Todos sabemos que o conversor de frequência é uma tecnologia que deve ser dominada em trabalhos elétricos, e usar um conversor de frequência para controlar motores é um método comum em controle elétrico; alguns também exigem proficiência.
Hoje, resumiremos e organizaremos o conhecimento relevante com nosso conhecimento limitado. O conteúdo pode ser repetitivo, mas o objetivo é compartilhar com todos a maravilhosa relação entre conversores de frequência e motores.
Em primeiro lugar, por que usar um conversor de frequência para controlar o motor?
Vamos primeiro entender brevemente esses dois dispositivos.
O motor é uma carga indutiva que impede mudanças na corrente. Durante a inicialização, produzirá uma grande mudança na corrente.
Um conversor de frequência é um dispositivo que utiliza a ação liga-desliga de dispositivos semicondutores de potência para transformar a frequência da fonte de alimentação em outra frequência de energia elétrica para fins de controle. Consiste principalmente em duas partes: o circuito principal (módulo retificador, capacitor eletrolítico e módulo inversor) e o circuito de controle (placa de alimentação chaveada e placa de circuito de controle).
Para reduzir a corrente de partida do motor elétrico, principalmente para motores de maior potência, à medida que a potência aumenta, aumenta também a corrente de partida. Corrente de partida excessiva pode trazer uma carga maior para a rede de distribuição de energia. No entanto, um conversor de frequência pode resolver este problema, permitindo uma partida suave sem causar correntes de partida excessivas.
Outra função do uso de um conversor de frequência é a regulação de velocidade dos motores. Em muitos casos, é necessário controlar a velocidade do motor para obter uma melhor eficiência de produção. Os conversores de frequência sempre foram conhecidos por sua capacidade de regular a velocidade alterando a frequência da fonte.
Quais são os métodos de controle dos conversores de frequência?
As cinco maneiras mais comumente usadas para controlar motores com conversores de frequência são as seguintes:
A tensão de saída do conversor de frequência de uso geral de baixa tensão é 380-650V, a potência de saída é 0,75-400kW, a frequência operacional é 0-400Hz e seu circuito principal adota o circuito AC-DC-AC. Seu método de controle já passou por quatro gerações.
Método de controle de modulação por largura de pulso sinusoidal (SPWM) com U/f=C
Suas características são estrutura de circuito de controle simples, baixo custo, boa dureza mecânica e podem atender aos requisitos de regulação de velocidade suave da transmissão geral. Tem sido amplamente utilizado em diversas indústrias.
Porém, em baixas frequências, devido à menor tensão de saída e à influência significativa do torque na queda da resistência do estator, o torque máximo de saída diminui.
Além disso, suas características mecânicas não são tão duras quanto as dos motores DC.
A capacidade de torque dinâmico e o desempenho da regulação de velocidade estática ainda não são satisfatórios. O desempenho do sistema também não é alto; a curva de controle mudará com as mudanças de carga; a resposta do torque é lenta; a taxa de utilização do torque do motor não é alta; o desempenho diminui em baixas velocidades devido à resistência do estator e aos efeitos de zona morta do inversor existentes enquanto a estabilidade se deteriora, etc. Portanto, as pessoas pesquisaram a regulação de velocidade de frequência variável controlada por vetor.
Método de controle de modulação por largura de pulso de vetor espacial (SVPWM)
Baseia-se no efeito geral de geração da forma de onda trifásica, com o objetivo de aproximar a trajetória ideal do campo magnético rotativo circular do entreferro do motor. Ele gera uma forma de onda de modulação trifásica e a controla aproximando um círculo usando um polígono inscrito.
Após o uso prático, foram feitas melhorias com a introdução de compensação de frequência para eliminar erros de controle de velocidade; estimar a amplitude do fluxo através de feedback para eliminar a influência da resistência do estator em baixas velocidades; e loops de fechamento para tensão e corrente de saída para melhorar a precisão dinâmica e a estabilidade.
No entanto, existem muitos links de circuito de controle, o ajuste de torque não foi introduzido, portanto o desempenho do sistema não foi fundamentalmente melhorado.
O método de regulação de velocidade de frequência variável no controle vetorial é converter as correntes do estator Ia, Ib, Ic de motores assíncronos em correntes CA bifásicas Ia1Ib1 sob sistemas de coordenadas estacionárias por meio de transformação trifásica para bifásica. Em seguida, eles são transformados em correntes CC Im1 e It1 sob sistemas de coordenadas rotativas síncronas através da transformação de rotação da orientação do campo do rotor (onde Im1 corresponde à corrente de excitação em motores CC; It1 corresponde à corrente de armadura proporcional ao torque). A grandeza de controle para motores CC é obtida imitando seus métodos de controle. Após a realização das transformações inversas de coordenadas correspondentes, o controle do motor assíncrono pode ser alcançado.
Em essência, os motores CA são equivalentes aos motores CC e o controle independente é aplicado separadamente para componentes de velocidade e campo magnético. Controlando primeiro o fluxo do rotor e depois decompondo a corrente do estator em componentes de torque e campo magnético, seguido por controle ortogonal ou desacoplado por meio de transformações de coordenadas. A proposta do método de controle vetorial foi revolucionária, mas difícil na prática devido às dificuldades de observar com precisão o fluxo do rotor, o que afeta muito as características do sistema, bem como as complexas transformações de rotação vetorial usadas durante controles equivalentes de motores CC, dificultando a obtenção de resultados analíticos ideais.
Controle o fluxo magnético do estator introduzindo um observador de fluxo magnético do estator para obter controle sem sensor;
A identificação automática (ID) depende de modelos matemáticos precisos do motor para identificar automaticamente os parâmetros do motor;
Calcule o torque real, o fluxo magnético do estator e a velocidade do rotor em tempo real com base nos valores reais correspondentes à impedância do estator, indutância mútua, fatores de saturação magnética, inércia, etc.;
Realize o controle Banda-Banda gerando sinais PWM de acordo com o fluxo magnético e o torque para controlar o estado de comutação do inversor.
O conversor de frequência CA tipo matriz possui resposta rápida de torque (<2ms), precisão de alta velocidade (±2%, sem feedback PG), alta precisão de torque (<+3%); ao mesmo tempo, também possui maior torque de partida e alta precisão de torque, especialmente em baixas velocidades (incluindo velocidade 0), podendo produzir 150% ~ 200% do torque nominal.
Como o conversor de frequência controla o motor? Como eles estão conectados?
A fiação do conversor de frequência para controlar um motor é relativamente simples, semelhante à fiação de um contator. Três fios principais da fonte de alimentação são conectados e enviados para o motor. Entretanto, existem diferentes maneiras de controlar o conversor de frequência.
Primeiramente, vamos dar uma olhada nas conexões dos terminais do conversor de frequência. Embora existam muitas marcas e diferentes métodos de fiação para conversores de frequência, a maioria deles possui conexões de terminal semelhantes. Eles geralmente incluem entradas de chave para rotação direta e reversa usadas para controlar partida e reversão de motores; terminais de feedback usados para fornecer feedback sobre o status operacional, como frequência de operação, velocidade, status de falha, etc.; controles de configuração de velocidade que podem ser ajustados usando potenciômetros ou botões dependendo dos diferentes tipos de conversores.
O controle pode ser obtido através de fiação física ou redes de comunicação. Muitos inversores de frequência agora suportam controle de comunicação, permitindo partida/parada do motor, rotação para frente/para trás, ajuste de velocidade e informações de feedback a serem transmitidas através da linha de comunicação.
Quando a velocidade de rotação (frequência) do motor muda, o que acontece com o seu torque de saída?
O torque inicial e o torque máximo quando acionado por um conversor de frequência devem ser menores do que quando acionado diretamente pela rede elétrica.
Quando o motor é alimentado pela rede elétrica, há um grande impacto na partida e na aceleração. Contudo, quando alimentados por um conversor de frequência, estes impactos são mais fracos. A partida direta na frequência da rede produzirá uma grande corrente de partida. Ao usar um conversor de frequência, a tensão de saída e a frequência do conversor são gradualmente adicionadas ao motor, de modo que a corrente de partida e o impacto no motor são menores.
Normalmente, à medida que a frequência diminui (diminui a velocidade), o torque gerado pelo motor também diminui. Os dados reais desta diminuição podem ser encontrados em alguns manuais de conversores de frequência.
Ao usar um método de controle vetorial com inversor de controle de fluxo magnético, ele pode melhorar o torque insuficiente dos motores em baixa velocidade, de modo que, mesmo em baixas velocidades, torque suficiente possa ser gerado.
Ao ajustar para frequências superiores a 50 Hz com um inversor de frequência variável (VFD), o torque de saída do motor diminuirá.
Os motores convencionais são projetados e fabricados de acordo com padrões de tensão de 50 Hz; seus torques nominais também são fornecidos dentro desta faixa de tensão. Portanto, a regulação de velocidade abaixo das frequências nominais é chamada de regulação de velocidade de torque constante (T=Te,P<=Pe).
Como as frequências de saída do VFD excedem 50 Hz, a relação linear entre os torques produzidos pelos motores reduz proporcionalmente com o aumento das frequências.
Ao operar em velocidades acima de 50 Hz, deve-se considerar a prevenção da ocorrência de torques de saída insuficientes devido ao tamanho da carga nos motores elétricos.
Por exemplo, o torque produzido de um motor elétrico operando a 100 Hz seria reduzido aproximadamente pela metade em comparação com aquele produzido operando a 50 Hz.
Portanto, a regulação de velocidade acima das frequências nominais é chamada de regulação de velocidade de potência constante (P=Ue*Ie).
Aplicação de conversor de frequência acima de 50Hz
Como sabemos, para um motor específico, sua tensão e corrente nominais são constantes.
Se os valores nominais do conversor de frequência e do motor forem 15kW/380V/30A, o motor poderá operar em frequências acima de 50Hz.
Quando a velocidade é 50Hz, a tensão de saída do conversor de frequência é 380V e a corrente é 30A. Se aumentarmos a frequência de saída para 60 Hz, a tensão e corrente máxima de saída do conversor de frequência ainda será de apenas 380 V/30 A. Obviamente, como a potência de saída permanece inalterada, isso é chamado de regulação de velocidade de potência constante.
E quanto ao torque neste caso?
Como P = wT (P: potência; w: velocidade angular; T: torque), se P permanecer constante, mas w aumentar, então T diminuirá de acordo.
Também podemos olhar para isso de outra perspectiva:
A tensão do estator U=E+I*R (I: corrente; R: resistência elétrica; E: força eletromotriz induzida) de um motor,
Pode-se ver que quando U e I permanecem inalterados, E também permanece inalterado.
E E=kfX (k: constante; f: frequência; X:fluxo magnético). Portanto, quando f muda de 50-->60Hz,X diminui correspondentemente.
Para um motor, T = KEUX(K:constante;I:corrente;X:fluxo magnético). Portanto, à medida que o fluxo magnético X diminui, T também diminuirá proporcionalmente.
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-->o torque máximo permanece inalterado).
Conclusão: Quando a frequência de saída de um conversor de frequência aumenta acima de 50 Hz, o torque de saída do motor diminuirá.
Outros fatores relacionados ao torque de saída
A capacidade de aquecimento e resfriamento determina a capacidade de corrente de saída do inversor, afetando assim a capacidade de torque de saída do inversor.
Frequência portadora: A corrente nominal indicada pelos inversores gerais é baseada no valor que pode ser emitido continuamente na frequência portadora mais alta e na temperatura ambiente mais alta. A redução da frequência portadora não afetará a corrente do motor. No entanto, o aquecimento dos componentes diminuirá.
Temperatura ambiente: Assim como é desnecessário aumentar o valor da corrente de proteção do inversor ao detectar baixa temperatura ambiente.
Altitude: O aumento da altitude afeta a dissipação de calor e o desempenho do isolamento. Geralmente, pode ser ignorado abaixo de 1.000 m, e uma redução de capacitância de 5% por 1.000 metros acima deste nível é suficiente.
Como ajustar a frequência do motor controlado pelo inversor de frequência?
No resumo acima, aprendemos porque é necessário usar um inversor de frequência para controlar o motor e como ele funciona. O controle do motor pelo inversor de frequência pode ser resumido em dois pontos: primeiro, controlar a tensão de partida e a frequência do motor com o inversor de frequência para obter partida e parada suaves; segundo, ajustar a velocidade do motor alterando sua frequência por meio de um inversor de frequência variável.
Houve uma questão prática levantada pelos internautas: qual é a frequência mais baixa que pode ser ajustada ao controlar um motor comum com inversor de frequência? Atualmente foi ajustado para 60Hz e o dirigente me pediu para continuar aumentando o número de Hz. O plano é ajustá-lo para 100Hz. Alguém já ajustou para 100Hz? (Em situações semelhantes, que fatores precisam ser considerados?)
Vamos ver como os internautas respondem:
Internauta lpl53: Atingimos 200 Hz em máquinas de lavar industriais, mas a corrente não é alta.
Netizen26584: O motor da retificadora geralmente está entre 100-110…
Internauta 82252031: Se houver energia suficiente e nenhuma corrente excessiva no motor, ele pode funcionar. No entanto, deve-se prestar atenção à medição da temperatura dos rolamentos do motor, ruídos e vibrações anormais. Um motor acionado por frequência variável funciona a 70-80 Hz por um longo período; motores de seis pólos são fáceis de testar, enquanto motores de dois pólos exigem cautela.
Internauta fsjnzhouyan: Isso depende da qualidade das chapas de aço silício usadas nos motores. Em casos de uso anteriores, normalmente não havia problemas até cerca de 85 Hz; porém muitos motores não conseguem atingir sua velocidade nominal após serem ajustados até cerca de 90 Hz devido à saturação magnética.
Netizen ZCMY: É melhor substituir os rolamentos do motor por rolamentos de alta velocidade. Teste também as vibrações e certifique-se de que sejam adequadas para cargas como ventiladores ou bombas de água.
Internauta mengx9806: Certa vez, ajustei-o até 1210 Hz usando o inversor de frequência variável A1000 da máquina elétrica da Dongyuan, que funcionou sem problemas por dois anos consecutivos, sem grandes problemas, embora pequenos problemas possam surgir se algo der errado.
Internauta 68957：Tentei ajustá-lo para 180, mas funcionou por pouco tempo.
Internauta 1531214350: Já consertei máquinas de lavar antes e o motor era comum. Funcionou a 150 Hz durante a centrifugação.
Ya de Ya: Se a frequência de um motor comum for superior à sua frequência nominal em 20%, a diferença de velocidade aumentará; à medida que a frequência aumenta, também aumenta essa diferença de velocidade.
Internauta kdrjl: Parece que ainda há muito pouco entendimento sobre a estrutura básica e o uso dos motores de indução CA. O limite de velocidade mais alto para regular motores de indução não está em inversores de frequência variável. De modo geral, os inversores de frequência variáveis regulares operam em frequências não inferiores a 400 Hz no modo V/F (por exemplo, o inversor de frequência variável da Siemens opera a 600 Hz). Para controle vetorial, o limite máximo de frequência operacional é de 200-300 Hz, enquanto o controle servo tem limites ainda mais altos. Portanto, se você deseja regular a velocidade do seu motor de indução em até 100 Hz através de um variador de frequência, não há obstáculos técnicos ou dúvidas quanto a este assunto.
A estrutura mecânica do rotor de um motor de indução - tal como a sua estrutura de gaiola - determina a sua resistência mecânica que está relacionada com a velocidade rotacional máxima do seu projeto; quanto mais rápido ele gira, maior se torna a força centrífuga. Portanto, geralmente satisfaz as especificações de projeto com base em suas velocidades rotacionais máximas e suas resistências mecânicas não podem ser infinitamente grandes. Os rolamentos do rotor também possuem um limite máximo de rotação. Portanto, ao ultrapassar esses valores, você precisa entender quais são esses limites e substituí-los por rolamentos de alta velocidade, se necessário.
Finalmente, a depuração e configuração do equilíbrio dinâmico do rotor não devem exceder os parâmetros designados pelo fabricante.
Em resumo, ao regular a velocidade de um motor de indução através de uma aplicação de acionamento de frequência variável superior a 100 Hz, é importante primeiro consultar os fabricantes se isso pode ser feito ou solicitar motores personalizados, para garantir a confiabilidade em condições de alta velocidade. decidir não passar pelos fabricantes, você deve primeiro determinar o teste de equilíbrio dinâmico do rotor e depois confirmar a velocidade máxima de rotação do rolamento.
Se exceder esse valor, será necessário substituí-los por rolamentos de alta velocidade que possam atender aos requisitos do local. Você também precisa considerar problemas de dissipação de calor.
Finalmente, com base na experiência, os motores de indução com potência inferior a 100kW devem ser relativamente adequados para funcionar em frequências dentro de 100Hz; no entanto, aqueles que excedem 100 kW são melhor personalizados em vez de escolher produtos convencionais de uso geral.
O internauta finge: Depende principalmente do próprio motor. Se for originalmente um motor bipolar de alta potência, deve-se ter cuidado. Máquinas de lavar industriais são exemplos de operação frequente com excesso de velocidade, mas suas velocidades nominais são geralmente baixas - principalmente motores de seis pólos. Já vi motores de quatro pólos atingirem até 120 Hz.
