Frequenzumrichter sind eine Technologie, die bei Elektroarbeiten beherrscht werden sollte. Die Verwendung von Frequenzumrichtern zur Motorsteuerung ist eine gängige Methode in der elektrischen Steuerung; einige erfordern jedoch auch Fachkenntnisse in ihrer Anwendung.
1. Zunächst einmal: Warum wird zur Steuerung eines Motors ein Frequenzumrichter verwendet?
Der Motor ist eine induktive Last, die die Stromänderung behindert und beim Starten eine große Stromänderung erzeugt.
Der Wechselrichter ist ein Steuergerät für elektrische Energie, das die Ein-/Aus-Funktion von Leistungshalbleiterbauelementen nutzt, um die industrielle Frequenzversorgung in eine andere Frequenz umzuwandeln. Er besteht hauptsächlich aus zwei Schaltkreisen: dem Hauptschaltkreis (Gleichrichtermodul, Elektrolytkondensator und Wechselrichtermodul) und dem Steuerschaltkreis (Schaltnetzteilplatine, Steuerplatine).
Um den Anlaufstrom des Motors zu reduzieren, insbesondere bei Motoren mit höherer Leistung, gilt: Je höher die Leistung, desto höher der Anlaufstrom. Ein zu hoher Anlaufstrom belastet das Strom- und Verteilungsnetz stärker. Der Frequenzumrichter kann dieses Anlaufproblem lösen und einen sanften Motorstart ohne übermäßigen Anlaufstrom ermöglichen.
Eine weitere Funktion eines Frequenzumrichters ist die Regelung der Motordrehzahl. Oftmals ist eine Drehzahlregelung notwendig, um eine höhere Produktionseffizienz zu erzielen. Die Drehzahlregelung des Frequenzumrichters ist dabei seit jeher ein wichtiger Vorteil. Der Frequenzumrichter steuert die Motordrehzahl durch Änderung der Frequenz der Stromversorgung.
2. Welche Wechselrichter-Steuerungsmethoden gibt es?
Die fünf am häufigsten verwendeten Methoden zur Wechselrichtersteuerung von Motoren sind die folgenden:
A. Steuerverfahren mit sinusförmiger Pulsweitenmodulation (SPWM)
Seine Merkmale sind eine einfache Steuerkreisstruktur, niedrige Kosten, gute mechanische Festigkeit und die Fähigkeit, die Anforderungen an eine gleichmäßige Drehzahlregelung allgemeiner Getriebe zu erfüllen. Es wird in verschiedenen Bereichen der Industrie weithin eingesetzt.
Bei niedrigen Frequenzen wird das Drehmoment jedoch aufgrund der niedrigen Ausgangsspannung erheblich durch den Spannungsabfall am Statorwiderstand beeinflusst, wodurch das maximale Ausgangsdrehmoment reduziert wird.
Darüber hinaus sind seine mechanischen Eigenschaften nicht so stark wie die von Gleichstrommotoren, und sein dynamisches Drehmomentvermögen und seine statische Drehzahlregelung sind nicht zufriedenstellend. Darüber hinaus ist die Systemleistung gering, die Steuerkurve ändert sich mit der Last, die Drehmomentreaktion ist langsam, die Drehmomentausnutzung des Motors ist niedrig und die Leistung nimmt bei niedriger Drehzahl aufgrund des Statorwiderstands und des Totzoneneffekts des Wechselrichters ab, was zu einer Verschlechterung der Stabilität führt. Daher wurde die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz und Vektorsteuerung untersucht.
B. Spannungsraumvektor-(SVPWM)-Steuerungsverfahren
Es basiert auf dem Gesamterzeugungseffekt der dreiphasigen Wellenform mit dem Ziel, sich der idealen kreisförmigen Flugbahn des rotierenden Magnetfelds des Motorluftspalts anzunähern, jeweils eine dreiphasige Modulationswellenform zu erzeugen und sie in der Art eines einbeschriebenen Polygons zu steuern, das sich dem Kreis annähert.
Nach der praktischen Anwendung wurde es verbessert. So wurde eine Frequenzkompensation eingeführt, um Fehler bei der Drehzahlregelung zu eliminieren. Die Flussamplitude wurde durch Rückkopplung geschätzt, um den Einfluss des Statorwiderstands bei niedriger Drehzahl zu eliminieren. Die Ausgangsspannungs- und Stromschleife wurde geschlossen, um die dynamische Genauigkeit und Stabilität zu verbessern. Da jedoch viele Steuerkreisverbindungen vorhanden sind und keine Drehmomentanpassung eingeführt wurde, konnte die Systemleistung nicht grundlegend verbessert werden.
C. Vektorsteuerungsmethode (VC)
Der Kernpunkt besteht darin, den Wechselstrommotor einem Gleichstrommotor gleichzusetzen und Drehzahl und Magnetfeld unabhängig voneinander zu steuern. Durch die Steuerung des Rotorflusses wird der Statorstrom zerlegt, um Drehmoment und Magnetfeldkomponenten zu erhalten. Die Koordinatentransformation ermöglicht eine orthogonale bzw. entkoppelte Steuerung. Die Einführung der Vektorregelung ist von bahnbrechender Bedeutung. Da der Rotorfluss in der Praxis jedoch schwer genau zu beobachten ist, werden die Systemeigenschaften stark von den Motorparametern beeinflusst. Die im äquivalenten Gleichstrommotor-Steuerungsprozess verwendete Vektorrotationstransformation ist relativ komplex, was es für die tatsächliche Steuerung schwierig macht, das optimale Analyseergebnis zu erzielen.
D. Direkte Drehmomentregelung (DTC)
Im Jahr 1985 schlug Professor DePenbrock von der Ruhr-Universität erstmals eine Technologie zur Frequenzumwandlung mit direkter Drehmomentregelung vor. Diese Technologie löste die Mängel der oben genannten Vektorregelung weitgehend und entwickelte sich rasch weiter. Sie zeichnete sich durch neuartige Steuerungsideen, eine präzise und klare Systemstruktur sowie eine hervorragende dynamische und statische Leistung aus.
Diese Technologie wird derzeit erfolgreich für den Hochleistungs-Wechselstromantrieb von Elektrolokomotiven eingesetzt. Die direkte Drehmomentregelung analysiert das mathematische Modell von Wechselstrommotoren direkt im Statorkoordinatensystem und steuert den magnetischen Fluss und das Drehmoment des Motors. Wechselstrommotoren müssen nicht mit Gleichstrommotoren gleichgesetzt werden, wodurch viele komplexe Berechnungen bei der Vektorrotationstransformation entfallen. Die Steuerung von Gleichstrommotoren muss nicht nachgeahmt werden, und das mathematische Modell von Wechselstrommotoren zur Entkopplung muss nicht vereinfacht werden.
E. Matrix-AC-AC-Steuerungsmethode
VVVF-Frequenzumwandlung, Vektorregelungs-Frequenzumwandlung und direkte Drehmomentregelungs-Frequenzumwandlung sind allesamt Arten der AC-DC-AC-Frequenzumwandlung. Ihre gemeinsamen Nachteile sind ein niedriger Eingangsleistungsfaktor, ein hoher Oberschwingungsstrom, ein großer Energiespeicherkondensator, der für den Gleichstromkreis benötigt wird, und die fehlende Rückspeisung regenerativer Energie ins Stromnetz, d. h. der Betrieb in vier Quadranten ist nicht möglich.
Aus diesem Grund wurde die Matrix-AC-AC-Frequenzumwandlung entwickelt. Da die Matrix-AC-AC-Frequenzumwandlung den Zwischenkreis eliminiert, entfällt auch der große und teure Elektrolytkondensator. Sie erreicht einen Leistungsfaktor von 1, einen sinusförmigen Eingangsstrom, kann in vier Quadranten betrieben werden und weist eine hohe Leistungsdichte auf. Obwohl diese Technologie noch nicht ausgereift ist, reizt sie dennoch viele Wissenschaftler zu eingehender Forschung. Ihr Kern liegt nicht in der indirekten Steuerung von Strom, magnetischem Fluss und anderen Größen, sondern in der direkten Nutzung des Drehmoments als Regelgröße.
3. Wie steuert ein Frequenzumrichter einen Motor? Wie werden die beiden miteinander verdrahtet?
Die Verdrahtung des Wechselrichters zur Steuerung des Motors ist relativ einfach und ähnelt der Verdrahtung des Schützes, wobei drei Hauptstromleitungen zum Motor hinein- und wieder hinausführen. Die Einstellungen sind jedoch komplizierter und auch die Möglichkeiten zur Steuerung des Wechselrichters sind unterschiedlich.
Zunächst einmal gibt es für den Wechselrichteranschluss zwar viele Marken und unterschiedliche Verdrahtungsmethoden, die Verdrahtungsanschlüsse der meisten Wechselrichter unterscheiden sich jedoch kaum. Im Allgemeinen sind sie in Vorwärts- und Rückwärtsschaltereingänge unterteilt, die den Vorwärts- und Rückwärtsstart des Motors steuern. Rückmeldeanschlüsse dienen zur Rückmeldung des Betriebszustands des Motors.einschließlich Betriebsfrequenz, Geschwindigkeit, Fehlerstatus usw.
Zur Drehzahlregelung verwenden manche Frequenzumrichter Potentiometer, manche direkt Taster. Die Steuerung erfolgt über die physikalische Verkabelung. Alternativ kann ein Kommunikationsnetzwerk genutzt werden. Viele Frequenzumrichter unterstützen mittlerweile die Kommunikationssteuerung. Über die Kommunikationsleitung lassen sich Start und Stopp, Vorwärts- und Rückwärtslauf, Drehzahl usw. des Motors steuern. Gleichzeitig werden auch Rückmeldungen über die Kommunikation übermittelt.
4.Was passiert mit dem Ausgangsdrehmoment eines Motors, wenn sich seine Drehzahl (Frequenz) ändert?
Das Anlaufdrehmoment und das Maximaldrehmoment sind beim Antrieb über einen Frequenzumrichter kleiner als beim direkten Antrieb über ein Stromnetz.
Der Motor hat bei Versorgung über ein Netzteil einen starken Anlauf- und Beschleunigungsstoß, der bei Versorgung über einen Frequenzumrichter jedoch schwächer ausfällt. Ein Direktstart über ein Netzteil erzeugt einen hohen Anlaufstrom. Bei Verwendung eines Frequenzumrichters werden dessen Ausgangsspannung und -frequenz schrittweise auf den Motor übertragen, wodurch Anlaufstrom und Anlaufstoß geringer werden. Normalerweise nimmt das vom Motor erzeugte Drehmoment mit abnehmender Frequenz (abnehmender Drehzahl) ab. Die tatsächlichen Daten der Reduzierung werden in den Handbüchern einiger Frequenzumrichter erläutert.
Der übliche Motor ist für eine Spannung von 50 Hz ausgelegt und gefertigt, und sein Nenndrehmoment ist auch innerhalb dieses Spannungsbereichs gegeben. Daher wird die Drehzahlregelung unterhalb der Nennfrequenz als Drehzahlregelung mit konstantem Drehmoment bezeichnet. (T=Te, P<=Pe)
Wenn die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters größer als 50 Hz ist, nimmt das vom Motor erzeugte Drehmoment in einer linearen Beziehung ab, die umgekehrt proportional zur Frequenz ist.
Wenn der Motor mit einer Frequenz über 50 Hz läuft, muss die Größe der Motorlast berücksichtigt werden, um ein unzureichendes Motorausgangsdrehmoment zu vermeiden.
Beispielsweise wird das vom Motor bei 100 Hz erzeugte Drehmoment auf etwa die Hälfte des bei 50 Hz erzeugten Drehmoments reduziert.
Daher wird eine Drehzahlregelung oberhalb der Nennfrequenz als Drehzahlregelung mit konstanter Leistung bezeichnet (P=Ue*Ie).
5.Anwendung eines Frequenzumrichters über 50 Hz
Bei einem bestimmten Motor sind Nennspannung und Nennstrom konstant.
Wenn beispielsweise die Nennwerte von Wechselrichter und Motor beide 15 kW/380 V/30 A betragen, kann der Motor über 50 Hz betrieben werden.
Bei einer Drehzahl von 50 Hz beträgt die Ausgangsspannung des Wechselrichters 380 V und der Strom 30 A. Wird die Ausgangsfrequenz auf 60 Hz erhöht, können die maximale Ausgangsspannung und der maximale Ausgangsstrom des Wechselrichters nur noch 380 V/30 A betragen. Die Ausgangsleistung bleibt dabei unverändert, daher spricht man von einer Drehzahlregelung mit konstanter Leistung.
Wie ist das Drehmoment zu diesem Zeitpunkt?
Da P = wT (w; Winkelgeschwindigkeit, T: Drehmoment) ist, verringert sich das Drehmoment entsprechend, da P unverändert bleibt und w zunimmt.
Wir können es auch aus einem anderen Blickwinkel betrachten:
Die Statorspannung des Motors beträgt U=E+I*R (I ist Strom, R ist elektronischer Widerstand und E ist induziertes Potenzial).
Es ist ersichtlich, dass sich E nicht ändert, wenn sich U und I nicht ändern.
Und E=k*f*X (k: Konstante; f: Frequenz; X: magnetischer Fluss), wenn sich f also von 50–>60 Hz ändert, verringert sich X entsprechend.
Für den Motor gilt T=K*I*X (K: Konstante; I: Strom; X: magnetischer Fluss), daher nimmt das Drehmoment T ab, wenn der magnetische Fluss X abnimmt.
Gleichzeitig bleibt der magnetische Fluss (X) konstant, wenn die Frequenz unter 50 Hz liegt, da I*R sehr klein ist und sich U/f=E/f nicht ändert. Das Drehmoment T ist proportional zum Strom. Daher wird die Überstromkapazität des Wechselrichters üblicherweise zur Beschreibung seiner Überlastfähigkeit (Drehmomentkapazität) verwendet und als konstante Drehmomentregelung bezeichnet (Nennstrom bleibt unverändert – maximales Drehmoment bleibt unverändert).
Fazit: Wenn die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters über 50 Hz steigt, verringert sich das Ausgangsdrehmoment des Motors.
6.Andere Faktoren im Zusammenhang mit dem Ausgangsdrehmoment
Die Wärmeerzeugungs- und Wärmeableitungskapazität bestimmt die Ausgangsstromkapazität des Wechselrichters und beeinflusst somit die Ausgangsdrehmomentkapazität des Wechselrichters.
1. Trägerfrequenz: Der auf dem Wechselrichter angegebene Nennstrom ist in der Regel der Wert, der bei höchster Trägerfrequenz und höchster Umgebungstemperatur eine kontinuierliche Leistung gewährleistet. Eine Reduzierung der Trägerfrequenz hat keinen Einfluss auf den Motorstrom. Die Wärmeentwicklung der Komponenten wird jedoch reduziert.
2. Umgebungstemperatur: Ebenso wie der Wechselrichterschutz wird der Stromwert nicht erhöht, wenn eine relativ niedrige Umgebungstemperatur erkannt wird.
3. Höhe: Die zunehmende Höhe wirkt sich auf die Wärmeableitung und die Isolationsleistung aus. Im Allgemeinen kann sie unter 1000 m vernachlässigt werden, und die Kapazität kann pro 1000 m darüber um 5 % reduziert werden.
7. Welche Frequenz ist für einen Frequenzumrichter zur Steuerung eines Motors geeignet?
In der obigen Zusammenfassung haben wir gelernt, warum der Wechselrichter zur Steuerung des Motors verwendet wird, und auch verstanden, wie der Wechselrichter den Motor steuert. Der Wechselrichter steuert den Motor, was wie folgt zusammengefasst werden kann:
Erstens steuert der Wechselrichter die Startspannung und -frequenz des Motors, um einen sanften Start und Stopp zu erreichen.
Zweitens wird der Wechselrichter zum Einstellen der Motordrehzahl verwendet, und die Motordrehzahl wird durch Ändern der Frequenz eingestellt.
Permanentmagnetmotor von Anhui MingtengDie Produkte werden vom Wechselrichter gesteuert. Im Lastbereich von 25 % bis 120 % haben sie einen höheren Wirkungsgrad und einen größeren Betriebsbereich als Asynchronmotoren gleicher Spezifikationen und ermöglichen erhebliche Energieeinsparungen.
Unsere professionellen Techniker wählen den passenden Wechselrichter entsprechend den spezifischen Arbeitsbedingungen und den tatsächlichen Kundenbedürfnissen aus, um eine bessere Motorsteuerung und maximale Motorleistung zu erreichen. Darüber hinaus unterstützt unser technischer Service Kunden per Fernzugriff bei der Installation und Fehlerbehebung des Wechselrichters und bietet umfassende Betreuung und Service vor und nach dem Kauf.
Copyright: Dieser Artikel ist ein Nachdruck der öffentlichen WeChat-Nummer „Technisches Training“, der Originallink https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA
Dieser Artikel spiegelt nicht die Ansichten unseres Unternehmens wider. Sollten Sie andere Meinungen oder Ansichten haben, korrigieren Sie uns bitte!
Beitragszeit: 09.09.2024