anslagsvis 60-65% av elektrisk energi til å levere motorer, hvorav 75% er vifte, pumpe og kompressorbelastninger med variabelt dreiemoment. Atten prosent av energien som brukes i de 40 millioner motorene i USA kan spares med effektive energiforbedringsteknologier som VFD -er.

Bare omtrent 3% av den totale installerte basen for vekselstrømsmotorer er utstyrt med vekselstrømstasjoner. Det er imidlertid anslått at drivteknologi brukes i så mange som 30-40% av alle nyinstallerte motorer.

En energiforbruksfordeling av den globale befolkningen av AC -motorinstallasjoner er som vist i tabellen nedenfor:

Kontroller ytelsen

AC -stasjoner brukes til å skape prosess- og kvalitetsforbedringer i industrielle og kommersielle applikasjoners akselerasjon, flyt, overvåking, trykk, hastighet, temperatur, spenning og dreiemoment.

Laster med fast hastighet utsetter motoren for et høyt startmoment og for strømstøt som er opptil åtte ganger fullstrømmen. AC -stasjoner øker i stedet motoren gradvis til driftshastighet for å redusere mekanisk og elektrisk spenning, redusere vedlikeholds- og reparasjonskostnader og forlenge levetiden til motoren og det drevne utstyret.

Drev med variabel hastighet kan også kjøre en motor i spesialiserte mønstre for å minimere mekanisk og elektrisk spenning ytterligere. For eksempel kan et S-kurvemønster brukes på en transportørapplikasjon for jevnere retardasjon og akselerasjonskontroll, noe som reduserer tilbakeslaget som kan oppstå når en transportør akselererer eller bremser.

Ytelsesfaktorer som har en tendens til å favorisere bruk av DC-stasjoner fremfor AC-stasjoner, inkluderer krav som kontinuerlig drift ved lav hastighet, firekvadrantdrift med regenerering, hyppige akselerasjons- og retardasjonsrutiner, og behovet for at motoren skal beskyttes for et farlig område. Tabellen nedenfor sammenligner AC- og DC -stasjoner i henhold til visse viktige parametere:

^ Høyfrekvent injeksjon

VFD -typer og vurderinger

Generiske topologier

Topologi av VSI -stasjon

Topologi for CSI -stasjon

Seks-trinns drivbølgeformer

Topologi av direkte matrisekonverter

AC -stasjoner kan klassifiseres i henhold til følgende generiske topologier:

• Spenningskilde -inverter (VSI) -driftstopologier (se bilde): I en VSI -stasjon lagrer DC -utgangen til diode -broomformeren energi i kondensatorbussen for å levere stiv spenningsinngang til omformeren. De aller fleste stasjonene er VSI -type med PWM -spenningsutgang.
• Strømkilde inverter (CSI) stasjonstopologier (se bilde): I en CSI-stasjon lagrer DC-utgangen til SCR- broomformeren energi i serie- Induktortilkobling for å levere stiv strøminngang til omformeren. CSI-stasjoner kan betjenes med enten PWM- eller sekstrinns bølgeformutgang.
• Seks-trinns inverterdrevstopologier (se bildet): Nå stort sett foreldede, seks-trinns stasjoner kan enten være VSI- eller CSI-type og blir også referert til som omformere med variabel spenning, pulsamplitude-modulering (PAM) -drev, firkantbølge frekvensomformere eller DC chopper inverter -stasjoner. I en sekstrinns stasjon blir DC-utgangen til SCR-broomformeren glattet via kondensatorbuss og serie-reaktortilkobling for å forsyne via Darlington Pair eller IGBT- inverter kvasi-sinusformet, sekstrinnsspenning eller strøminngang til en induksjonsmotor.
• Lastkommutert inverter (LCI) -driftstopologi : I en LCI-stasjon (et spesielt CSI-tilfelle) lagrer DC-utgangen til SCR-broomformeren energi via DC-link induktorkrets for å levere stive kvasi-sinusformede sekstrinns strømutgang på et sekund SCR-bridge sin inverter og en over-eksitert synkron maskin.
• Cycloconverter eller matrix converter (MC) topologier (se bilde): Cycloconverters og MCs er AC-AC-omformere som ikke har noen mellomliggende DC-kobling for energilagring. En syklokonverter fungerer som en trefasestrømkilde via tre antiparallellkoblede SCR-broer i sekspulskonfigurasjon, hver syklokonverterfase virker selektivt for å konvertere fastlinjefrekvens AC-spenning til en vekselstrøm ved en variabel belastningsfrekvens. MC-stasjoner er IGBT-baserte.
• Dobbelt matet slip-gjenvinningssystem topologier : En dobbelt matet slepegjenvinningssystemet strømmer likerettet slip kraft til en glatte reaktor for å levere strøm til likestrømsforsyningen nettet via en inverter, hastigheten til motoren blir styrt ved å justere likestrømmen.

Kontrollplattformer

De fleste stasjoner bruker en eller flere av følgende kontrollplattformer:

• PWM V / Hz skalar styre
• PWM feltorientert kontroll (FOC) eller vektorkontroll
• Direkte momentkontroll (DTC).

Lastmoment og effektegenskaper

Variabler med frekvens er også kategorisert etter følgende lastmoment og effektegenskaper:

• Variabelt dreiemoment, for eksempel i applikasjoner for sentrifugalvifte, pumpe og vifte
• Konstant dreiemoment, for eksempel i transportbånd og positive forskyvningspumper
• Konstant kraft, for eksempel i maskinverktøy og trekkapplikasjoner.

Tilgjengelige effektverdier

VFD-er er tilgjengelige med spennings- og strømverdier som dekker et bredt spekter av enfasede og flerfasede vekselstrømsmotorer. Lavspenningsdrev (LV) er designet for å fungere ved utgangsspenninger som er lik eller mindre enn 690 V. Mens motorapplikasjon LV-stasjoner er tilgjengelige i verdier på opptil 5 eller 6 MW, favoriserer økonomiske hensyn vanligvis middels spenning (MV) stasjoner med mye lavere effekt. Ulike MV-drivenhetstopologier (se tabell 2) er konfigurert i henhold til spennings-/strømkombinasjonsklassifiseringene som brukes i forskjellige drivenheters koblingsenheter, slik at enhver gitt spenningsevne er større enn eller lik en til følgende standard nominelle motorspenningsverdier : generelt enten 2+3 ⁄ 4 .16 kV (60 Hz) eller 3+3 / 6, 6 kV (50 Hz), med en tyristorprodusent som er klassifisert for opptil 12 kV bytte. I noen applikasjoner er en trinnvis transformator plassert mellom en LV-stasjon og en MV-motorbelastning. MV -stasjoner er vanligvis klassifisert for motorapplikasjoner større enn mellom 375 og 750 kW (503 og 1006 hk). MV -stasjoner har historisk sett krevd betydelig mer applikasjonsdesigninnsats enn nødvendig for LV -stasjonsapplikasjoner. Effektnivået til MV -stasjoner kan nå 100 MW (130 000 hk), en rekke forskjellige drivtopologier er involvert for ulike krav til vurdering, ytelse, strømkvalitet og pålitelighet.

Stasjoner med maskiner og detaljerte topologier

Det er til slutt nyttig å relatere VFD -er når det gjelder følgende to klassifiseringer:

• Når det gjelder forskjellige AC -maskiner som vist i tabell 1 nedenfor
• Når det gjelder forskjellige detaljerte AC-AC-omformer- topologier vist i tabell 2 og 3 nedenfor.

Søknadshensyn

AC linje harmoniske

Merknad om presisering :.

Mens harmoniske i PWM-utgangen lett kan filtreres av bærefrekvensrelatert filterinduktans for å levere nær-sinusformede strømmer til motorbelastningen, konverterer VFDs diodebro-likeretter AC-spenning til DC-spenningsutgang ved superimponerende ikke-lineær halvfasestrømpulser og dermed skape harmonisk strømforvrengning, og derav spenningsforvrengning, av AC-inngangen. Når VFD -belastningene er relativt små i forhold til det store, stive kraftsystemet som er tilgjengelig fra elkraftselskapet , kan effekten av VFD -harmonisk forvrengning av vekselstrømnettet ofte ligge innenfor akseptable grenser. Videre, i lavspenningsnettverk, blir overtoner forårsaket av enfaset utstyr som datamaskiner og TVer delvis kansellert av trefasede diodebroharmoniske fordi deres femte og syvende harmoniske er i motfase. Men når andelen VFD og annen ikke-lineær belastning sammenlignet med total eller ikke-lineær belastning sammenlignet med stivheten ved vekselstrømforsyningen, eller begge deler, er relativt stor nok, kan belastningen ha en negativ innvirkning på Strømbølgeform tilgjengelig for andre kraftselskapskunder i samme nett.

Når kraftselskapets spenning blir forvrengt på grunn av harmoniske, øker tapene i andre laster, for eksempel vanlige vekselstrømsmotorer med fast hastighet. Denne tilstanden kan føre til overoppheting og kortere levetid. Også transformatorstasjonen er transformatorer og kompensasjon kondensatorer påvirket negativt. Spesielt kan kondensatorer forårsake resonansforhold som uakseptabelt kan forstørre harmoniske nivåer. For å begrense spenningsforvrengningen kan eiere av VFD -belastning bli pålagt å installere filterutstyr for å redusere harmonisk forvrengning under akseptable grenser. Alternativt kan verktøyet vedta en løsning ved å installere eget filtreringsutstyr på transformatorstasjoner som påvirkes av den store mengden VFD -utstyr som brukes. I installasjoner med høy effekt kan harmonisk forvrengning reduseres ved å forsyne flerpuls-likeretter-bro-VFD-er fra transformatorer med flere faseskiftede viklinger.

Det er også mulig å bytte ut standard diodebro-likeretter med en toveis IGBT-koblingsenhet som speiler standardomformeren som bruker IGBT-koblingsenhetens utgang til motoren. Slike likerettere refereres til av forskjellige betegnelser, inkludert aktiv innmatingsomformer (AIC), aktiv likeretter , IGBT-forsyningsenhet (ISU), aktiv frontend (AFE) eller firekvadrantdrift. Med PWM -kontroll og en passende inngangsreaktor kan en AFEs strømlinjebølgeform være nesten sinusformet. AFE regenererer iboende energi i fire-kvadrant-modus fra DC-siden til AC-nettet. Dermed er det ikke nødvendig med en bremsemotstand, og effektiviteten til stasjonen blir forbedret hvis frekvensen er nødvendig for å bremse motoren.

To andre harmoniske dempingsteknikker utnytter bruk av passive eller aktive filtre som er koblet til en felles buss med minst en VFD -grenbelastning på bussen. Passive filtre involverer utformingen av en eller flere lavpass LC-filterfeller, hvor hver felle er avstemt etter behov til en harmonisk frekvens (5., 7., 11., 13., ... kq +/- 1, hvor k = heltall, q = pulsnummer omformer).

Det er veldig vanlig praksis for kraftselskaper eller deres kunder å pålegge harmoniske forvrengningsgrenser basert på IEC- eller IEEE -standarder. For eksempel begrenser IEEE Standard 519 ved kundens tilkoblingspunkt at maksimal individuell frekvensspenningsharmonisk ikke skal være mer enn 3% av den grunnleggende og kreve at spenningens totale harmoniske forvrengning (THD) ikke skal være mer enn 5% for en generelt vekselstrømforsyningssystem.

Bytte frekvens foldback

En stasjon bruker en standard koblingsfrekvensinnstilling på 4 kHz. Å redusere frekvensomformerens koblingsfrekvens (bærefrekvensen) reduserer varmen som genereres av IGBT-ene .

En bærefrekvens på minst ti ganger den ønskede utgangsfrekvensen brukes til å etablere PWM -bytteintervallene. En bærefrekvens i området 2000 til 16 000 Hz er vanlig for LV [lavspenning, under 600 volt AC] VFD. En høyere bærefrekvens gir en bedre sinusbølge -tilnærming, men medfører større bytte -tap i IGBT, noe som reduserer den totale effektkonverteringseffektiviteten.

Støyutjevning

Noen stasjoner har en støydempende funksjon som kan slås på for å introdusere en tilfeldig variasjon i koblingsfrekvensen. Dette fordeler den akustiske støyen over et frekvensområde for å senke toppstøyintensiteten.

Long-lead effekter

Bærefrekvenspulsert utgangsspenning av en PWM VFD forårsaker raske stigningstider i disse pulser, hvis overføringslinjeeffekter må vurderes. Siden overføringslinjens impedans for kabelen og motoren er forskjellig, har pulser en tendens til å reflektere tilbake fra motorterminalene inn i kabelen. De resulterende refleksjonene kan gi overspenninger som er lik det dobbelte av DC -busspenningen eller opptil 3,1 ganger den nominelle nettspenningen for lange kabelløp, noe som kan føre til stor belastning på kabelen og motorviklingene og eventuell isolasjonssvikt. Isolasjonsstandarder for trefasede motorer med en verdi på 230 V eller mindre beskytter tilstrekkelig mot slike overspenninger med lang ledning. På 460 V eller 575 V systemer og omformere med 3. generasjon 0,1-mikrosekund-stigningstid IGBT er maksimal anbefalt kabelavstand mellom VFD og motor omtrent 50 m eller 150 fot. For nye SiC MOSFET -drev har det blitt observert betydelige overspenninger ved så korte kabellengder som 3 meter. Løsninger på overspenninger forårsaket av lange ledningslengder inkluderer minimering av kabellengde, senking av bærefrekvens, installering av dV/dt-filtre, bruk av motorer med omformert drift (som er vurdert til 600 V for å tåle pulstog med stigningstid mindre enn eller lik 0,1 mikrosekund , med 1600 V toppstørrelse), og installering av LCR lavpass-sinusbølgefiltre. Valg av optimal PWM-bærefrekvens for frekvensomformere innebærer å balansere støy, varme, motorisolasjonsspenning, vanlig spenningsindusert motorlagerskade, jevn motordrift og andre faktorer. Ytterligere harmonisk demping kan oppnås ved å bruke et LCR lavpass-sinusbølgefilter eller dV/dt-filter.

Motorlagerstrømmer

Bærefrekvenser over 5 kHz vil sannsynligvis forårsake lagerskader med mindre det er iverksatt beskyttende tiltak.

PWM-stasjoner er iboende forbundet med høyfrekvente vanlige spenninger og strømmer som kan forårsake problemer med motorlagre. Når disse høyfrekvente spenningene finner en vei til jorden gjennom et lager, oppstår gnistoverføring av metall eller elektrisk utladning (EDM) mellom lagerets ball og lagerets løp. Over tid forårsaker EDM-basert gnisting erosjon i bæreløpet som kan sees på som et fluting-mønster. I store motorer, den strøkapasitansen av viklingene gir baner for høyfrekvente strømmer som passerer gjennom motorakselendene, som fører til en sirkulerende typen lager strøm. Dårlig jording av motorstatorer kan føre til aksel-til-jord-lagerstrøm. Små motorer med dårlig jordet utstyr er utsatt for høyfrekvente lagerstrømmer.

Forebygging av høyfrekvente lagerstrømskader bruker tre tilnærminger: god kabling og jording, avbrudd i lagerstrømmer og filtrering eller demping av vanlige modusstrømmer, for eksempel gjennom myke magnetiske kjerner, de såkalte induktive absorberne. God kabling og jording kan omfatte bruk av skjermet, symmetrisk geometri-strømkabel for å forsyne motoren, installasjon av akseljordbørster og ledende lagerfett. Lagerstrømmer kan avbrytes ved installasjon av isolerte lagre og spesialdesignede elektrostatisk skjermede induksjonsmotorer. Filtrering og demping av høyfrekvent lager kan gjøres ved å sette inn myke magnetiske kjerner over de tre fasene, noe som gir en høyfrekvent impedans mot vanlig modus eller motorlager. En annen tilnærming er å bruke i stedet for standard 2-nivå inverter-stasjoner, ved å bruke enten 3-nivå inverter-stasjoner eller matrise-omformere.

Siden høyfrekvente strømspikes med invertermatede motorkabler kan forstyrre andre kablinger i anlegg, bør slike inverter-matede motorkabler ikke bare være av skjermet, symmetrisk geometri, men også være ført minst 50 cm fra signalkabler .

Dynamisk bremsing

Dreiemoment generert av frekvensomformeren får induksjonsmotoren til å kjøre med synkron hastighet mindre glid. Hvis lasten driver motoren raskere enn synkron hastighet, fungerer motoren som en generator , og konverterer mekanisk kraft tilbake til elektrisk kraft. Denne kraften returneres til frekvensomformerens DC -koblingselement (kondensator eller reaktor). En DC-link-tilkoblet elektronisk strømbryter eller bremsende DC-chopper styrer spredningen av denne effekten som varme i et sett med motstander. Kjølevifter kan brukes for å forhindre overoppheting av motstand.

Dynamisk bremsing sløser med bremseenergi ved å omdanne den til varme. Derimot gjenoppretter regenerative drev bremseenergi ved å injisere denne energien i vekselstrømsledningen. Kapitalkostnaden for regenererende stasjoner er imidlertid relativt høy.

Regenerative stasjoner

Linjeregenerative frekvensomformere, som viser kondensatorer (toppsylindere) og induktorer festet, som filtrerer den regenererte effekten.

Forenklet stasjonsskjema for en populær EHV

Regenerative AC -stasjoner har kapasitet til å gjenopprette bremseenergien til en last som beveger seg raskere enn den angitte motorhastigheten (en overhalingslast ) og returnere den til kraftsystemet.

Syklokonverter, Scherbius, matrise, CSI og LCI-stasjoner tillater iboende retur av energi fra lasten til linjen, mens spenningskildeomformere krever en ekstra omformer for å returnere energi til forsyningen.

Regenerering er bare nyttig i VFD -er der verdien av den gjenvunne energien er stor sammenlignet med ekstrakostnaden for et regenerativt system, og hvis systemet krever hyppig bremsing og start. Regenerative VFD -er brukes mye der hastighetskontroll av overhalingsbelastninger er nødvendig.

Noen eksempler:

• Transportbåndstasjoner for produksjon, som stopper hvert par minutter. Mens de er stoppet, monteres deler riktig; når det er gjort, går beltet videre.
• En kran, hvor taljemotoren stopper og reverserer ofte, og det må bremses for å bremse lasten under senking.
• Plug-in og hybridbiler av alle typer (se bilde og Hybrid Synergy Drive ).

Historiske systemer

Før solid state-enheter ble tilgjengelige, brukte frekvensomformere roterende maskiner, og General Electric Company oppnådde flere patenter for disse på begynnelsen av 1900-tallet. Et eksempel er US patent 0,949,320 fra 1910 som sier: "En slik generator finner en nyttig applikasjon for å tilføre strøm til induksjonsmotorer for kjøring av biler, lokomotiver eller annen mekanisme som skal drives med variabel hastighet". Et annet er britisk patent 7061 fra 1911 av Brown, Boveri & Cie ., Nå kjent som ABB .

Se også

Merknader

Referanser