Invertergesteuerter Elektromotor, wie viel Frequenz kann eingestellt werden?

Wir alle wissen, dass der Frequenzumrichter eine Technologie ist, die in der Elektrotechnik beherrscht werden sollte, und dass die Verwendung eines Frequenzumrichters zur Steuerung von Motoren eine gängige Methode in der elektrischen Steuerung ist; einige erfordern auch Kenntnisse.

Heute werden wir relevantes Wissen mit unserem begrenzten Wissen zusammenfassen und organisieren. Der Inhalt mag sich wiederholen, aber das Ziel besteht darin, die wunderbare Beziehung zwischen Frequenzumrichtern und Motoren mit allen zu teilen.

Zunächst einmal: Warum einen Frequenzumrichter zur Steuerung des Motors verwenden?

Lassen Sie uns zunächst kurz diese beiden Geräte verstehen.

Der Motor ist eine induktive Last, die Stromänderungen behindert. Während des Startvorgangs kommt es zu einer großen Stromänderung.

Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, das die Ein-/Aus-Funktion von Leistungshalbleiterbauelementen nutzt, um die Netzfrequenz zu Steuerungszwecken in eine andere Frequenz elektrischer Energie umzuwandeln. Es besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: dem Hauptstromkreis (Gleichrichtermodul, Elektrolytkondensator und Wechselrichtermodul) und dem Steuerstromkreis (Schaltnetzteilplatine und Steuerplatine).

Um den Anlaufstrom des Elektromotors zu reduzieren, insbesondere bei Motoren mit höherer Leistung, erhöht sich mit zunehmender Leistung auch der Anlaufstrom. Ein zu hoher Anlaufstrom kann das Stromverteilungsnetz stärker belasten. Ein Frequenzumrichter kann dieses Problem jedoch lösen, indem er einen sanften Anlauf ermöglicht, ohne übermäßige Anlaufströme zu verursachen.

Eine weitere Funktion des Einsatzes eines Frequenzumrichters ist die Drehzahlregelung von Motoren. In vielen Fällen ist die Steuerung der Motorgeschwindigkeit erforderlich, um eine bessere Produktionseffizienz zu erreichen. Frequenzumrichter sind seit jeher für ihre Fähigkeit bekannt, die Geschwindigkeit durch Änderung der Quellenfrequenz zu regeln.

Welche Steuerungsmethoden gibt es für Frequenzumrichter?

Die fünf am häufigsten verwendeten Methoden zur Steuerung von Motoren mit Frequenzumrichtern sind folgende:

Die Ausgangsspannung des Niederspannungs-Allzweck-Frequenzumrichters beträgt 380–650 V, die Ausgangsleistung 0,75–400 kW, die Betriebsfrequenz 0–400 Hz und sein Hauptstromkreis verwendet einen AC-DC-AC-Schaltkreis. Seine Kontrollmethode hat vier Generationen durchlaufen.

Steuermethode mit sinusförmiger Pulsweitenmodulation (SPWM) mit U/f=C

Seine Merkmale sind eine einfache Struktur des Steuerkreises, niedrige Kosten, gute mechanische Härte und die Fähigkeit, die Anforderungen einer gleichmäßigen Geschwindigkeitsregelung allgemeiner Getriebe zu erfüllen. Es ist in verschiedenen Branchen weit verbreitet.

Bei niedrigen Frequenzen nimmt jedoch aufgrund der niedrigeren Ausgangsspannung und des erheblichen Einflusses des Drehmoments auf den Statorwiderstandsabfall das maximale Ausgangsdrehmoment ab.

Darüber hinaus sind seine mechanischen Eigenschaften doch nicht so hart wie bei Gleichstrommotoren.

Die dynamische Drehmomentfähigkeit und die Leistung der statischen Geschwindigkeitsregelung sind noch nicht zufriedenstellend. Auch die Systemleistung ist nicht hoch; die Steuerkurve ändert sich bei Laständerungen; Drehmomentreaktion ist langsam; Die Auslastung des Motordrehmoments ist nicht hoch. Die Leistung sinkt bei niedrigen Drehzahlen aufgrund des Statorwiderstands und der Totzoneneffekte des Wechselrichters, während sich die Stabilität verschlechtert usw. Daher hat man sich mit der vektorgesteuerten Drehzahlregelung mit variabler Frequenz beschäftigt.

Steuermethode der Raumvektor-Pulsweitenmodulation (SVPWM).

Es basiert auf dem gesamten Erzeugungseffekt einer dreiphasigen Wellenform mit dem Ziel, die ideale kreisförmige rotierende Magnetfeldbahn des Motorluftspalts anzunähern. Es erzeugt eine dreiphasige Modulationswellenform und steuert diese durch Annäherung an einen Kreis mithilfe eines eingeschriebenen Polygons.

Nach der praktischen Anwendung wurden Verbesserungen durch die Einführung einer Frequenzkompensation erzielt, um Fehler bei der Geschwindigkeitsregelung zu beseitigen. Schätzen der Flussamplitude durch Rückkopplung, um den Einfluss des Statorwiderstands bei niedrigen Drehzahlen zu eliminieren; und Schließschleifen für Ausgangsspannung und -strom zur Verbesserung der dynamischen Genauigkeit und Stabilität.

Es gibt jedoch viele Steuerkreisverknüpfungen, eine Drehmomentanpassung wurde nicht eingeführt, sodass die Systemleistung nicht grundlegend verbessert wurde.

Methode der Vektorkontrolle (VC).

Die Methode der Drehzahlregelung mit variabler Frequenz in der Vektorsteuerung besteht darin, die Statorströme Ia, Ib, Ic von Asynchronmotoren durch Dreiphasen-zu-Zweiphasen-Transformation in zweiphasige Wechselströme Ia1Ib1 unter stationären Koordinatensystemen umzuwandeln. Anschließend werden sie in Gleichströme Im1 und It1 unter synchron rotierenden Koordinatensystemen durch Rotationstransformation der Rotorfeldausrichtung umgewandelt (wobei Im1 dem Erregerstrom in Gleichstrommotoren entspricht; It1 dem Ankerstrom proportional zum Drehmoment). Die Steuergröße für Gleichstrommotoren wird durch Nachahmung ihrer Steuermethoden erhalten. Nachdem entsprechende Koordinatenumkehrtransformationen durchgeführt wurden, kann eine asynchrone Motorsteuerung erreicht werden.

Im Wesentlichen entsprechen Wechselstrommotoren Gleichstrommotoren und die unabhängige Steuerung erfolgt getrennt für Geschwindigkeits- und Magnetfeldkomponenten. Durch die Steuerung des Rotorflusses wird zunächst der Statorstrom in Drehmoment- und Magnetfeldkomponenten zerlegt, gefolgt von einer orthogonalen oder entkoppelten Steuerung über Koordinatentransformationen. Der Vorschlag einer Vektorsteuerungsmethode war revolutionär, in der Praxis jedoch schwierig, da es schwierig war, den Rotorfluss genau zu beobachten, was sich stark auf die Systemeigenschaften auswirkte, sowie auf komplexe Vektorrotationstransformationen, die bei äquivalenten Gleichstrommotorsteuerungen verwendet werden, wodurch es schwierig war, tatsächliche Ergebnisse zu erzielen, um ideale analytische Ergebnisse zu erzielen.

Die spezifische Methode ist:

Steuern Sie den Statormagnetfluss durch Einführung eines Statormagnetflussbeobachters, um eine sensorlose Steuerung zu erreichen.

Die automatische Identifizierung (ID) basiert auf genauen mathematischen Modellen des Motors, um Motorparameter automatisch zu identifizieren.

Berechnen Sie das tatsächliche Drehmoment, den magnetischen Statorfluss und die Rotorgeschwindigkeit in Echtzeit basierend auf tatsächlichen Werten, die der Statorimpedanz, der gegenseitigen Induktivität, den magnetischen Sättigungsfaktoren, der Trägheit usw. entsprechen.

Realisieren Sie eine Band-Band-Steuerung durch die Erzeugung von PWM-Signalen entsprechend dem magnetischen Fluss und Drehmoment zur Steuerung des Schaltzustands des Wechselrichters.

Der AC-Frequenzumrichter vom Matrixtyp verfügt über eine schnelle Drehmomentreaktion (<2 ms), hohe Geschwindigkeitsgenauigkeit (±2 %, keine PG-Rückmeldung), hohe Drehmomentgenauigkeit (<+3 %); Gleichzeitig verfügt es über ein höheres Anlaufdrehmoment und eine hohe Drehmomentgenauigkeit, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen (einschließlich Drehzahl 0) und kann 150 % bis 200 % des Nenndrehmoments abgeben.

Wie steuert der Frequenzumrichter den Motor? Wie sind sie miteinander verkabelt?

Die Verkabelung des Frequenzumrichters zur Steuerung eines Motors ist relativ einfach, ähnlich der Verkabelung eines Schützes. Drei Hauptstromversorgungskabel werden angeschlossen und dann an den Motor ausgegeben. Es gibt jedoch unterschiedliche Möglichkeiten, den Frequenzumrichter zu steuern.

Werfen wir zunächst einen Blick auf die Klemmenanschlüsse des Frequenzumrichters. Obwohl es viele Marken und unterschiedliche Verdrahtungsmethoden für Frequenzumrichter gibt, verfügen die meisten über ähnliche Anschlussanschlüsse. Sie umfassen im Allgemeinen Schaltereingänge für Vorwärts- und Rückwärtsdrehung, die zur Steuerung des Startens und Umkehrens von Motoren verwendet werden; Rückmeldeklemmen zur Bereitstellung von Rückmeldungen zum Betriebsstatus wie Lauffrequenz, Geschwindigkeit, Fehlerstatus usw.; Geschwindigkeitsregler, die je nach Umrichtertyp über Potentiometer oder Tasten angepasst werden können.

Die Steuerung kann durch physische Verkabelung oder Kommunikationsnetzwerke erfolgen. Viele Antriebe mit variabler Frequenz unterstützen jetzt die Kommunikationssteuerung und ermöglichen die Übertragung von Motorstart/-stopp, Vorwärts-/Rückwärtsdrehung, Geschwindigkeitsanpassung und Rückmeldungsinformationen über die Kommunikationsleitung.

Was passiert mit seinem Ausgangsdrehmoment, wenn sich die Drehzahl (Frequenz) des Motors ändert?

Das Anlaufdrehmoment und das maximale Drehmoment bei Antrieb über einen Frequenzumrichter sollten kleiner sein als bei direktem Antrieb über Netzstrom.

Wenn der Motor mit Netzstrom betrieben wird, kommt es zu einem großen Anlauf- und Beschleunigungsstoß. Bei Betrieb mit einem Frequenzumrichter sind diese Auswirkungen jedoch schwächer. Beim Direktstart mit Netzfrequenz entsteht ein großer Anlaufstrom. Bei Verwendung eines Frequenzumrichters werden die Ausgangsspannung und die Frequenz des Umrichters schrittweise zum Motor addiert, sodass der Anlaufstrom und die Auswirkungen auf den Motor geringer sind.

Wenn die Frequenz sinkt (die Drehzahl sinkt), nimmt normalerweise auch das vom Motor erzeugte Drehmoment ab. Die tatsächlichen Daten für diese Verringerung finden Sie in einigen Handbüchern für Frequenzumrichter.

Durch die Verwendung einer Vektorsteuerungsmethode mit magnetischem Flusssteuerungsumrichter kann das unzureichende Drehmoment von Motoren bei niedrigen Drehzahlen verbessert werden, sodass auch bei niedrigen Drehzahlen ein ausreichendes Drehmoment ausgegeben werden kann.

Bei der Anpassung an Frequenzen über 50 Hz mit einem Frequenzumrichter (VFD) verringert sich das Ausgangsdrehmoment des Motors.

Herkömmliche Motoren werden nach 50-Hz-Spannungsstandards entwickelt und hergestellt. Ihre Nenndrehmomente werden auch innerhalb dieses Spannungsbereichs angegeben. Daher wird die Drehzahlregelung unterhalb der Nennfrequenzen als Drehzahlregelung mit konstantem Drehmoment bezeichnet (T=Te,P).<=Pe).

Wenn die VFD-Ausgangsfrequenzen 50 Hz überschreiten, verringert sich die lineare Beziehung zwischen den von den Motoren erzeugten Drehmomenten proportional mit zunehmenden Frequenzen.

Beim Betrieb mit Drehzahlen über 50 Hz muss darauf geachtet werden, dass aufgrund der Lastgröße der Elektromotoren nicht zu geringe Ausgangsdrehmomente auftreten.

Beispielsweise würde sich das erzeugte Drehmoment eines mit 100 Hz betriebenen Elektromotors im Vergleich zu dem Drehmoment, das bei einem Betrieb mit 50 Hz erzeugt wird, um etwa die Hälfte reduzieren.

Daher wird die Drehzahlregelung über Nennfrequenzen als Drehzahlregelung mit konstanter Leistung (P=Ue*Ie) bezeichnet.

Anwendung eines Frequenzumrichters über 50 Hz

Wie wir wissen, sind die Nennspannung und der Nennstrom eines bestimmten Motors konstant.

Wenn die Nennwerte sowohl des Frequenzumrichters als auch des Motors 15 kW/380 V/30 A betragen, kann der Motor bei Frequenzen über 50 Hz betrieben werden.

Bei einer Drehzahl von 50 Hz beträgt die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 380 V und der Strom 30 A. Wenn wir die Ausgangsfrequenz auf 60 Hz erhöhen, betragen die maximale Ausgangsspannung und der maximale Ausgangsstrom des Frequenzumrichters immer noch nur 380 V/30 A. Da die Ausgangsleistung unverändert bleibt, spricht man natürlich von einer Drehzahlregelung mit konstanter Leistung.

Wie sieht es in diesem Fall mit dem Drehmoment aus?

Da P=wT (P: Leistung; w: Winkelgeschwindigkeit; T: Drehmoment) gilt, verringert sich T entsprechend, wenn P konstant bleibt, w jedoch zunimmt.

Wir können es auch aus einer anderen Perspektive betrachten:

Die Statorspannung U=E+I*R (I: Strom; R: elektrischer Widerstand; E: induzierte elektromotorische Kraft) eines Motors,

Es ist ersichtlich, dass, wenn U und I unverändert bleiben, auch E unverändert bleibt.

Und E=kFX (k: Konstante; f: Frequenz; X: magnetischer Fluss). Wenn sich also f von 50-- ändert>60Hz,X nimmt entsprechend ab.

Für einen Motor ist T=KICHX(K: konstant; I: Strom; X: magnetischer Fluss). Wenn daher der magnetische Fluss X abnimmt, nimmt auch T entsprechend ab.

At less than or equal to 50 Hz,I*R is small so when U/f=E/f does not change,magnetic flux(X)is constant.Torque(T)and electric current(I)are proportional.This explains why overload(torque)capacity of a variable-frequency drive(VFD)is usually described by its overcurrent capacity,and referred to as "constant-torque"speed regulation(rated current remains unchanged-->maximales Drehmoment bleibt unverändert).

Abschluss: Wenn die Ausgangsfrequenz eines Frequenzumrichters über 50 Hz ansteigt, verringert sich das Ausgangsdrehmoment des Motors.

Andere Faktoren im Zusammenhang mit dem Ausgangsdrehmoment

Die Heiz- und Kühlleistung bestimmt die Ausgangsstromfähigkeit des Wechselrichters und beeinflusst dadurch die Ausgangsdrehmomentfähigkeit des Wechselrichters.

Trägerfrequenz: Der von allgemeinen Wechselrichtern angegebene Nennstrom basiert auf dem Wert, der bei höchster Trägerfrequenz und höchster Umgebungstemperatur dauerhaft ausgegeben werden kann. Eine Verringerung der Trägerfrequenz hat keinen Einfluss auf den Motorstrom. Die Erwärmung der Komponenten nimmt jedoch ab.

Umgebungstemperatur: Ebenso ist es nicht erforderlich, den Schutzstromwert des Wechselrichters zu erhöhen, wenn eine niedrige Umgebungstemperatur festgestellt wird.

Höhe: Eine zunehmende Höhe beeinflusst sowohl die Wärmeableitung als auch die Isolationsleistung. Im Allgemeinen kann es unterhalb von 1000 m vernachlässigt werden, und eine Kapazitätsreduzierung von 5 % pro 1000 Meter über diesem Niveau ist ausreichend.

Wie stelle ich die Frequenz des Motors ein, der über einen Frequenzumrichter gesteuert wird?

In der obigen Zusammenfassung haben wir erfahren, warum es notwendig ist, einen Frequenzumrichter zur Steuerung des Motors zu verwenden und wie dieser funktioniert. Die Steuerung des Motors durch den Frequenzumrichter kann in zwei Punkten zusammengefasst werden: erstens die Steuerung der Startspannung und -frequenz des Motors mit dem Frequenzumrichter, um einen sanften Start und Stopp zu erreichen; Zweitens: Anpassen der Drehzahl des Motors durch Ändern seiner Frequenz mithilfe eines Frequenzumrichters.

Es gab eine praktische Frage von Internetnutzern: Was ist die niedrigste Frequenz, die eingestellt werden kann, wenn ein gewöhnlicher Motor mit einem Frequenzumrichter gesteuert wird? Derzeit ist es auf 60 Hz eingestellt und der Leiter hat mich gebeten, die Hz-Zahl weiter zu erhöhen. Es ist geplant, es auf 100 Hz anzupassen. Hat es schon mal jemand auf 100Hz eingestellt? (Welche Faktoren müssen in ähnlichen Situationen berücksichtigt werden?)

Mal sehen, wie die Internetnutzer reagieren:

Netizen lpl53: Wir haben bei Industriewaschmaschinen 200 Hz erreicht, aber der Strom ist nicht hoch.

Netizen26584: Der Motor einer Schleifmaschine liegt im Allgemeinen zwischen 100 und 110…

Netizen 82252031: Wenn genügend Leistung und kein übermäßiger Strom im Motor vorhanden ist, kann es funktionieren. Allerdings sollte auf die Messung der Temperatur der Motorlager sowie ungewöhnlicher Geräusche und Vibrationen geachtet werden. Ein Motor mit variabler Frequenz läuft lange Zeit mit 70–80 Hz; Sechspolige Motoren sind leicht auszuprobieren, während zweipolige Motoren Vorsicht erfordern.

Netizen fsjnzhouyan: Das hängt von der Qualität der in Motoren verwendeten Siliziumstahlbleche ab. In bisherigen Anwendungsfällen gab es bis ca. 85Hz meist keine Probleme; Allerdings erreichen viele Motoren aufgrund der magnetischen Sättigung ihre Nenndrehzahl nicht, nachdem sie auf etwa 90 Hz eingestellt wurden.

Netizen ZCMY: Es ist am besten, wenn Sie Ihre Motorlager durch Hochgeschwindigkeitslager ersetzen. Testen Sie außerdem auf Vibrationen und stellen Sie sicher, dass sie für Lasten wie Ventilatoren oder Wasserpumpen geeignet sind.

Netizen mengx9806: Ich habe es einmal mit dem Frequenzumrichter A1000 der Elektromaschinenserie A1000 von Dongyuan auf bis zu 1210 Hz eingestellt, der zwei Jahre lang problemlos lief, ohne dass größere Probleme auftraten, obwohl kleinere Probleme auftreten können, wenn etwas schief geht.

Netizen 68957: Ich habe versucht, es auf 180 einzustellen, aber es lief nur für kurze Zeit.

Netizen 1531214350: Ich habe schon früher Waschmaschinen repariert und der Motor war ein gewöhnlicher. Während des Schleudertrocknens lief es bei 150 Hz.

Ya de Ya: Wenn die Frequenz eines normalen Motors um 20 % höher ist als seine Nennfrequenz, dann erhöht sich der Geschwindigkeitsunterschied; Mit zunehmender Frequenz nimmt auch dieser Geschwindigkeitsunterschied zu.

Netizen kdrjl: Es scheint, dass es immer noch zu wenig Verständnis über den grundlegenden Aufbau und die Verwendung von Wechselstrom-Induktionsmotoren gibt. Die höchste Drehzahlgrenze für die Regelung von Induktionsmotoren liegt nicht bei Frequenzumrichtern. Im Allgemeinen arbeiten normale Frequenzumrichter im V/F-Modus mit Frequenzen von nicht weniger als 400 Hz (z. B. arbeitet der Frequenzumrichter von Siemens mit 600 Hz). Bei der Vektorsteuerung liegt die maximale Betriebsfrequenzgrenze bei 200–300 Hz, während bei der Servosteuerung sogar noch höhere Grenzen gelten. Wenn Sie also die Drehzahl Ihres Induktionsmotors mit einem Frequenzumrichter auf bis zu 100 Hz regeln möchten, gibt es diesbezüglich keine technischen Hindernisse oder Zweifel.

Die mechanische Struktur eines Induktionsmotorrotors – beispielsweise seine Käfigstruktur – bestimmt seine mechanische Festigkeit, die mit der maximalen Drehzahl seiner Konstruktion zusammenhängt. Je schneller es rotiert, desto größer wird die Zentrifugalkraft. Daher erfüllen sie im Allgemeinen die Designspezifikationen aufgrund ihrer maximalen Drehzahlen und ihre mechanischen Festigkeiten können nicht unendlich groß sein. Auch die Rotorlager haben eine maximale Rotationsgrenze. Wenn Sie also über diese Werte hinausfahren, müssen Sie diese Grenzen verstehen und sie bei Bedarf durch Hochgeschwindigkeitslager ersetzen.

Schließlich sollten die Fehlersuche und Einstellung des dynamischen Gleichgewichts des Rotors die vom Hersteller angegebenen Parameter nicht überschreiten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es bei der Regelung der Drehzahl eines Induktionsmotors durch eine Antriebsanwendung mit variabler Frequenz über 100 Hz wichtig ist, zunächst die Hersteller zu konsultieren, ob dies möglich ist, oder stattdessen kundenspezifische Motoren anzufordern, um die Zuverlässigkeit unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen sicherzustellen. Wenn Sie Wenn Sie sich dazu entschließen, sich nicht an die Hersteller zu wenden, müssen Sie zunächst den dynamischen Auswuchttest des Rotors durchführen und dann die maximale Drehzahl des Lagers bestätigen.

Wenn dieser Wert überschritten wird, müssen Sie sie durch Hochgeschwindigkeitslager ersetzen, die den Anforderungen vor Ort gerecht werden. Sie müssen auch Aspekte der Wärmeableitung berücksichtigen.

Schließlich sollten sich erfahrungsgemäß Induktionsmotoren mit einer Leistung unter 100 kW relativ gut für den Betrieb bei Frequenzen innerhalb von 100 Hz eignen; Bei Geräten mit mehr als 100 kW ist es jedoch besser, sie individuell anzupassen, als sich für herkömmliche Allzweckprodukte zu entscheiden.

Netizen lvpretend: Es hängt hauptsächlich vom Motor selbst ab. Handelt es sich ursprünglich um einen zweipoligen Motor mit hoher Leistung, ist Vorsicht geboten. Industriewaschmaschinen sind Beispiele für häufigen Überdrehzahlbetrieb, aber ihre Nenngeschwindigkeiten sind im Allgemeinen niedrig – meist sind es sechspolige Motoren. Ich habe gesehen, dass vierpolige Motoren bis zu 120 Hz erreichen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an die professioneller Hersteller von Elektromotoren - Dongchun Motor China direkt