перейти к содержанию 
Все мы знаем, что преобразователь частоты — это технология, которую следует освоить в электромонтажных работах, а использование преобразователя частоты для управления двигателями — распространенный метод электрического управления; некоторые также требуют навыков.
Сегодня мы обобщим и систематизируем соответствующие знания, используя наши ограниченные знания. Содержание может повторяться, но цель состоит в том, чтобы рассказать всем об удивительной взаимосвязи между преобразователями частоты и двигателями.
Прежде всего, зачем использовать преобразователь частоты для управления двигателем?
Давайте сначала кратко разберемся в этих двух устройствах.
Двигатель представляет собой индуктивную нагрузку, препятствующую изменению тока. Во время запуска произойдет большое изменение тока.
Преобразователь частоты — это устройство, которое использует двухпозиционное действие силовых полупроводниковых приборов для преобразования частоты источника питания в другую частоту электрической энергии в целях управления. В основном он состоит из двух частей: основной схемы (модуль выпрямителя, электролитический конденсатор и модуль инвертора) и схемы управления (плата импульсного источника питания и плата схемы управления).
В целях снижения пускового тока электродвигателя, особенно двигателей большей мощности, с увеличением мощности увеличивается и пусковой ток. Чрезмерный пусковой ток может привести к увеличению нагрузки на распределительную сеть. Однако преобразователь частоты может решить эту проблему, обеспечивая плавный пуск без возникновения чрезмерных пусковых токов.
Еще одна функция использования преобразователя частоты — регулирование скорости двигателей. Во многих случаях контроль скорости двигателя необходим для достижения большей эффективности производства. Преобразователи частоты всегда были известны своей способностью регулировать скорость путем изменения частоты источника.
Каковы методы управления преобразователями частоты?
Пять наиболее часто используемых способов управления двигателями с преобразователями частоты следующие:
Выходное напряжение низковольтного преобразователя частоты общего назначения составляет 380–650 В, выходная мощность 0,75–400 кВт, рабочая частота 0–400 Гц, а его основная схема использует схему переменного-постоянного-переменного тока. Его метод управления прошел через четыре поколения.
Метод управления с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (SPWM) с U/f=C
Его характеристиками являются простая структура схемы управления, низкая стоимость, хорошая механическая твердость и соответствие требованиям плавного регулирования скорости обычной трансмиссии. Он широко использовался в различных отраслях промышленности.
Однако на низких частотах из-за меньшего выходного напряжения и значительного влияния момента на падение сопротивления статора максимальный выходной момент снижается.
Кроме того, его механические характеристики не так сложны, как у двигателей постоянного тока.
Динамический крутящий момент и характеристики статического регулирования скорости пока неудовлетворительны. Производительность системы также невысока; кривая управления будет меняться при изменении нагрузки; реакция крутящего момента медленная; коэффициент использования крутящего момента двигателя невысокий; производительность снижается на низких скоростях из-за сопротивления статора и эффектов мертвой зоны инвертора, в то время как стабильность ухудшается и т. д. Поэтому люди исследовали регулирование скорости с переменной частотой и векторным управлением.
Метод управления с пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией (SVPWM)
Он основан на общем эффекте генерации трехфазного сигнала с целью аппроксимации идеальной круговой траектории вращающегося магнитного поля воздушного зазора двигателя. Он генерирует сигнал трехфазной модуляции и управляет им, аппроксимируя окружность с помощью вписанного многоугольника.
После практического использования были внесены улучшения путем введения частотной компенсации для устранения ошибок регулирования скорости; оценка амплитуды потока посредством обратной связи для устранения влияния сопротивления статора на малых скоростях; и замыкающие контуры выходного напряжения и тока для повышения динамической точности и стабильности.
Однако имеется множество звеньев цепи управления, регулировка крутящего момента не была введена, поэтому производительность системы принципиально не улучшилась.
Метод векторного управления (VC)
Способ частотно-регулируемого регулирования скорости при векторном управлении заключается в преобразовании токов статора Iа, Iб, Iс асинхронных двигателей в двухфазные переменные токи Iа1Iб1 в стационарных системах координат путем трехфазного преобразования в двухфазное. Затем они преобразуются в постоянные токи Im1 и It1 в синхронно вращающихся системах координат посредством преобразования ориентации поля ротора (где Im1 соответствует току возбуждения в двигателях постоянного тока; It1 соответствует току якоря, пропорциональному крутящему моменту). Управляющая величина для двигателей постоянного тока получается путем имитации их методов управления. После выполнения соответствующих обратных преобразований координат можно обеспечить управление асинхронным двигателем.
По сути, двигатели переменного тока эквивалентны двигателям постоянного тока, и независимое управление применяется отдельно для компонентов скорости и магнитного поля. Сначала управляя потоком ротора, затем разлагая ток статора на компоненты крутящего момента и магнитного поля с последующим ортогональным или несвязанным управлением посредством преобразований координат. Предложение метода векторного управления было революционным, но трудным на практике из-за трудностей с точным наблюдением потока ротора, что сильно влияет на характеристики системы, а также из-за сложных преобразований векторного вращения, используемых при эквивалентном управлении двигателем постоянного тока, что затрудняет получение реальных результатов при достижении идеальных аналитических результатов.
Конкретный метод:
Управляйте магнитным потоком статора, вводя наблюдатель магнитного потока статора для достижения бездатчикового управления;
Автоматическая идентификация (ID) опирается на точные математические модели двигателя для автоматического определения параметров двигателя;
Расчет фактического крутящего момента, магнитного потока статора и скорости ротора в режиме реального времени на основе фактических значений, соответствующих импедансу статора, взаимной индуктивности, коэффициентам магнитного насыщения, инерции и т. д.;
Реализуйте полосовое управление путем генерации сигналов ШИМ в соответствии с магнитным потоком и крутящим моментом для управления состоянием переключения инвертора.
Преобразователь частоты переменного тока матричного типа имеет быструю реакцию крутящего момента (<2 мс), высокая точность скорости (±2%, без обратной связи с PG), высокая точность крутящего момента (<+3%); в то же время он также имеет более высокий пусковой момент и высокую точность крутящего момента, особенно на низких скоростях (включая 0-скорость), он может выдавать 150–200 % номинального крутящего момента.
Как преобразователь частоты управляет двигателем? Как они соединены между собой?
Подключение преобразователя частоты для управления двигателем относительно простое, аналогично подключению контактора. Три основных провода питания подключаются и затем выводятся на двигатель. Однако существуют разные способы управления преобразователем частоты.
Во-первых, давайте посмотрим на клеммные соединения преобразователя частоты. Несмотря на то, что существует множество производителей и разные способы подключения преобразователей частоты, большинство из них имеют одинаковые клеммные соединения. Обычно они включают в себя переключающие входы для прямого и обратного вращения, используемые для управления пуском и реверсом двигателей; клеммы обратной связи, используемые для обеспечения обратной связи о рабочем состоянии, например, рабочей частоте, скорости, состоянии неисправности и т. д.; элементы управления установкой скорости, которые можно регулировать с помощью потенциометров или кнопок в зависимости от различных типов преобразователей.
Управление может осуществляться посредством физической проводки или сетей связи. Многие преобразователи частоты теперь поддерживают управление через связь, позволяя передавать по линии связи информацию о запуске/остановке двигателя, вращении вперед/назад, регулировке скорости и обратной связи.
Когда изменяется скорость вращения (частота) двигателя, что происходит с его выходным крутящим моментом?
Пусковой и максимальный крутящий момент при приводе от преобразователя частоты должны быть меньше, чем при прямом приводе от сети.
Когда двигатель питается от сети, возникает сильное пусковое и ускоряющее воздействие. Однако при питании от преобразователя частоты эти воздействия слабее. Прямой пуск с частотой сети создаст большой пусковой ток. При использовании преобразователя частоты выходное напряжение и частота преобразователя постепенно добавляются к двигателю, поэтому пусковой ток и воздействие на двигатель становятся меньше.
Обычно при уменьшении частоты (уменьшении скорости) крутящий момент, создаваемый двигателем, также уменьшается. Фактические данные по этому уменьшению можно найти в некоторых руководствах к преобразователям частоты.
Используя метод векторного управления с инвертором управления магнитным потоком, можно улучшить недостаточный крутящий момент двигателей на низких скоростях, так что даже на низких скоростях можно будет выдавать достаточный крутящий момент.
При настройке на частоты выше 50 Гц с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП) выходной крутящий момент двигателя уменьшится.
Обычные двигатели проектируются и производятся в соответствии со стандартами напряжения 50 Гц; их номинальные крутящие моменты также указаны в этом диапазоне напряжений. Поэтому регулирование скорости ниже номинальных частот называется регулированием скорости с постоянным моментом (T=Te,P<=Пе).
Поскольку выходные частоты ЧРП превышают 50 Гц, линейная зависимость между крутящими моментами двигателей уменьшается пропорционально увеличению частоты.
При работе на скоростях выше 50 Гц необходимо принять меры для предотвращения возникновения недостаточного выходного крутящего момента из-за размера нагрузки на электродвигатели.
Например, создаваемый крутящий момент электродвигателя, работающего на частоте 100 Гц, уменьшится примерно вдвое по сравнению с крутящим моментом, создаваемым при работе на частоте 50 Гц.
Поэтому регулирование скорости выше номинальной частоты называется регулированием скорости с постоянной мощностью (P=Ue*Ie).
Применение преобразователя частоты выше 50 Гц
Как мы знаем, для конкретного двигателя его номинальное напряжение и ток постоянны.
Если номинальные значения преобразователя частоты и двигателя составляют 15 кВт/380 В/30 А, двигатель может работать на частотах выше 50 Гц.
При скорости 50 Гц выходное напряжение преобразователя частоты составляет 380 В, а ток — 30 А. Если мы увеличим выходную частоту до 60 Гц, то максимальное выходное напряжение и ток преобразователя частоты по-прежнему будут составлять всего 380 В/30 А. Очевидно, что поскольку выходная мощность остается неизменной, это называется регулированием скорости с постоянной мощностью.
А как насчет крутящего момента в этом случае?
Поскольку P=wT (P: мощность; w: угловая скорость; T: крутящий момент), если P остается постоянным, но w увеличивается, то T соответственно уменьшится.
Мы также можем взглянуть на это с другой точки зрения:
Напряжение статора U=E+I*R (I: ток; R: электрическое сопротивление; E: наведенная электродвижущая сила) двигателя,
Видно, что когда U и I остаются неизменными, E также остается неизменным.
И Е=кфX (k: постоянная; f: частота; X: магнитный поток). Поэтому, когда f изменяется от 50-->60 Гц, X соответственно уменьшается.
Для двигателя T=KяX(K: постоянная; I: ток; X: магнитный поток). Следовательно, по мере уменьшения магнитного потока X, соответственно будет уменьшаться и T.
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-->максимальный крутящий момент остается неизменным).
Заключение: Когда выходная частота преобразователя частоты увеличивается выше 50 Гц, выходной крутящий момент двигателя уменьшается.
Другие факторы, связанные с выходным крутящим моментом
Мощность нагрева и охлаждения определяет допустимый выходной ток инвертора, тем самым влияя на выходной крутящий момент инвертора.
Несущая частота: номинальный ток, указанный инверторами общего назначения, основан на значении, которое может непрерывно выдаваться при самой высокой несущей частоте и самой высокой температуре окружающей среды. Уменьшение несущей частоты не повлияет на ток двигателя. Однако нагрев компонентов уменьшится.
Температура окружающей среды: Точно так же, как нет необходимости увеличивать значение тока защиты инвертора при обнаружении низкой температуры окружающей среды.
Высота: Увеличение высоты влияет как на рассеивание тепла, так и на изоляционные характеристики. Как правило, его можно игнорировать на глубине ниже 1000 м, и достаточно уменьшения емкости на 5% на каждые 1000 метров выше этого уровня.
Как отрегулировать частоту двигателя, управляемого преобразователем частоты?
Из приведенного выше обзора мы узнали, почему необходимо использовать преобразователь частоты для управления двигателем и как он работает. Управление двигателем с помощью преобразователя частоты можно свести к двум пунктам: во-первых, управление пусковым напряжением и частотой двигателя с помощью преобразователя частоты для достижения плавного запуска и остановки; во-вторых, регулировка скорости двигателя путем изменения его частоты с помощью преобразователя частоты.
Пользователи сети подняли практический вопрос: какова минимальная частота, которую можно регулировать при управлении обычным двигателем с частотно-регулируемым приводом? В настоящее время она настроена на 60 Гц, и руководитель попросил меня продолжать увеличивать число Гц. В планах настроить его на 100Гц. Кто-нибудь когда-нибудь настраивал его на 100 Гц? (Какие факторы необходимо учитывать в подобных ситуациях?)
Посмотрим, как отреагируют пользователи сети:
Пользователь сети lpl53: Мы достигли частоты 200 Гц на промышленных стиральных машинах, но ток невысокий.
Netizen26584: Двигатель шлифовального станка обычно работает в диапазоне 100–110…
Пользователь сети 82252031: Если в двигателе достаточно мощности и нет чрезмерного тока, он может работать. Однако следует уделять внимание измерению температуры подшипников двигателя, аномальному шуму и вибрации. Один двигатель с регулируемой частотой работает в течение длительного времени при частоте 70–80 Гц; шестиполюсные двигатели легко опробовать, а двухполюсные требуют осторожности.
Пользователь сети fsjnzhouyan: Это зависит от качества листов кремнистой стали, используемых в двигателях. В предыдущих случаях использования проблем обычно не возникало вплоть до частоты 85 Гц; однако многие двигатели не могут достичь номинальной скорости после регулировки примерно до 90 Гц из-за магнитного насыщения.
Пользователь сети ZCMY: Лучше всего заменить подшипники двигателя на высокоскоростные. Также проверьте наличие вибрации и убедитесь, что они подходят для таких нагрузок, как вентиляторы или водяные насосы.
Пользователь сети mengx9806: Однажды я отрегулировал его до 1210 Гц, используя частотно-регулируемый привод Dongyuan серии A1000, который работал без каких-либо проблем в течение двух лет подряд, не возникая серьезных проблем, хотя небольшие проблемы могут возникнуть, если что-то пойдет не так.
Пользователь сети 68957: Я пробовал увеличить его до 180, но это работало лишь на короткое время.
Пользователь сети 1531214350: Раньше я ремонтировал стиральные машины, и мотор был обычный. Во время сушки при отжиме он работал на частоте 150 Гц.
Я-де-Я: Если частота обычного двигателя превышает его номинальную частоту на 20%, то разница скоростей увеличится; по мере увеличения частоты увеличивается и эта разница в скорости.
Пользователь сети kdrjl: Похоже, что до сих пор слишком мало понимания базовой структуры и использования асинхронных двигателей переменного тока. Максимальный предел скорости регулирования асинхронных двигателей не относится к преобразователям частоты. Вообще говоря, обычные частотно-регулируемые приводы работают на частотах не ниже 400 Гц в режиме V/F (например, преобразователь частоты Siemens работает на частоте 600 Гц). Для векторного управления максимальный предел рабочей частоты составляет 200–300 Гц, тогда как для сервоуправления пределы еще выше. Поэтому, если вы хотите регулировать скорость вашего асинхронного двигателя до 100Гц с помощью частотно-регулируемого привода, то в этом вопросе нет никаких технических препятствий или сомнений.
Механическая структура ротора асинхронного двигателя, например, его клетка, определяет его механическую прочность, которая связана с максимальной скоростью вращения его конструкции; чем быстрее он вращается, тем больше становится центробежная сила. Следовательно, они обычно удовлетворяют проектным спецификациям, основанным на их максимальных скоростях вращения, а их механическая прочность не может быть бесконечно большой. Подшипники ротора также имеют максимальный предел вращения. Поэтому при выходе за пределы этих значений необходимо понимать, каковы эти пределы, и при необходимости заменять их высокоскоростными подшипниками.
Наконец, доводка динамической балансировки и настройка ротора не должны превышать параметры, указанные производителем.
Таким образом, при регулировании скорости асинхронного двигателя с помощью преобразователя частоты, превышающего 100 Гц, важно сначала проконсультироваться с производителями, можно ли это сделать, или вместо этого запросить двигатели, изготовленные по индивидуальному заказу, чтобы обеспечить надежность в условиях высоких скоростей. Если вы решите не обращаться к производителям, вам необходимо сначала провести тест на динамическую балансировку ротора, а затем подтвердить максимальную скорость вращения подшипника.
Если оно превышает это значение, необходимо заменить их высокоскоростными подшипниками, отвечающими требованиям на месте эксплуатации. Также необходимо учитывать вопросы рассеивания тепла.
Наконец, исходя из опыта, асинхронные двигатели мощностью менее 100 кВт должны быть относительно пригодны для работы на частотах в пределах 100 Гц; однако те, мощность которых превышает 100 кВт, лучше всего индивидуализировать, а не выбирать обычные продукты общего назначения.
Пользователь сети lvpretend: В основном это зависит от самого двигателя. Если изначально речь идет о двухполюсном двигателе большой мощности, необходимо соблюдать осторожность. Промышленные стиральные машины являются примером частого превышения скорости, но их номинальная скорость, как правило, низкая - в основном это шестиполюсные двигатели. Я видел, как четырехполюсные двигатели достигают частоты до 120 Гц.
Более подробную информацию, пожалуйста, свяжитесь с профессиональный производитель электродвигателей - Dongchun Motor напрямую из Китая
