Todos sabemos que el convertidor de frecuencia es una tecnología que se debe dominar en trabajos eléctricos, y utilizar un convertidor de frecuencia para controlar motores es un método común en el control eléctrico; algunos también requieren competencia.
Hoy, resumiremos y organizaremos el conocimiento relevante con nuestro conocimiento limitado. El contenido puede resultar repetitivo, pero el objetivo es compartir con todos la maravillosa relación entre los convertidores de frecuencia y los motores.
En primer lugar, ¿por qué utilizar un convertidor de frecuencia para controlar el motor?
Primero comprendamos brevemente estos dos dispositivos.
El motor es una carga inductiva que impide los cambios de corriente. Durante el arranque, producirá un gran cambio en la corriente.
Un convertidor de frecuencia es un dispositivo que utiliza la acción de encendido y apagado de dispositivos semiconductores de potencia para transformar la frecuencia de suministro de energía en otra frecuencia de energía eléctrica con fines de control. Consta principalmente de dos partes: el circuito principal (módulo rectificador, condensador electrolítico y módulo inversor) y el circuito de control (placa de fuente de alimentación conmutada y placa de circuito de control).
Para reducir la corriente de arranque del motor eléctrico, especialmente para motores con mayor potencia, a medida que aumenta la potencia, también aumenta la corriente de arranque. Una corriente de arranque excesiva puede suponer una carga mayor para la red de distribución de energía. Sin embargo, un convertidor de frecuencia puede resolver este problema permitiendo un arranque suave sin provocar corrientes de arranque excesivas.
Otra función del uso de un convertidor de frecuencia es la regulación de la velocidad de los motores. En muchos casos, es necesario controlar la velocidad del motor para lograr una mejor eficiencia de producción. Los convertidores de frecuencia siempre han sido conocidos por su capacidad para regular la velocidad cambiando la frecuencia de la fuente.
¿Cuáles son los métodos de control de los convertidores de frecuencia?
Las cinco formas más utilizadas de controlar motores con convertidores de frecuencia son las siguientes:
El voltaje de salida del convertidor de frecuencia de uso general de bajo voltaje es de 380-650 V, la potencia de salida es de 0,75-400 kW, la frecuencia de funcionamiento es de 0-400 Hz y su circuito principal adopta un circuito AC-DC-AC. Su método de control ha pasado por cuatro generaciones.
Método de control de modulación de ancho de pulso sinusoidal (SPWM) con U/f=C
Sus características son una estructura de circuito de control simple, bajo costo, buena dureza mecánica y puede cumplir con los requisitos de regulación de velocidad suave de la transmisión general. Ha sido ampliamente utilizado en diversas industrias.
Sin embargo, a bajas frecuencias, debido al menor voltaje de salida y a la influencia significativa del par en la caída de la resistencia del estator, el par de salida máximo disminuye.
Además, sus características mecánicas no son tan duras como las de los motores de CC, después de todo.
La capacidad de par dinámico y el rendimiento de la regulación de velocidad estática aún no son satisfactorios. El rendimiento del sistema tampoco es alto; la curva de control cambiará con los cambios de carga; la respuesta del par es lenta; la tasa de utilización del par motor no es alta; El rendimiento disminuye a bajas velocidades debido a la resistencia del estator y a los efectos de la zona muerta del inversor existentes mientras la estabilidad se deteriora, etc. Por lo tanto, la gente ha investigado la regulación de velocidad de frecuencia variable controlada por vectores.
Método de control de modulación de ancho de pulso de vector espacial (SVPWM)
Se basa en el efecto de generación general de la forma de onda trifásica, con el objetivo de aproximar la trayectoria ideal del campo magnético giratorio circular del entrehierro del motor. Genera una forma de onda de modulación trifásica y la controla aproximando un círculo utilizando un polígono inscrito.
Después del uso práctico, se realizaron mejoras introduciendo compensación de frecuencia para eliminar errores de control de velocidad; estimar la amplitud del flujo mediante retroalimentación para eliminar la influencia de la resistencia del estator a bajas velocidades; y cerrar bucles para voltaje y corriente de salida para mejorar la precisión y la estabilidad dinámicas.
Sin embargo, hay muchos enlaces de circuitos de control y no se ha introducido el ajuste de par, por lo que el rendimiento del sistema no se ha mejorado fundamentalmente.
El método de regulación de velocidad de frecuencia variable en el control vectorial consiste en convertir las corrientes del estator Ia, Ib, Ic de motores asíncronos en corrientes alternas bifásicas Ia1Ib1 bajo sistemas de coordenadas estacionarios mediante una transformación de tres fases a dos fases. Luego se transforman en corrientes CC Im1 e It1 bajo sistemas de coordenadas giratorias síncronas mediante la transformación de rotación de orientación del campo del rotor (donde Im1 corresponde a la corriente de excitación en motores de CC; It1 corresponde a la corriente de armadura proporcional al par). La cantidad de control para motores DC se obtiene imitando sus métodos de control. Después de realizar las transformaciones inversas de coordenadas correspondientes, se puede lograr el control del motor asíncrono.
En esencia, los motores de CA son equivalentes a los motores de CC y el control independiente se aplica por separado para los componentes de velocidad y campo magnético. Controlando primero el flujo del rotor y luego descomponiendo la corriente del estator en componentes de par y campo magnético, seguido de un control ortogonal o desacoplado mediante transformaciones de coordenadas. La propuesta del método de control vectorial fue revolucionaria pero difícil en la práctica debido a las dificultades para observar con precisión el flujo del rotor, lo que afecta en gran medida las características del sistema, así como a las complejas transformaciones de rotación vectorial utilizadas durante los controles de motores de CC equivalentes, lo que dificulta los resultados reales para lograr resultados analíticos ideales.
Controle el flujo magnético del estator introduciendo un observador de flujo magnético del estator para lograr un control sin sensores;
La identificación automática (ID) se basa en modelos matemáticos precisos del motor para identificar automáticamente los parámetros del motor;
Calcule el par real, el flujo magnético del estator y la velocidad del rotor en tiempo real en función de los valores reales correspondientes a la impedancia del estator, la inductancia mutua, los factores de saturación magnética, la inercia, etc.;
Realice el control Banda-Banda generando señales PWM de acuerdo con el flujo magnético y el par para controlar el estado de conmutación del inversor.
El convertidor de frecuencia de CA tipo matriz tiene una respuesta de par rápida (<2 ms), precisión de alta velocidad (±2%, sin retroalimentación PG), precisión de par alta (<+3%); al mismo tiempo, también tiene un par de arranque más alto y una alta precisión del par, especialmente a bajas velocidades (incluida la velocidad 0), puede generar entre el 150 % y el 200 % del par nominal.
¿Cómo controla el convertidor de frecuencia el motor? ¿Cómo están conectados entre sí?
Cablear el convertidor de frecuencia para controlar un motor es relativamente sencillo, similar al cableado de un contactor. Se conectan tres cables de alimentación principal y luego se envían al motor. Sin embargo, existen diferentes formas de controlar el convertidor de frecuencia.
En primer lugar, echemos un vistazo a las conexiones de los terminales del convertidor de frecuencia. Aunque existen muchas marcas y diferentes métodos de cableado para convertidores de frecuencia, la mayoría de ellos tienen conexiones de terminales similares. Generalmente incluyen entradas de interruptor para rotación hacia adelante y hacia atrás utilizadas para controlar el arranque y la inversión de motores; terminales de retroalimentación utilizados para proporcionar información sobre el estado operativo, como frecuencia de funcionamiento, velocidad, estado de falla, etc.; Controles de ajuste de velocidad que se pueden ajustar mediante potenciómetros o botones dependiendo de los diferentes tipos de convertidores.
El control se puede lograr a través de cableado físico o redes de comunicación. Muchos variadores de frecuencia ahora admiten control de comunicación, lo que permite que el arranque/parada del motor, la rotación hacia adelante/atrás, el ajuste de velocidad y la información de retroalimentación se transmitan a través de la línea de comunicación.
Cuando cambia la velocidad de rotación (frecuencia) del motor, ¿qué sucede con su par de salida?
El par de arranque y el par máximo cuando son accionados por un convertidor de frecuencia deben ser menores que cuando son accionados directamente por la red eléctrica.
Cuando el motor funciona con la red eléctrica, se produce un gran impacto de arranque y aceleración. Sin embargo, cuando se alimenta con un convertidor de frecuencia, estos impactos son más débiles. El arranque directo a la frecuencia de la red eléctrica producirá una gran corriente de arranque. Cuando se utiliza un convertidor de frecuencia, el voltaje de salida y la frecuencia del convertidor se agregan gradualmente al motor, por lo que la corriente de arranque y el impacto en el motor son menores.
Por lo general, a medida que disminuye la frecuencia (disminuye la velocidad), el par generado por el motor también disminuye. Los datos reales de esta disminución se pueden encontrar en algunos manuales de convertidores de frecuencia.
Al utilizar un método de control vectorial con inversor de control de flujo magnético, se puede mejorar el par insuficiente de los motores a baja velocidad, de modo que incluso a bajas velocidades se pueda generar un par suficiente.
Al ajustar a frecuencias superiores a 50 Hz con un variador de frecuencia (VFD), el par de salida del motor disminuirá.
Los motores convencionales están diseñados y fabricados según estándares de voltaje de 50Hz; sus pares nominales también se dan dentro de este rango de voltaje. Por lo tanto, la regulación de velocidad por debajo de las frecuencias nominales se denomina regulación de velocidad de par constante (T=Te,P<=Pe).
A medida que las frecuencias de salida del VFD superan los 50 Hz, la relación lineal entre los pares producidos por los motores se reduce proporcionalmente al aumentar las frecuencias.
Cuando se funciona a velocidades superiores a 50 Hz, se debe tener en cuenta la posibilidad de evitar que se produzcan pares de salida insuficientes debido al tamaño de la carga en los motores eléctricos.
Por ejemplo, el par producido por un motor eléctrico que funciona a 100 Hz se reduciría aproximadamente a la mitad en comparación con el producido mientras funciona a 50 Hz.
Por lo tanto, la regulación de velocidad por encima de las frecuencias nominales se denomina regulación de velocidad de potencia constante (P=Ue*Ie).
Aplicación de convertidor de frecuencia por encima de 50 Hz.
Como sabemos, para un motor específico, su tensión y corriente nominales son constantes.
Si los valores nominales tanto del convertidor de frecuencia como del motor son 15 kW/380 V/30 A, el motor puede funcionar a frecuencias superiores a 50 Hz.
Cuando la velocidad es de 50 Hz, el voltaje de salida del convertidor de frecuencia es de 380 V y la corriente es de 30 A. Si aumentamos la frecuencia de salida a 60 Hz, el voltaje y la corriente de salida máximos del convertidor de frecuencia seguirán siendo de solo 380 V/30 A. Obviamente, dado que la potencia de salida permanece sin cambios, esto se denomina regulación de velocidad a potencia constante.
¿Qué pasa con el par en este caso?
Debido a que P = wT (P: potencia; w: velocidad angular; T: par), si P permanece constante pero w aumenta, entonces T disminuirá en consecuencia.
El voltaje del estator U=E+I*R (I: corriente; R: resistencia eléctrica; E: fuerza electromotriz inducida) de un motor,
Se puede ver que cuando U e I permanecen sin cambios, E también permanece sin cambios.
Y E=kFX (k: constante; f: frecuencia; X: flujo magnético). Por lo tanto, cuando f cambia de 50-->60 Hz, X disminuye correspondientemente.
Para un motor, T=KIX(K:constante;I:corriente;X:flujo magnético). Por lo tanto, a medida que el flujo magnético X disminuye, T también disminuirá en consecuencia.
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-->el par máximo permanece sin cambios).
Conclusión: Cuando la frecuencia de salida de un convertidor de frecuencia aumenta por encima de 50 Hz, el par de salida del motor disminuirá.
Otros factores relacionados con el par de salida
La capacidad de calefacción y refrigeración determina la capacidad de corriente de salida del inversor, lo que afecta la capacidad de par de salida del inversor.
Frecuencia portadora: la corriente nominal indicada por los inversores generales se basa en el valor que se puede emitir continuamente a la frecuencia portadora más alta y a la temperatura ambiente más alta. La reducción de la frecuencia portadora no afectará la corriente del motor. Sin embargo, el calentamiento de los componentes disminuirá.
Temperatura ambiente: Al igual que no es necesario aumentar el valor de la corriente de protección del inversor cuando se detecta una temperatura ambiente baja.
Altitud: El aumento de la altitud afecta tanto a la disipación de calor como al rendimiento del aislamiento. Generalmente, se puede ignorar por debajo de 1000 m, y una reducción de capacitancia del 5% por cada 1000 metros por encima de este nivel es suficiente.
¿Cómo ajustar la frecuencia del motor controlado por un variador de frecuencia?
En el resumen anterior, hemos aprendido por qué es necesario utilizar un variador de frecuencia para controlar el motor y cómo funciona. El control del motor mediante el variador de frecuencia se puede resumir en dos puntos: primero, controlar el voltaje de arranque y la frecuencia del motor con el variador de frecuencia para lograr un arranque y una parada suaves; en segundo lugar, ajustar la velocidad del motor cambiando su frecuencia mediante el uso de un variador de frecuencia.
Los internautas plantearon una pregunta práctica: ¿cuál es la frecuencia más baja que se puede ajustar al controlar un motor normal con un variador de frecuencia? Actualmente, se ha ajustado a 60 Hz y el líder me pidió que continuara aumentando el número de Hz. El plan es ajustarlo a 100Hz. ¿Alguien lo ha ajustado alguna vez a 100Hz? (En situaciones similares, ¿qué factores deben considerarse?)
Veamos cómo responden los internautas:
Internauta lpl53: Hemos alcanzado los 200 HZ en las lavadoras industriales, pero la corriente no es alta.
Internauta26584: El motor de la máquina rectificadora generalmente está entre 100 y 110...
Internauta 82252031: Si hay suficiente potencia y no hay corriente excesiva en el motor, puede funcionar. Sin embargo, se debe prestar atención a la medición de la temperatura de los cojinetes del motor, al ruido anormal y a la vibración. Un motor accionado por frecuencia variable funciona a 70-80 Hz durante mucho tiempo; Los motores de seis polos son fáciles de probar, mientras que los motores de dos polos requieren precaución.
Internauta fsjnzhouyan: Esto depende de la calidad de las láminas de acero al silicio utilizadas en los motores. En casos de uso anteriores, normalmente no había problemas hasta alrededor de 85 Hz; sin embargo, muchos motores no pueden alcanzar su velocidad nominal después de ajustarlos hasta alrededor de 90 Hz debido a la saturación magnética.
Internauta ZCMY: Lo mejor es reemplazar los cojinetes del motor por unos de alta velocidad. Pruebe también las vibraciones y asegúrese de que sean adecuados para cargas como ventiladores o bombas de agua.
Internauta mengx9806: Una vez lo ajusté hasta 1210 HZ usando el variador de frecuencia A1000 de la máquina eléctrica de Dongyuan, que funcionó sin problemas durante dos años seguidos sin que se produjeran problemas importantes, aunque pueden surgir problemas menores si algo sale mal.
Netizen 68957：Intenté ajustarlo hasta 180, pero solo funcionó por un corto tiempo.
Internauta 1531214350: He reparado lavadoras antes y el motor era normal. Funcionó a 150 HZ durante el centrifugado.
Ya de Ya: Si la frecuencia de un motor ordinario es mayor que su frecuencia nominal en un 20%, entonces la diferencia de velocidad aumentará; a medida que aumenta la frecuencia, también aumenta esta diferencia de velocidad.
Internauta kdrjl: Parece que todavía hay muy poca comprensión sobre la estructura básica y el uso de los motores de inducción de CA. El límite de velocidad más alto para regular motores de inducción no se encuentra en los variadores de frecuencia. En términos generales, los variadores de frecuencia normales funcionan a frecuencias no inferiores a 400 Hz en modo V/F (por ejemplo, el variador de frecuencia de Siemens funciona a 600 Hz). Para el control vectorial, el límite máximo de frecuencia operativa es de 200 a 300 Hz, mientras que el servocontrol tiene límites aún más altos. Por tanto, si quieres regular la velocidad de tu motor de inducción hasta 100Hz mediante un variador de frecuencia, no existen obstáculos técnicos ni dudas al respecto.
La estructura mecánica del rotor de un motor de inducción, como su estructura de jaula, determina su resistencia mecánica, que está relacionada con la velocidad de rotación máxima de su diseño; cuanto más rápido gira, mayor se vuelve la fuerza centrífuga. Por lo tanto, generalmente satisface las especificaciones de diseño basadas en sus velocidades de rotación máximas y sus resistencias mecánicas no pueden ser infinitamente grandes. Los rodamientos del rotor también tienen un límite máximo de rotación, por lo que cuando se superan estos valores, es necesario comprender cuáles son estos límites y reemplazarlos con rodamientos de alta velocidad si es necesario.
Finalmente, la depuración del equilibrio dinámico y la configuración del rotor no deben exceder los parámetros designados por el fabricante.
En resumen, al regular la velocidad de un motor de inducción a través de una aplicación de variador de frecuencia superior a 100 Hz, es importante consultar primero con los fabricantes si se puede hacer o solicitar motores personalizados para garantizar la confiabilidad en condiciones de alta velocidad. Si decide no recurrir a los fabricantes, primero debe determinar la prueba de equilibrio dinámico del rotor y luego confirmar la velocidad máxima de rotación del rodamiento.
Si excede este valor, deberá reemplazarlos con rodamientos de alta velocidad que puedan cumplir con los requisitos del sitio. También es necesario considerar las cuestiones de disipación de calor.
Finalmente, según la experiencia, los motores de inducción con una potencia inferior a 100 kW deberían ser relativamente adecuados para funcionar a frecuencias dentro de los 100 Hz; sin embargo, es mejor personalizar aquellos que superan los 100 kW en lugar de elegir productos convencionales de uso general.
Internauta lvpretend: Depende principalmente del motor en sí. Si originalmente se trata de un motor bipolar y de gran potencia hay que tener precaución. Las lavadoras industriales son ejemplos de funcionamiento frecuente con exceso de velocidad, pero sus velocidades nominales son generalmente bajas: en su mayoría motores de seis polos. He visto motores de cuatro polos que alcanzan hasta 120 Hz.
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