مبدل های فرکانس

از اواخر دهه 1960، مبدل های فرکانس به طور چشمگیری تغییر کرده اند، که عمدتاً در نتیجه توسعه فناوری های ریزپردازنده و نیمه هادی و کاهش هزینه های آنها بوده است.

با این حال، اصول اساسی ذاتی مبدل های فرکانس یکسان باقی می مانند.

مبدل های فرکانس شامل چهار عنصر اصلی است:

برنج. 1. بلوک دیاگرام مبدل فرکانس

1. یکسو کننده هنگامی که به منبع تغذیه AC تک/سه فاز متصل می شود، یک ولتاژ DC ضربانی تولید می کند. دو نوع اصلی یکسو کننده وجود دارد - کنترل شده و کنترل نشده.

2. مدار میانی یکی از سه نوع:

الف) تبدیل ولتاژ یکسو کننده به دی سی.

ب) تثبیت یا صاف کردن ولتاژ DC ضربان دار و تامین آن به اینورتر.

ج) تبدیل ولتاژ DC ثابت یکسو کننده به ولتاژ AC متغیر.

3. اینورتر که فرکانس ولتاژ موتور الکتریکی را تولید می کند. برخی از اینورترها همچنین می توانند ولتاژ DC ثابت را به ولتاژ AC متغیر تبدیل کنند.

4. مدار الکترونیکیکنترلی که سیگنال ها را به یکسو کننده، مدار میانی و اینورتر ارسال می کند و سیگنال های این عناصر را دریافت می کند. ساخت عناصر کنترل شده به طراحی مبدل فرکانس خاص بستگی دارد (شکل 2.02 را ببینید).

مشترک همه مبدل های فرکانس این است که تمام مدارهای کنترلی عناصر نیمه هادی اینورتر را کنترل می کنند. مبدل های فرکانس در حالت سوئیچینگ مورد استفاده برای تنظیم ولتاژ منبع تغذیه موتور متفاوت هستند.

در شکل 2 که اصول مختلف ساخت/کنترل مبدل را نشان می دهد، از نمادهای زیر استفاده می شود:

1- یکسو کننده کنترل شده،

2- یکسو کننده کنترل نشده،

3- مدار میانی با جریان مستقیم متغیر،

4- مدار میانی ولتاژ ثابت DC

5- مدار میانی با جریان مستقیم متغیر،

6- اینورتر با مدولاسیون دامنه پالس (PAM)

7- اینورتر با مدولاسیون عرض پالس (PWM)

اینورتر جریان (IT) (1+3+6)

مبدل با مدولاسیون دامنه پالس (PAM) (1+4+7) (2+5+7)

مبدل مدولاسیون عرض پالس (PWM/VVCplus) (2+4+7)

برنج. 2. اصول مختلفمبدل فرکانس ساختمان/کنترل

برای کامل بودن باید به مبدل های مستقیمی که مدار میانی ندارند اشاره کرد. چنین مبدل هایی در محدوده توان مگاوات برای تولید ولتاژ تغذیه فرکانس پایین مستقیماً از شبکه 50 هرتز با حداکثر فرکانس خروجی حدود 30 هرتز استفاده می شود.

یکسو کننده

ولتاژ منبع تغذیه سه فاز یا تک فاز ولتاژ متناوب با فرکانس ثابت (به عنوان مثال، 3x400 V / 50 هرتز یا 1 x 240 V / 50 هرتز). مشخصات این ولتاژها در شکل زیر نشان داده شده است.

برنج. 3. ولتاژ AC تکفاز و سه فاز

در شکل، هر سه فاز در زمان جابجا شده‌اند، ولتاژ فاز دائماً تغییر جهت می‌دهد و فرکانس تعداد دوره‌ها را در ثانیه نشان می‌دهد. فرکانس 50 هرتز به این معنی است که 50 دوره در ثانیه (50 x T) وجود دارد. یک دوره 20 میلی ثانیه طول می کشد.

یکسو کننده مبدل فرکانس یا بر روی دیودها یا بر روی تریستورها یا ترکیبی از هر دو ساخته شده است. یکسو کننده ساخته شده بر روی دیودها کنترل نشده است، در حالی که یکسو کننده ساخته شده بر روی تریستور کنترل می شود. اگر از هر دو دیود و تریستور استفاده شود، یکسو کننده نیمه کنترل می شود.

یکسو کننده های کنترل نشده

برنج. 4. حالت کار دیود.

دیودها اجازه می دهند جریان فقط در یک جهت جریان یابد: از آند (A) به کاتد (K). مانند برخی دیگر از دستگاه های نیمه هادی، جریان دیود را نمی توان تنظیم کرد. ولتاژ AC توسط دیود به یک ولتاژ DC ضربانی تبدیل می شود. اگر یک رکتیفایر سه فاز کنترل نشده با ولتاژ AC سه فاز تغذیه شود، در این حالت ولتاژ DC ضربان خواهد داشت.

برنج. 5. یکسو کننده کنترل نشده

در شکل شکل 5 یک یکسوساز سه فاز کنترل نشده حاوی دو گروه دیود را نشان می دهد. یک گروه شامل دیودهای D1، D3 و D5 است. گروه دیگر شامل دیودهای D2، D4 و D6 است. هر دیود جریان را برای یک سوم زمان پریود (120 درجه) هدایت می کند. در هر دو گروه، دیودها جریان را به ترتیب خاصی هدایت می کنند. دوره هایی که در طی آن هر دو گروه کار می کنند به اندازه 1/6 زمان دوره T (60 درجه) از یکدیگر جابه جا می شوند.

دیودهای D1,3,5 در صورت اعمال ولتاژ مثبت به آنها باز هستند (رسانا). اگر ولتاژ فاز L به مقدار پیک مثبت برسد، دیود D باز است و ترمینال A ولتاژ فاز L1 را دریافت می کند.

در گروه دیودهای D2،4،6 نیز همین اتفاق می افتد. در این حالت ترمینال B یک ولتاژ فاز منفی دریافت می کند. اگر در لحظه فاز L3 به حداکثر مقدار منفی برسد، دیود D6 باز است (رسانا). هر دو دیود دیگر تحت تأثیر ولتاژ معکوس با بزرگی U L3-1 و U L3-2 قرار می گیرند.

ولتاژ خروجی یکسو کننده کنترل نشده برابر با اختلاف ولتاژ این دو گروه دیود است. مقدار متوسط ​​ولتاژ DC ریپل 1.35 x ولتاژ شبکه است.

برنج. 6. ولتاژ خروجی یکسو کننده سه فاز کنترل نشده

یکسو کننده های کنترل شده

در یکسو کننده های کنترل شده، دیودها با تریستور جایگزین می شوند. مانند یک دیود، یک تریستور جریان را تنها در یک جهت - از آند (A) به کاتد (K) عبور می دهد. با این حال، بر خلاف دیود، تریستور دارای یک الکترود سوم به نام "دروازه" (G) است. برای اینکه تریستور باز شود، باید یک سیگنال به دروازه اعمال شود. اگر جریانی از تریستور عبور کند، تریستور آن را تا زمانی که جریان صفر شود عبور می کند.

جریان را نمی توان با اعمال سیگنال به گیت قطع کرد. تریستورها هم در یکسو کننده ها و هم در اینورترها استفاده می شوند.

یک سیگنال کنترل a به دروازه تریستور ارسال می شود که با تاخیر بیان شده در درجه مشخص می شود. این درجات باعث تاخیر بین لحظه عبور ولتاژ از صفر تا زمانی که تریستور باز است.

برنج. 7. حالت کار تریستور

اگر زاویه a در محدوده 0 تا 90 درجه باشد، مدار تریستور به عنوان یکسو کننده و اگر در محدوده 90 درجه تا 300 درجه باشد، از آن به عنوان یک اینورتر استفاده می شود.

برنج. 8. یکسو کننده سه فاز کنترل شده

یکسو کننده کنترل شده اساساً هیچ تفاوتی با یکسو کننده کنترل نشده ندارد، به جز اینکه تریستور توسط سیگنال a کنترل می شود و از لحظه ای که دیود معمولی شروع به هدایت می کند تا لحظه ای که 30 درجه دیرتر از نقطه ولتاژ است هدایت می شود. از صفر عبور می کند

تنظیم مقدار a به شما امکان می دهد مقدار ولتاژ اصلاح شده را تغییر دهید. یکسو کننده کنترل شده یک ولتاژ ثابت تولید می کند که مقدار متوسط ​​آن 1.35 x ولتاژ شبکه x cos α است.

برنج. 9. ولتاژ خروجی یکسو کننده سه فاز کنترل شده

در مقایسه با یکسو کننده کنترل نشده، یکسو کننده کنترل شده تلفات قابل توجهی دارد و نویز بیشتری را وارد شبکه منبع تغذیه می کند، زیرا با زمان انتقال کوتاه تر تریستورها، یکسو کننده جریان راکتیو بیشتری از شبکه می گیرد.

مزیت یکسو کننده های کنترل شده توانایی آنها در بازگشت انرژی به شبکه تامین است.

زنجیره متوسط

مدار میانی را می توان به عنوان یک مرکز ذخیره سازی در نظر گرفت که موتور الکتریکی می تواند از طریق یک اینورتر انرژی بگیرد. بسته به یکسو کننده و اینورتر، سه اصل برای ساخت مدار میانی امکان پذیر است.

اینورترها - منابع جریان (1 مبدل)

برنج. 10. مدار میانی DC متغیر

در مورد اینورترها - منابع جریان، مدار میانی حاوی یک سیم پیچ القایی بزرگ است و فقط با یکسوساز کنترل شده ارتباط دارد. سلف ولتاژ متغیر یکسو کننده را به جریان مستقیم متغیر تبدیل می کند. ولتاژ موتور الکتریکی توسط بار تعیین می شود.

اینورترها - منابع ولتاژ (مبدل U)

برنج. 11. مدار میانی ولتاژ DC

در مورد اینورترها - منابع ولتاژ، مدار میانی یک فیلتر حاوی یک خازن است و می تواند با یکسو کننده هر یک از دو نوع ارتباط برقرار کند. فیلتر ولتاژ DC ضربان دار (U21) یکسو کننده را صاف می کند.

در یکسو کننده کنترل شده، ولتاژ در یک فرکانس معین ثابت است و به عنوان یک ولتاژ DC واقعی (U22) با دامنه متغیر به اینورتر عرضه می شود.

در یکسو کننده های کنترل نشده، ولتاژ در ورودی اینورتر یک ولتاژ ثابت با دامنه ثابت است.

مدار میانی ولتاژ مستقیم متغیر

برنج. 12. مدار میانی ولتاژ متغیر

همانطور که در شکل نشان داده شده است، در مدارهای میانی با ولتاژ DC متغیر، می توانید یک بریکر را در جلوی فیلتر روشن کنید. 12.

چاپر حاوی یک ترانزیستور است که به عنوان کلید عمل می کند و ولتاژ یکسو کننده را روشن و خاموش می کند. سیستم کنترل با مقایسه ولتاژ تغییر پس از فیلتر (U v) با سیگنال ورودی، چاپر را کنترل می کند. در صورت وجود اختلاف، با تغییر زمان روشن و خاموش بودن ترانزیستور، نسبت تنظیم می شود. این مقدار موثر و بزرگی ولتاژ ثابت را تغییر می دهد که می تواند با فرمول بیان شود

U v = U x t روشن / (t روشن + t خاموش)

هنگامی که ترانزیستور چاپر مدار جریان را باز می کند، سلف فیلتر ولتاژ ترانزیستور را بی نهایت زیاد می کند. برای جلوگیری از این امر، شکن توسط یک دیود سریع سوئیچینگ محافظت می شود. هنگامی که ترانزیستور باز و بسته می شود همانطور که در شکل نشان داده شده است. 13، ولتاژ در حالت 2 بالاترین میزان خواهد بود.

برنج. 13. ترانزیستور چاپر ولتاژ مدار میانی را کنترل می کند

فیلتر مدار میانی ولتاژ موج مربع را بعد از چاپر صاف می کند. خازن و سلف فیلتر یک ولتاژ ثابت را در یک فرکانس مشخص حفظ می کنند.

بسته به طراحی، مدار میانی می تواند عملکردهای دیگری را نیز انجام دهد که عبارتند از:

جداسازی یکسو کننده از اینورتر

کاهش هارمونیک

ذخیره انرژی برای محدود کردن نوسانات بار متناوب.

معکوس کننده

اینورتر آخرین پیوند مبدل فرکانس قبل از موتور الکتریکی و مکانی است که انطباق نهایی ولتاژ خروجی در آن اتفاق می افتد.

مبدل فرکانس با تطبیق ولتاژ خروجی با شرایط بار، شرایط عملیاتی عادی را در کل محدوده کنترل فراهم می کند. این به شما امکان می دهد تا مغناطش بهینه موتور را حفظ کنید.

از مدار میانی اینورتر دریافت می کند

جریان مستقیم متغیر،

ولتاژ DC متغیر یا

ولتاژ DC ثابت.

به لطف اینورتر، در هر یک از این موارد مقدار متغیری به موتور الکتریکی عرضه می شود. به عبارت دیگر، اینورتر همیشه فرکانس مورد نظر ولتاژ عرضه شده به موتور الکتریکی را ایجاد می کند. اگر جریان یا ولتاژ متغیر باشد، اینورتر فقط فرکانس مورد نظر را تولید می کند. اگر ولتاژ ثابت باشد، اینورتر هم فرکانس مورد نظر و هم ولتاژ مورد نظر را برای موتور ایجاد می کند.

اگرچه اینورترها به روش های مختلفی کار می کنند، ساختار اصلی آنها همیشه یکسان است. عناصر اصلی اینورترها دستگاه های نیمه هادی کنترل شده هستند که به صورت جفت در سه شاخه به هم متصل می شوند.

در حال حاضر تریستورها در اکثر موارد با ترانزیستورهای فرکانس بالا جایگزین می شوند که قابلیت باز و بسته شدن بسیار سریع را دارند. فرکانس سوئیچینگ معمولاً از 300 هرتز تا 20 کیلوهرتز متغیر است و به دستگاه های نیمه هادی مورد استفاده بستگی دارد.

دستگاه های نیمه هادی در اینورتر توسط سیگنال های تولید شده توسط مدار کنترل باز و بسته می شوند. سیگنال ها را می توان به روش های مختلف تولید کرد.

برنج. 14. اینورتر جریان مدار میانی ولتاژ متغیر معمولی.

اینورترهای معمولی که عمدتاً جریان مدار میانی را با ولتاژهای متغیر سوئیچ می کنند، شامل شش تریستور و شش خازن هستند.

خازن ها به تریستورها اجازه می دهند تا باز و بسته شوند به گونه ای که جریان در سیم پیچ های فاز 120 درجه جابجا شود و باید با اندازه موتور الکتریکی سازگار شود. هنگامی که جریان به صورت دوره ای به پایانه های موتور اعمال می شود توالی های U-V، V-W، W-U، U-V...، یک میدان مغناطیسی چرخشی متناوب با فرکانس مورد نیاز ظاهر می شود. حتی اگر جریان موتور تقریباً باشد مستطیلی شکل، ولتاژ موتور تقریباً سینوسی خواهد بود. با این حال، هنگامی که جریان روشن یا خاموش می شود، نوسانات ولتاژ همیشه رخ می دهد.

خازن ها توسط دیودها از جریان بار موتور الکتریکی جدا می شوند.

برنج. 15. اینورتر برای ولتاژ متغیر یا ثابت مدار میانی و وابستگی جریان خروجی به فرکانس سوئیچینگ اینورتر

اینورترها با ولتاژ مدار میانی متغیر یا ثابت حاوی شش عنصر کلیدزنی هستند و صرف نظر از نوع دستگاه های نیمه هادی مورد استفاده، تقریباً یکسان عمل می کنند. مدار کنترل با استفاده از چندین دستگاه نیمه هادی را باز و بسته می کند به طرق مختلفمدولاسیون، در نتیجه فرکانس خروجی مبدل فرکانس را تغییر می دهد.

روش اول برای تغییر ولتاژ یا جریان در مدار میانی است.

فواصل زمانی که در آن دستگاه های نیمه هادی جداگانه باز می شوند به ترتیبی مرتب می شوند که برای به دست آوردن فرکانس خروجی مورد نیاز استفاده می شود.

این توالی سوئیچینگ نیمه هادی توسط مقدار ولتاژ یا جریان مدار میانی متغیر کنترل می شود. با استفاده از یک نوسان ساز کنترل شده ولتاژ، فرکانس همیشه دامنه ولتاژ را دنبال می کند. این نوع کنترل اینورتر مدولاسیون دامنه پالس (PAM) نامیده می شود.

برای یک ولتاژ مدار میانی ثابت، یک روش پایه متفاوت استفاده می شود. ولتاژ موتور با اعمال ولتاژ مدار میانی به سیم پیچ های موتور برای مدت زمان طولانی تر یا کوتاه تر متغیر می شود.

برنج. 16 مدولاسیون دامنه و مدت پالس

فرکانس با تغییر پالس های ولتاژ در امتداد محور زمان تغییر می کند - به طور مثبت در یک نیم چرخه و منفی در طول دیگر.

از آنجایی که این روش مدت زمان (عرض) پالس های ولتاژ را تغییر می دهد، مدولاسیون عرض پالس (PWM) نامیده می شود. مدولاسیون PWM (و روش های مرتبط مانند PWM کنترل شده با موج سینوسی) رایج ترین روش کنترل اینورتر است.

در مدولاسیون PWM، مدار کنترل تعیین می کند که دستگاه های نیمه هادی در محل تقاطع یک ولتاژ شیب دار و یک ولتاژ مرجع سینوسی روی هم قرار گرفته (PWM کنترل شده با سینوسی) سوئیچ می کنند. دیگر روش‌های نویدبخش مدولاسیون PWM، روش‌های مدولاسیون عرض پالس اصلاح‌شده مانند WC و WC plus هستند که توسط Danfoss Corporation توسعه یافته‌اند.

ترانزیستورها

از آنجایی که ترانزیستورها می توانند با سرعت بالا سوئیچ شوند، تداخل الکترومغناطیسی که هنگام "پالسی" (مغناطیس) موتور رخ می دهد کاهش می یابد.

یکی دیگر از مزایای فرکانس سوئیچینگ بالا، انعطاف پذیری تعدیل ولتاژ خروجی مبدل فرکانس است که امکان تولید جریان موتور سینوسی را فراهم می کند، در حالی که مدار کنترل باید به سادگی ترانزیستورهای اینورتر را روشن و خاموش کند.

فرکانس سوئیچینگ اینورتر یک شمشیر دو لبه است، زیرا فرکانس های بالا می تواند باعث گرم شدن موتور و ایجاد پیک های ولتاژ بزرگ شود. هر چه فرکانس سوئیچینگ بیشتر باشد، تلفات بیشتر می شود.

از طرف دیگر، فرکانس پایین سوئیچینگ می تواند منجر به نویز صوتی بالا شود.

ترانزیستورهای فرکانس بالا را می توان به سه گروه اصلی تقسیم کرد:

ترانزیستورهای دوقطبی (LTR)

ماسفت های تک قطبی (MOS-FET)

ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT)

در حال حاضر، ترانزیستورهای IGBT پرکاربردترین ترانزیستورها هستند، زیرا آنها خواص کنترلی ترانزیستورهای MOS-FET را با خواص خروجی ترانزیستورهای LTR ترکیب می کنند. علاوه بر این، آنها دارای محدوده توان، هدایت و فرکانس سوئیچینگ مناسب هستند که کنترل مبدل های فرکانس مدرن را بسیار آسان می کند.

با IGBT ها، هم عناصر اینورتر و هم کنترل های اینورتر در یک ماژول قالبی به نام "ماژول قدرت هوشمند" (IPM) قرار می گیرند.

مدولاسیون دامنه پالس (PAM)

مدولاسیون دامنه پالس برای مبدل های فرکانس با ولتاژ مدار میانی متغیر استفاده می شود.

در مبدل های فرکانس با یکسو کننده های کنترل نشده، دامنه ولتاژ خروجی توسط مدارشکن میانی تولید می شود و در صورت کنترل یکسو کننده، دامنه به طور مستقیم به دست می آید.

برنج. 20. تشکیل ولتاژ در مبدل های فرکانس با قطع کننده در مدار میانی

ترانزیستور (چاپگر) در شکل 20 توسط یک مدار کنترل و تنظیم باز یا قفل می شود. زمان سوئیچینگ به مقدار نامی (سیگنال ورودی) و سیگنال ولتاژ اندازه گیری شده (مقدار واقعی) بستگی دارد. مقدار واقعی در خازن اندازه گیری می شود.

سلف و خازن به عنوان فیلتری عمل می کنند که موج ولتاژ را صاف می کند. پیک ولتاژ بستگی به زمان باز شدن ترانزیستور دارد و اگر اسمی و ارزش واقعیبا یکدیگر متفاوت هستند، بریکر تا رسیدن به سطح ولتاژ مورد نیاز کار می کند.

تنظیم فرکانس

فرکانس ولتاژ خروجی توسط اینورتر در طول یک دوره تغییر می کند و دستگاه های سوئیچینگ نیمه هادی بارها در طول یک دوره کار می کنند.

مدت دوره را می توان به دو روش تنظیم کرد:

1.مستقیم توسط سیگنال ورودی یا

2. استفاده از یک ولتاژ DC متغیر که متناسب با سیگنال ورودی است.

برنج. 21a. کنترل فرکانس با استفاده از ولتاژ مدار میانی

مدولاسیون عرض پالس رایج ترین روش تولید ولتاژ سه فاز با فرکانس مناسب است.

با مدولاسیون عرض پالس، تشکیل ولتاژ کل مدار میانی (≈ √2 x U) با مدت زمان و فرکانس سوئیچینگ عناصر قدرت تعیین می شود. نرخ تکرار پالس های PWM بین لحظه های روشن و خاموش متغیر است و اجازه تنظیم ولتاژ را می دهد.

سه گزینه اصلی برای تنظیم حالت های سوئیچینگ در یک اینورتر وجود دارد که توسط مدولاسیون عرض پالس کنترل می شود.

1. PWM کنترل شده سینوسی

2. PWM همزمان

3. PWM ناهمزمان

هر پایه یک اینورتر سه فاز PWM می تواند دو حالت مختلف (روشن و خاموش) داشته باشد.

سه سوئیچ هشت ترکیب کلیدزنی ممکن را تشکیل می دهند (2 3) و بنابراین هشت بردار ولتاژ دیجیتال در خروجی اینورتر یا در سیم پیچ استاتور موتور الکتریکی متصل می شوند. همانطور که در شکل نشان داده شده است. 21b، این بردارهای 100، 110، 010، 011، 001، 101 در گوشه های شش ضلعی محصور قرار دارند و از بردارهای 000 و 111 به عنوان بردارهای صفر استفاده می کنند.

در مورد ترکیب سوئیچینگ 000 و 111، پتانسیل یکسانی در هر سه پایانه خروجی اینورتر ایجاد می شود - مثبت یا منفی نسبت به مدار میانی (به شکل 21c مراجعه کنید). برای یک موتور الکتریکی این به معنای اثر نزدیک به اتصال کوتاه پایانه ها است. ولتاژ O V نیز به سیم پیچ های موتور الکتریکی اعمال می شود.

PWM کنترل شده با موج سینوسی

PWM کنترل شده با موج سینوسی از یک ولتاژ مرجع سینوسی (Us) برای کنترل هر خروجی اینورتر استفاده می کند. مدت زمان دوره ولتاژ سینوسی مطابق با فرکانس اصلی ولتاژ خروجی است. یک ولتاژ دندانه اره (U D) به سه ولتاژ مرجع اعمال می شود، به شکل 1 مراجعه کنید. 22.

برنج. 22. اصل عملکرد PWM سینوسی کنترل شده (با دو ولتاژ مرجع)

هنگامی که ولتاژ سطح شیب دار و ولتاژ مرجع سینوسی تلاقی می کنند، نیمه هادی های اینورتر باز یا بسته می شوند.

تقاطع ها توسط عناصر الکترونیکی تابلو کنترل تعیین می شود. اگر ولتاژ سطح شیب دار بیشتر از ولتاژ سینوسی باشد، با کاهش ولتاژ سطح شیب دار، پالس های خروجی از مثبت به منفی (یا از منفی به مثبت) تغییر می کنند، به طوری که ولتاژ خروجی مبدل فرکانس توسط ولتاژ مدار میانی تعیین می شود. .

ولتاژ خروجی با نسبت بین مدت زمان حالت باز و بسته تغییر می کند و این نسبت را می توان برای به دست آوردن ولتاژ مورد نیاز تغییر داد. بنابراین، دامنه پالس های ولتاژ منفی و مثبت همیشه با نیمی از ولتاژ مدار میانی مطابقت دارد.

برنج. 23. ولتاژ خروجی PWM سینوسی کنترل شده

در فرکانس های پایین استاتور، زمان در حالت بسته افزایش می یابد و ممکن است آنقدر طولانی شود که حفظ فرکانس ولتاژ سطح شیب دار غیرممکن شود.

این باعث می شود دوره بدون ولتاژ افزایش یابد و موتور به طور ناهموار کار کند. برای جلوگیری از این امر، در فرکانس های پایین می توانید فرکانس ولتاژ رمپ را دو برابر کنید.

ولتاژ فاز در پایانه های خروجی مبدل فرکانس معادل نصف ولتاژ مدار میانی تقسیم بر √ 2 است، یعنی. برابر با نصف ولتاژ تغذیه ولتاژ خط در پایانه های خروجی √ 3 برابر ولتاژ فاز است، یعنی. برابر با ولتاژ تغذیه ضرب در 0.866.

یک اینورتر کنترل‌شده PWM که صرفاً با تعدیل ولتاژ مرجع موج سینوسی کار می‌کند، می‌تواند ولتاژی معادل 86.6 درصد ولتاژ نامی را تامین کند (شکل 23 را ببینید).

هنگام استفاده از مدولاسیون موج سینوسی خالص، ولتاژ خروجی مبدل فرکانس نمی تواند به ولتاژ موتور برسد زیرا ولتاژ خروجی نیز 13 درصد کمتر خواهد بود.

با این حال، ولتاژ اضافی مورد نیاز را می توان با کاهش تعداد پالس ها زمانی که فرکانس از حدود 45 هرتز فراتر رفت، به دست آورد، اما این روش دارای معایبی است. به طور خاص، باعث تغییر پله ای در ولتاژ می شود که منجر به عملکرد ناپایدار موتور الکتریکی می شود. اگر تعداد پالس ها کاهش یابد، هارمونیک های بالاتر در خروجی مبدل فرکانس افزایش می یابد که باعث افزایش تلفات در موتور الکتریکی می شود.

راه دیگر برای حل این مشکل استفاده از ولتاژهای مرجع دیگر به جای سه ولتاژ سینوسی است. این تنش ها می توانند به هر شکلی باشند (به عنوان مثال ذوزنقه ای یا پلکانی).

به عنوان مثال، یک مرجع ولتاژ رایج از هارمونیک سوم یک ولتاژ مرجع سینوسی استفاده می کند. می توان با افزایش دامنه ولتاژ مرجع سینوسی به میزان 15.5 درصد و افزودن هارمونیک سوم به آن، چنین حالت سوئیچینگی را برای دستگاه های نیمه هادی اینورتر به دست آورد که ولتاژ خروجی مبدل فرکانس را افزایش دهد.

PWM سنکرون

مشکل اصلی در استفاده از روش PWM کنترل شده سینوسی، نیاز به تعیین است مقادیر بهینهزمان کموتاسیون و زاویه برای ولتاژ در یک دوره معین. این زمان های سوئیچینگ باید به گونه ای تنظیم شوند که فقط حداقل هارمونیک های بالاتر را مجاز کنند. این حالت سوئیچینگ فقط برای یک محدوده فرکانس معین (محدود) حفظ می شود. عملیات خارج از این محدوده مستلزم استفاده از روش سوئیچینگ متفاوت است.

PWM ناهمزمان

نیاز به جهت گیری میدان و پاسخگویی سیستم از نظر کنترل گشتاور و سرعت درایوهای AC سه فاز (شامل سرووها) مستلزم تغییرات پله ای در دامنه و زاویه ولتاژ اینورتر است. استفاده از حالت سوئیچینگ "عادی" یا همزمان PWM اجازه تغییرات مرحله ای در دامنه و زاویه ولتاژ اینورتر را نمی دهد.

یکی از راه‌های برآورده کردن این نیاز، PWM ناهمزمان است که به جای همگام سازی مدولاسیون ولتاژ خروجی با فرکانس خروجی، همانطور که معمولاً برای کاهش هارمونیک در موتور الکتریکی انجام می‌شود، حلقه کنترل ولتاژ برداری را مدوله می‌کند و در نتیجه یک جفت سنکرون با فرکانس خروجی

دو گزینه اصلی برای PWM ناهمزمان وجود دارد:

SFAVM (مدولاسیون بردار ناهمزمان مبتنی بر جریان استاتور = (مدولاسیون برداری سنکرون جهت یابی شار مغناطیسی استاتور)

60 درجه AVM (مدولاسیون برداری ناهمزمان = مدولاسیون برداری ناهمزمان).

SFAVM یک روش مدولاسیون برداری فضایی است که امکان تغییرات تصادفی اما مرحله‌ای در ولتاژ، دامنه و زاویه اینورتر را در طول زمان سوئیچینگ فراهم می‌کند. این باعث افزایش خواص دینامیکی می شود.

هدف اصلی از استفاده از چنین مدولاسیونی، بهینه سازی شار مغناطیسی استاتور با استفاده از ولتاژ استاتور و در عین حال کاهش موج گشتاور است، زیرا انحراف زاویه به دنباله کموتاسیون بستگی دارد و می تواند باعث افزایش ریپل گشتاور شود. بنابراین، دنباله کموتاسیون باید به گونه ای محاسبه شود که انحراف زاویه برداری را به حداقل برساند. سوئیچینگ بین بردارهای ولتاژ بر اساس محاسبه مسیر شار مغناطیسی مورد نظر در استاتور موتور است که به نوبه خود گشتاور را تعیین می کند.

نقطه ضعف سیستم های قدرت PWM معمولی قبلی، انحراف در دامنه بردار شار مغناطیسی استاتور و زاویه شار مغناطیسی بود. این انحرافات بر میدان دوار (گشتاور) در شکاف هوای موتور الکتریکی تأثیر منفی گذاشته و باعث ایجاد ضربان گشتاور می شود. تأثیر انحراف دامنه U ناچیز است و می توان با افزایش فرکانس سوئیچینگ بیشتر کاهش داد.

تولید ولتاژ موتور

عملکرد پایدار مربوط به تنظیم بردار ولتاژ دستگاه U wt است به طوری که یک دایره را توصیف می کند (شکل 24 را ببینید).

بردار ولتاژ با بزرگی ولتاژ موتور الکتریکی و سرعت چرخش مشخص می شود که با فرکانس کاری در لحظه در نظر گرفته شده در زمان مطابقت دارد. ولتاژ موتور با ایجاد مقادیر متوسط ​​با استفاده از پالس های کوتاه از بردارهای مجاور تولید می شود.

روش SFAVM که توسط شرکت Danfoss توسعه داده شده است، از جمله ویژگی های زیر را دارد:

بردار ولتاژ را می توان در دامنه و فاز بدون انحراف از تنظیم تنظیم شده تنظیم کرد.

دنباله کموتاسیون همیشه با 000 یا 111 شروع می شود. این به بردار ولتاژ اجازه می دهد تا سه حالت سوئیچینگ داشته باشد.

مقدار متوسط ​​بردار ولتاژ با استفاده از پالس های کوتاه بردارهای همسایه و همچنین بردارهای صفر 000 و 111 به دست می آید.

مدار کنترل

مدار کنترل یا برد کنترل، چهارمین عنصر اصلی مبدل فرکانس است که برای حل چهار کار مهم طراحی شده است:

کنترل عناصر نیمه هادی مبدل فرکانس.

تبادل داده بین مبدل های فرکانس و دستگاه های جانبی.

جمع آوری داده ها و تولید پیام های خطا.

انجام عملکردهای حفاظتی مبدل فرکانس و موتور الکتریکی.

ریزپردازنده ها سرعت مدار کنترل را افزایش داده اند، دامنه کاربرد درایوها را به میزان قابل توجهی گسترش داده و تعداد محاسبات لازم را کاهش داده اند.

ریزپردازنده در مبدل فرکانس تعبیه شده است و همیشه قادر است ترکیب پالس بهینه را برای هر شرایط کاری تعیین کند.

مدار کنترل مبدل فرکانس AIM

برنج. 25 اصل عملکرد یک مدار کنترل برای یک مدار میانی که توسط یک قطع کننده کنترل می شود.

در شکل شکل 25 یک مبدل فرکانس با کنترل AIM و یک مدارشکن میانی را نشان می دهد. مدار کنترل مبدل (2) و اینورتر (3) را کنترل می کند.

کنترل بر اساس مقدار لحظه ای ولتاژ مدار میانی انجام می شود.

ولتاژ مدار میانی مداری را هدایت می کند که به عنوان شمارنده آدرس در حافظه ذخیره سازی داده عمل می کند. حافظه توالی های خروجی را برای ترکیب پالس اینورتر ذخیره می کند. هنگامی که ولتاژ مدار میانی افزایش می یابد، شمارش سریعتر اتفاق می افتد، دنباله زودتر به پایان می رسد و فرکانس خروجی افزایش می یابد.

برای کنترل چاپر، ابتدا ولتاژ مدار میانی با مقدار نامی سیگنال ولتاژ مرجع مقایسه می شود. انتظار می رود این سیگنال ولتاژ بدهد مقادیر صحیحولتاژ و فرکانس خروجی اگر سیگنال مرجع و سیگنال مدار میانی تغییر کند، کنترل کننده PI به مدار اطلاع می دهد که زمان چرخه نیاز به تغییر دارد. این باعث می شود که ولتاژ مدار میانی مطابق سیگنال مرجع تنظیم شود.

یک روش مدولاسیون رایج برای کنترل مبدل قدرت، مدولاسیون دامنه پالس (PAM) است. مدولاسیون عرض پالس (PWM) بیشتر است روش مدرن.

کنترل میدانی (کنترل برداری)

کنترل برداری را می توان به روش های مختلفی سازماندهی کرد. تفاوت اصلی بین روش ها معیارهایی است که در محاسبه مقادیر جریان فعال، جریان مغناطیسی (شار مغناطیسی) و گشتاور استفاده می شود.

هنگام مقایسه موتورهای DC و موتورهای ناهمزمان سه فاز (شکل 26)، مشکلات خاصی آشکار می شود. در جریان مستقیم، پارامترهایی که برای تولید گشتاور مهم هستند - شار مغناطیسی (F) و جریان آرمیچر - با توجه به اندازه و محل فاز ثابت می‌شوند و با جهت سیم‌پیچ‌های میدان و موقعیت کربن تعیین می‌شوند. برس ها (شکل 26a).

در موتورهای DC جریان آرمیچر و جریان ایجاد کننده شار مغناطیسی در زوایای قائم با یکدیگر قرار دارند و مقادیر آنها خیلی زیاد نیست. در یک موتور الکتریکی ناهمزمان، موقعیت شار مغناطیسی (F) و جریان روتور (I،) به بار بستگی دارد. علاوه بر این، برخلاف موتورهای DC، زاویه فاز و جریان را نمی توان مستقیماً از اندازه استاتور تعیین کرد.

برنج. 26. مقایسه ماشین DC و ماشین ناهمزمان AC

با این حال، با استفاده از یک مدل ریاضی، می توان گشتاور را از رابطه بین شار مغناطیسی و جریان استاتور محاسبه کرد.

از جریان اندازه گیری شده استاتور (l s)، یک جزء (l w) استخراج می شود که گشتاوری با شار مغناطیسی (Ф) در زوایای قائم بین این دو متغیر (l in) ایجاد می کند. این باعث ایجاد شار مغناطیسی موتور الکتریکی می شود (شکل 27).

برنج. 27. محاسبه مولفه های جاری برای تنظیم میدانی

با این دو جزء جریان، گشتاور و شار مغناطیسی را می توان به طور مستقل تحت تأثیر قرار داد. با این حال، به دلیل پیچیدگی مشخص محاسبات بر اساس مدل دینامیکی یک موتور الکتریکی، چنین محاسباتی فقط در درایوهای دیجیتال مقرون به صرفه هستند.

از آنجایی که در این روش کنترل تحریک که مستقل از بار است از کنترل گشتاور جدا می شود، می توان موتور القایی را به صورت دینامیکی مانند موتور DC کنترل کرد - به شرطی که سیگنال در دسترس باشد. بازخورد. این روش برای کنترل موتور AC سه فاز دارای مزایای زیر است:

پاسخ خوب به تغییرات بار

کنترل دقیق قدرت

گشتاور کامل در سرعت صفر

ویژگی های عملکرد با درایوهای DC قابل مقایسه است.

تنظیم ویژگی های V/f و بردار شار مغناطیسی

در سال های اخیر، سیستم های کنترل سرعت برای موتورهای AC سه فاز بر اساس دو توسعه یافته است اصول مختلفکنترل ها:

کنترل V/f معمولی یا کنترل SCALAR و کنترل بردار شار مغناطیسی.

هر دو روش بسته به الزامات خاص برای عملکرد درایو (دینامیک) و دقت، مزایای خاص خود را دارند.

کنترل V/f محدوده کنترل سرعت محدودی دارد (تقریباً 1:20) و در سرعت پایین یک اصل کنترل متفاوت (جبران) مورد نیاز است. با استفاده از این روش، تطبیق مبدل فرکانس با موتور نسبتاً آسان است و کنترل از تغییرات بار لحظه ای در کل محدوده سرعت مصون است.

در درایوهای کنترل شار، مبدل فرکانس باید دقیقاً برای موتور پیکربندی شود، که نیاز به دانش دقیق از پارامترهای آن دارد. اجزای اضافی نیز برای دریافت سیگنال بازخورد مورد نیاز است.

برخی از مزایای این نوع کنترل:

پاسخ سریع به تغییرات سرعت و محدوده سرعت گسترده

پاسخ دینامیکی بهتر به تغییرات جهت

یک اصل کنترل یکنواخت در کل محدوده سرعت تضمین می شود.

برای کاربر راه حل بهینهترکیبی وجود خواهد داشت بهترین خواصهر دو اصل بدیهی است که هم ویژگی مقاومت در برابر بارگذاری/تخلیه پله در کل محدوده سرعت که معمولاً نقطه قوت کنترل V/f است و هم پاسخ سریع به تغییرات مرجع سرعت (مانند کنترل میدانی) هر دو مورد نیاز هستند.

طبق آخرین آمار، تقریباً 70 درصد از کل برق تولید شده در جهان توسط درایوهای الکتریکی مصرف می شود. و هر سال این درصد در حال افزایش است.

با یک روش صحیح انتخاب شده برای کنترل موتور الکتریکی، می توان حداکثر بازده، حداکثر گشتاور روی شفت ماشین الکتریکی را به دست آورد و در عین حال عملکرد کلی مکانیزم را افزایش داد. موتورهای الکتریکی کارآمد حداقل برق مصرف می کنند و حداکثر کارایی را ارائه می دهند.

برای موتورهای الکتریکی که توسط یک اینورتر تغذیه می شوند، کارایی تا حد زیادی به روش کنترل انتخاب شده بستگی دارد ماشین برقی. تنها با درک شایستگی‌های هر روش، مهندسان و طراحان سیستم درایو می‌توانند حداکثر عملکرد را از هر روش کنترلی بدست آورند.
محتوا:

روش های کنترل

بسیاری از افرادی که در زمینه اتوماسیون کار می کنند، اما از نزدیک در توسعه و اجرای سیستم های محرک الکتریکی دخالت ندارند، بر این باورند که کنترل موتور الکتریکی شامل مجموعه ای از دستورات است که با استفاده از یک رابط از یک کنترل پنل یا رایانه شخصی وارد می شود. بله، از نظر سلسله مراتب کلی مدیریت سیستم خودکاراین درست است، اما هنوز راه هایی برای کنترل خود موتور الکتریکی وجود دارد. این روش ها هستند که بیشترین تأثیر را بر عملکرد کل سیستم خواهند داشت.

برای موتورهای آسنکرون متصل به مبدل فرکانس، چهار روش کنترل اصلی وجود دارد:

• U/f – ولت بر هرتز؛
• U/f با رمزگذار؛
• کنترل برداری حلقه باز.
• کنترل بردار حلقه بسته.

هر چهار روش از مدولاسیون عرض پالس PWM استفاده می کنند که عرض سیگنال ثابت را با تغییر عرض پالس ها برای ایجاد سیگنال آنالوگ تغییر می دهد.

مدولاسیون عرض پالس با استفاده از یک ولتاژ باس DC ثابت به مبدل فرکانس اعمال می شود. با باز و بسته شدن سریع (به طور صحیح تر، سوئیچینگ) پالس های خروجی تولید می کنند. با تغییر عرض این پالس ها در خروجی، یک "سینوسوئید" با فرکانس مورد نظر به دست می آید. حتی اگر شکل ولتاژ خروجی ترانزیستورها پالسی باشد، جریان همچنان به شکل سینوسی به دست می آید، زیرا موتور الکتریکی دارای اندوکتانس است که بر شکل جریان تأثیر می گذارد. همه روش های کنترل بر اساس مدولاسیون PWM هستند. تفاوت بین روش های کنترل فقط در روش محاسبه ولتاژ عرضه شده به موتور الکتریکی است.

در این حالت، فرکانس حامل (با رنگ قرمز نشان داده شده است) حداکثر فرکانس سوئیچینگ ترانزیستورها را نشان می دهد. فرکانس حامل برای اینورترها معمولاً در محدوده 2 کیلوهرتز تا 15 کیلوهرتز است. مرجع فرکانس (به رنگ آبی نشان داده شده است) سیگنال مرجع فرکانس خروجی است. برای اینورترهای مورد استفاده در سیستم های محرک الکتریکی معمولی، معمولاً از 0 هرتز تا 60 هرتز متغیر است. هنگامی که سیگنال‌های دو فرکانس روی یکدیگر قرار می‌گیرند، سیگنالی برای باز کردن ترانزیستور (با رنگ مشکی) صادر می‌شود که ولتاژ برق را به موتور الکتریکی می‌رساند.

روش کنترل U/F

کنترل ولت در هر هرتز، که بیشتر به عنوان U/F شناخته می شود، شاید ساده ترین روش کنترل باشد. به دلیل سادگی و حداقل تعداد پارامترهای مورد نیاز برای کار، اغلب در سیستم های محرک الکتریکی ساده استفاده می شود. این روش کنترلی نیازی به نصب اجباری رمزگذار و تنظیمات اجباری برای درایو الکتریکی با فرکانس متغیر ندارد (اما توصیه می شود). این منجر به کاهش هزینه برای تجهیزات کمکی(حسگرها، سیم های بازخورد، رله ها و غیره). کنترل U/F اغلب در تجهیزات فرکانس بالا استفاده می شود، به عنوان مثال، اغلب در ماشین های CNC برای حرکت چرخش دوک استفاده می شود.

مدل گشتاور ثابت دارای گشتاور ثابت در کل محدوده سرعت با همان نسبت U/F است. مدل نسبت گشتاور متغیر دارای ولتاژ تغذیه کمتری است سرعت های پایین. این برای جلوگیری از اشباع ماشین الکتریکی ضروری است.

U/F تنها راه برای تنظیم سرعت یک موتور الکتریکی ناهمزمان است که امکان کنترل چندین درایو الکتریکی از یک مبدل فرکانس را فراهم می کند. بر این اساس، تمام ماشین ها به طور همزمان شروع و متوقف می شوند و در یک فرکانس کار می کنند.

اما این روش کنترل چندین محدودیت دارد. به عنوان مثال، هنگام استفاده از روش کنترل U/F بدون رمزگذار، مطلقاً هیچ اطمینانی وجود ندارد که شفت یک ماشین ناهمزمان بچرخد. علاوه بر این، گشتاور راه اندازی یک ماشین الکتریکی در فرکانس 3 هرتز به 150٪ محدود می شود. بله، گشتاور محدود برای جا دادن بیشتر تجهیزات موجود بیش از اندازه کافی است. به عنوان مثال تقریباً همه فن ها و پمپ ها از روش کنترل U/F استفاده می کنند.

این روش به دلیل مشخصات شلتر آن نسبتاً ساده است. تنظیم سرعت معمولاً در محدوده 2٪ - 3٪ حداکثر فرکانس خروجی است. پاسخ سرعت برای فرکانس های بالاتر از 3 هرتز محاسبه می شود. سرعت پاسخ مبدل فرکانس با سرعت پاسخ آن به تغییرات فرکانس مرجع تعیین می شود. هرچه سرعت پاسخ بالاتر باشد، درایو الکتریکی سریعتر به تغییرات تنظیم سرعت پاسخ می دهد.

محدوده کنترل سرعت هنگام استفاده از روش U/F 1:40 است. با ضرب این نسبت در حداکثر فرکانس کاری درایو الکتریکی، مقدار حداقل فرکانسی را که ماشین الکتریکی می تواند در آن کار کند، بدست می آوریم. به عنوان مثال، اگر حداکثر مقدار فرکانس 60 هرتز و محدوده 1:40 باشد، حداقل مقدار فرکانس 1.5 هرتز خواهد بود.

الگوی U/F رابطه بین فرکانس و ولتاژ را در حین کار درایو فرکانس متغیر تعیین می کند. بر اساس آن، منحنی تنظیم سرعت چرخش (فرکانس موتور الکتریکی) علاوه بر مقدار فرکانس، مقدار ولتاژ عرضه شده به پایانه های ماشین الکتریکی را نیز تعیین می کند.

اپراتورها و تکنسین ها می توانند الگوی کنترل U/F مورد نظر را با یک پارامتر در یک مبدل فرکانس مدرن انتخاب کنند. قالب های از پیش نصب شده در حال حاضر برای برنامه های خاص بهینه شده اند. همچنین فرصت هایی برای ایجاد الگوهای خود وجود دارد که برای یک درایو فرکانس متغیر خاص یا سیستم موتور الکتریکی بهینه می شوند.

دستگاه هایی مانند فن ها یا پمپ ها دارای گشتاور بار هستند که به سرعت چرخش آنها بستگی دارد. گشتاور متغیر (تصویر بالا) الگوی U/F از خطاهای کنترل جلوگیری می کند و کارایی را بهبود می بخشد. این مدل کنترلی با کاهش ولتاژ ماشین الکتریکی، جریان های مغناطیسی را در فرکانس های پایین کاهش می دهد.

مکانیسم های گشتاور ثابت مانند نوار نقاله ها، اکسترودرها و سایر تجهیزات از روش کنترل گشتاور ثابت استفاده می کنند. با بار ثابت، جریان مغناطیسی کامل در تمام سرعت ها مورد نیاز است. بر این اساس، مشخصه دارای یک شیب مستقیم در کل محدوده سرعت است.

روش کنترل U/F با رمزگذار

در صورت نیاز به افزایش دقت کنترل سرعت چرخش، یک رمزگذار به سیستم کنترل اضافه می شود. معرفی بازخورد سرعت با استفاده از رمزگذار به شما امکان می دهد دقت کنترل را تا 0.03٪ افزایش دهید. ولتاژ خروجی همچنان با الگوی U/F مشخص شده تعیین خواهد شد.

این روش کنترلی به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرد، زیرا مزایایی که در مقایسه با توابع استاندارد U/F ارائه می دهد حداقل است. گشتاور راه اندازی، سرعت پاسخ و محدوده کنترل سرعت همگی با U/F استاندارد یکسان هستند. علاوه بر این، هنگامی که فرکانس های عملیاتی افزایش می یابد، ممکن است مشکلاتی در عملکرد رمزگذار ایجاد شود، زیرا تعداد دورهای محدودی دارد.

کنترل برداری حلقه باز

کنترل برداری حلقه باز (VC) برای کنترل گسترده تر و پویاتر سرعت یک ماشین الکتریکی استفاده می شود. هنگام راه اندازی از مبدل فرکانس، موتورهای الکتریکی می توانند گشتاور راه اندازی 200 درصد گشتاور نامی را در فرکانس 0.3 هرتز ایجاد کنند. این به طور قابل توجهی فهرست مکانیسم هایی را گسترش می دهد که در آن ها می توان از یک درایو الکتریکی ناهمزمان با کنترل برداری استفاده کرد. این روش همچنین به شما امکان می دهد گشتاور دستگاه را در هر چهار ربع کنترل کنید.

گشتاور توسط موتور محدود می شود. این برای جلوگیری از آسیب به تجهیزات، ماشین آلات یا محصولات ضروری است. مقدار گشتاورها بسته به جهت چرخش ماشین الکتریکی (به جلو یا عقب) و بسته به اینکه موتور الکتریکی اجرا می کند به چهار ربع مختلف تقسیم می شود. محدودیت ها را می توان برای هر ربع به صورت جداگانه تنظیم کرد یا کاربر می تواند گشتاور کلی را در مبدل فرکانس تنظیم کند.

حالت موتور یک ماشین ناهمزمان ارائه می شود که میدان مغناطیسی روتور عقب بماند میدان مغناطیسیاستاتور اگر میدان مغناطیسی روتور شروع به پیشی گرفتن از میدان مغناطیسی استاتور کند، آنگاه دستگاه با آزادسازی انرژی وارد حالت ترمز احیاکننده می شود، به عبارت دیگر، موتور ناهمزمان به حالت ژنراتور سوئیچ می کند.

به عنوان مثال، یک ماشین درب بطری ممکن است از محدود کننده گشتاور در ربع 1 (جهت رو به جلو با گشتاور مثبت) برای جلوگیری از سفت شدن بیش از حد درب بطری استفاده کند. مکانیسم به جلو حرکت می کند و از گشتاور مثبت برای سفت کردن درب بطری استفاده می کند. اما دستگاهی مانند آسانسور با وزنه تعادلی سنگین تر از کابین خالی از ربع 2 (چرخش معکوس و گشتاور مثبت) استفاده می کند. اگر کابین به طبقه بالا برود، گشتاور خلاف سرعت خواهد بود. این برای محدود کردن سرعت بلند کردن و جلوگیری از سقوط آزاد وزنه تعادل ضروری است، زیرا وزن آن از کابین سنگین تر است.

بازخورد جریان در این مبدل های فرکانس به شما امکان می دهد محدودیت هایی را برای گشتاور و جریان موتور الکتریکی تعیین کنید، زیرا با افزایش جریان، گشتاور نیز افزایش می یابد. ولتاژ خروجی اینورتر ممکن است در صورتی که مکانیسم به گشتاور بیشتری نیاز داشته باشد افزایش یابد یا در صورت رسیدن به حداکثر مقدار مجاز آن کاهش یابد. این باعث می شود که اصل کنترل برداری یک ماشین ناهمزمان در مقایسه با اصل U/F انعطاف پذیرتر و پویاتر باشد.

همچنین مبدل های فرکانس با کنترل برداری و حلقه باز دارای پاسخ سرعت 10 هرتز سریع تری هستند که امکان استفاده از آن را در مکانیزم های دارای بار ضربه ای ممکن می سازد. به عنوان مثال، در سنگ شکن ها، بار به طور مداوم در حال تغییر است و به حجم و ابعاد سنگ در حال پردازش بستگی دارد.

برخلاف الگوی کنترل U/F، کنترل برداری از یک الگوریتم برداری برای تعیین حداکثر ولتاژ کاری موثر موتور الکتریکی استفاده می کند.

کنترل برداری VU این مشکل را به دلیل وجود بازخورد در جریان موتور حل می کند. به عنوان یک قاعده، بازخورد جریان توسط ترانسفورماتورهای جریان داخلی خود مبدل فرکانس تولید می شود. مبدل فرکانس با استفاده از مقدار جریان بدست آمده، گشتاور و شار ماشین الکتریکی را محاسبه می کند. بردار اصلی جریان موتور از نظر ریاضی به بردار جریان مغناطیسی (I d) و گشتاور (I q) تقسیم می شود.

اینورتر با استفاده از داده ها و پارامترهای ماشین الکتریکی، بردارهای جریان مغناطیسی (I d) و گشتاور (I q) را محاسبه می کند. برای دستیابی به حداکثر عملکرد، مبدل فرکانس باید Id و I q را با زاویه 90 0 از هم جدا نگه دارد. این مهم است زیرا sin 90 0 = 1، و مقدار 1 نشان دهنده حداکثر مقدار گشتاور است.

کنترل کلی بردار موتور الکتریکی ناهمزمانکنترل شدیدتری را اعمال می کند تنظیم سرعت تقریباً ± 0.2٪ از حداکثر فرکانس است و محدوده تنظیم به 1:200 می رسد که می تواند هنگام کار در سرعت های پایین گشتاور را حفظ کند.

کنترل بازخورد برداری

کنترل برداری بازخورد از همان الگوریتم کنترلی مانند VAC حلقه باز استفاده می کند. تفاوت اصلی وجود یک رمزگذار است که به درایو فرکانس متغیر اجازه می دهد تا 200٪ گشتاور شروع را در 0 دور در دقیقه ایجاد کند. این نکته صرفاً برای ایجاد یک لحظه اولیه هنگام حرکت از آسانسورها، جرثقیل ها و سایر ماشین آلات بالابر به منظور جلوگیری از نشست بار ضروری است.

وجود سنسور بازخورد سرعت به شما امکان می دهد زمان پاسخگویی سیستم را به بیش از 50 هرتز افزایش دهید و همچنین محدوده کنترل سرعت را تا 1:1500 افزایش دهید. همچنین وجود بازخورد به شما امکان می دهد نه سرعت ماشین الکتریکی، بلکه گشتاور را کنترل کنید. در برخی مکانیسم ها، مقدار گشتاور است که از اهمیت بالایی برخوردار است. به عنوان مثال، ماشین سیم پیچ، مکانیسم های گرفتگی و غیره. در چنین دستگاه هایی لازم است که گشتاور دستگاه تنظیم شود.

شرح:

یک مبدل فرکانس همراه با یک موتور الکتریکی ناهمزمان به شما امکان می دهد یک درایو الکتریکی DC را جایگزین کنید. سیستم های کنترل سرعت موتور DC بسیار ساده هستند، اما نقطه ضعف چنین درایو الکتریکی موتور الکتریکی است. گران و غیر قابل اعتماد است. در حین کار، برس ها جرقه می زنند و کموتاتور تحت تأثیر فرسایش الکتریکی فرسوده می شود.

موتورهای الکتریکی ناهمزمان از بسیاری جهات نسبت به موتورهای DC برتری دارند: از نظر طراحی ساده و قابل اعتماد هستند، زیرا دارای کنتاکت متحرک نیستند. ابعاد، وزن و هزینه کمتری نسبت به موتورهای DC برای همان قدرت دارند. ساخت و کارکرد موتورهای آسنکرون آسان است.

عیب اصلی موتورهای الکتریکی ناهمزمان دشواری تنظیم سرعت آنها است روش های سنتی(با تغییر ولتاژ تغذیه، وارد کردن مقاومت های اضافی به مدار سیم پیچ).

کنترل یک موتور الکتریکی ناهمزمان در حالت فرکانس تا همین اواخر مشکل بزرگی بود، اگرچه تئوری کنترل فرکانس در دهه 30 توسعه یافت. توسعه درایوهای فرکانس متغیر به دلیل هزینه بالای مبدل های فرکانس با مشکل مواجه شده است. ظهور مدارهای قدرت با ترانزیستورهای IGBT و توسعه سیستم های کنترل ریزپردازنده با کارایی بالا به شرکت های مختلف در اروپا، ایالات متحده آمریکا و ژاپن این امکان را داده است تا مبدل های فرکانس مدرن را با قیمتی مقرون به صرفه ایجاد کنند.

شناخته شده است که کنترل سرعت محرک هامی توان با استفاده از دستگاه های مختلف انجام داد: متغیرهای مکانیکی، کوپلینگ های هیدرولیک، مقاومت هایی که علاوه بر این در استاتور یا روتور قرار می گیرند، مبدل های فرکانس الکترومکانیکی، مبدل های فرکانس استاتیک.

استفاده از چهار دستگاه اول فراهم نمی کند کیفیت بالاکنترل سرعت، غیراقتصادی، نصب و راه اندازی گران است.
مبدل های فرکانس استاتیک پیشرفته ترین دستگاه های کنترل درایو ناهمزمان در حال حاضر هستند.

اصل روش فرکانس کنترل سرعت یک موتور ناهمزمان این است که با تغییر فرکانس f1ولتاژ منبع تغذیه، مطابق با بیان ممکن است

بدون تغییر تعداد جفت قطب p، سرعت زاویه ای میدان مغناطیسی استاتور را تغییر دهید.

این روش کنترل سرعت صاف را در محدوده وسیعی فراهم می کند و ویژگی های مکانیکی بسیار سفت و سخت است.

تنظیم سرعت با افزایش لغزش موتور ناهمزمان همراه نیست، بنابراین تلفات توان در هنگام تنظیم اندک است.

برای به دست آوردن عملکرد انرژی بالا یک موتور ناهمزمان - عوامل قدرت، اقدام مفید، ظرفیت اضافه بار - لازم است ولتاژ تامین شده را همزمان با فرکانس تغییر دهید.

قانون تغییر ولتاژ به ماهیت گشتاور بار بستگی دارد ام‌اس. در گشتاور بار ثابت Mc=constولتاژ استاتور باید متناسب با فرکانس تنظیم شود :

برای ماهیت فن گشتاور بار، این حالت به شکل زیر است:

با گشتاور بار که نسبت معکوس با سرعت دارد:

بنابراین، برای تنظیم یکنواخت بدون پله سرعت شفت یک موتور الکتریکی ناهمزمان، مبدل فرکانس باید تنظیم همزمان فرکانس و ولتاژ را در استاتور موتور ناهمزمان ارائه دهد.

مزایای استفاده از درایو الکتریکی قابل تنظیم در فرآیندهای تکنولوژیکی

استفاده از یک درایو الکتریکی کنترل شده، صرفه جویی در انرژی را تضمین می کند و امکان به دست آوردن کیفیت های جدیدی از سیستم ها و اشیاء را فراهم می کند. صرفه جویی قابل توجهی در انرژی با تنظیم هر یک به دست می آید پارامتر تکنولوژیکی. اگر نوار نقاله یا نوار نقاله است، می توانید سرعت حرکت آن را تنظیم کنید. اگر پمپ یا فن باشد، می توانید فشار را حفظ کنید یا عملکرد را تنظیم کنید. اگر این یک ماشین ابزار است، می توانید به آرامی سرعت تغذیه یا حرکت اصلی را تنظیم کنید.

یک اثر اقتصادی ویژه از استفاده از مبدل های فرکانس ناشی از استفاده از تنظیم فرکانس در تاسیساتی است که مایعات را حمل می کنند. تا به حال، رایج ترین راه برای تنظیم عملکرد چنین اجسامی استفاده از شیرهای دروازه یا شیرهای کنترلی است، اما امروزه کنترل فرکانس موتورهای ناهمزمان، به عنوان مثال، پروانه یک واحد پمپاژ یا فن، در دسترس است.

وعده تنظیم فرکانس به وضوح از شکل 1 قابل مشاهده است

بنابراین، هنگام دریچه گاز، جریان ماده ای که توسط یک دروازه یا دریچه مهار می شود کار مفید. استفاده از یک درایو الکتریکی قابل تنظیم پمپ یا فن به شما امکان می دهد فشار یا سرعت جریان مورد نیاز را تنظیم کنید که نه تنها باعث صرفه جویی در انرژی می شود، بلکه تلفات ماده حمل شده را نیز کاهش می دهد.

ساختار مبدل فرکانس

اکثر مبدل های فرکانس مدرن با استفاده از یک طرح تبدیل دوگانه ساخته می شوند. آنها از بخش های اصلی زیر تشکیل شده اند: یک پیوند DC (یکسو کننده کنترل نشده)، یک اینورتر پالس قدرت و یک سیستم کنترل.

لینک DC از یک یکسو کننده کنترل نشده و یک فیلتر تشکیل شده است. ولتاژ متناوب شبکه تغذیه به ولتاژ جریان مستقیم تبدیل می شود.

اینورتر پالس سه فاز قدرت از شش کلید ترانزیستوری تشکیل شده است. هر سیم پیچ موتور الکتریکی از طریق یک کلید مربوطه به پایانه های مثبت و منفی یکسو کننده متصل می شود. اینورتر ولتاژ اصلاح شده را به یک ولتاژ متناوب سه فاز با فرکانس و دامنه مورد نیاز تبدیل می کند که به سیم پیچ های استاتور موتور الکتریکی اعمال می شود.

در مراحل خروجی اینورتر از ترانزیستورهای قدرت IGBT به عنوان سوئیچ استفاده می شود. در مقایسه با تریستورها، فرکانس سوئیچینگ بالاتری دارند که به آنها امکان می دهد سیگنال خروجی سینوسی با حداقل اعوجاج تولید کنند.

اصل عملکرد مبدل فرکانس

مبدل فرکانس شامل یکسو کننده توان دیود کنترل نشده B، یک اینورتر مستقل، یک سیستم کنترل PWM، تنظیم خودکار، سلف Lв و خازن فیلتر Cв (شکل 2). تنظیم فرکانس خروجی فوات و ولتاژ Uout به دلیل کنترل پهنای پالس فرکانس بالا در اینورتر انجام می شود.

کنترل عرض پالس با یک دوره مدولاسیون مشخص می شود که در آن سیم پیچ استاتور موتور الکتریکی به طور متناوب به قطب های مثبت و منفی یکسو کننده متصل می شود.

مدت زمان این حالت ها در دوره PWM بر اساس یک قانون سینوسی تعدیل می شود. در فرکانس‌های کلاک PWM بالا (معمولاً 2 ... 15 کیلوهرتز)، جریان‌های سینوسی در سیم‌پیچ‌های موتور به دلیل ویژگی‌های فیلتر کردن آن‌ها جریان می‌یابند.

تنظیم سرعت با افزایش لغزش موتور ناهمزمان همراه نیست، بنابراین تلفات توان در هنگام تنظیم اندک است. برای به دست آوردن عملکرد انرژی بالای یک موتور ناهمزمان - ضرایب قدرت، راندمان، ظرفیت اضافه بار - لازم است ولتاژ ورودی را همزمان با فرکانس تغییر دهید.

ساختار مبدل فرکانس

مدرن ترین مبدل های فرکانسبا استفاده از یک طرح تبدیل دوگانه ساخته شده است. ولتاژ سینوسی ورودی با دامنه و فرکانس ثابت در پیوند DC B تصحیح می شود و توسط یک فیلتر متشکل از یک چوک صاف می شود. Lvو خازن Cv را فیلتر کنید و سپس دوباره توسط اینورتر تبدیل شود AINبه ولتاژ متناوب فرکانس و دامنه متغیر. تنظیم فرکانس خروجی مبارزه کردن. و ولتاژ Uout به دلیل کنترل پهنای پالس فرکانس بالا در اینورتر انجام می شود. کنترل عرض پالس با یک دوره مدولاسیون مشخص می شود که در آن سیم پیچ استاتور موتور الکتریکی به طور متناوب به قطب های مثبت و منفی یکسو کننده متصل می شود.

مدت زمان اتصال هر سیم پیچ در دوره تکرار پالس طبق یک قانون سینوسی مدوله می شود. بیشترین عرض پالس در وسط نیم چرخه ارائه می شود و به سمت ابتدا و انتهای نیم چرخه کاهش می یابد. بنابراین، سیستم کنترل سیستم کنترل، مدولاسیون عرض پالس (PWM) ولتاژ اعمال شده به سیم پیچ های موتور را فراهم می کند. دامنه و فرکانس ولتاژ توسط پارامترهای تابع سینوسی تعدیل کننده تعیین می شود. بنابراین، یک ولتاژ متناوب سه فاز با فرکانس و دامنه متغیر در خروجی مبدل فرکانس تشکیل می شود.

ما همیشه از دیدن شرکای قدیمی خود خوشحالیم و مشتاقانه منتظر شرکای جدید هستیم.

ارسال به تمام مناطق روسیه!

محتوا:

در الکتروموتورهای آسنکرون نیاز به تنظیم سرعت روتور وجود دارد. برای این منظور از درایو فرکانس متغیر استفاده می شود که عنصر اصلی آن مبدل فرکانس است. طراحی آن شامل یک پل جریان مستقیم است که همچنین یک یکسو کننده است که جریان متناوب صنعتی را به جریان مستقیم تبدیل می کند. بخش مهم دیگر اینورتر است که جریان مستقیم را با فرکانس و دامنه مورد نیاز به جریان مستقیم تبدیل می کند.

اصل عملکرد درایو فرکانس متغیر

موتورهای آسنکرون به طور گسترده ای در صنعت و حمل و نقل مورد استفاده قرار می گیرند و نیروی محرکه اصلی قطعات، ماشین ها و مکانیزم ها هستند. آنها بسیار قابل اعتماد هستند و تعمیر آنها نسبتاً آسان است.

با این حال، این دستگاه ها فقط می توانند در یک فرکانس بچرخند که منبع تغذیه AC است. برای کار در محدوده های مختلف، از دستگاه های خاصی استفاده می شود - مبدل های فرکانس که فرکانس ها را به پارامترهای مورد نیاز تنظیم می کنند.

عملکرد مبدل ها ارتباط نزدیکی با اصل عملکرد یک موتور ناهمزمان دارد. استاتور آن از سه سیم پیچ تشکیل شده است که هر کدام به هم متصل هستند برق، ایجاد یک میدان مغناطیسی متناوب. تحت تأثیر این میدان جریانی در روتور ایجاد می شود که منجر به ظهور میدان مغناطیسی نیز می شود. در نتیجه تعامل میدان های استاتور و روتور، روتور شروع به چرخش می کند.

هنگامی که یک موتور القایی راه اندازی می شود، جریان قابل توجهی از منبع تغذیه وجود دارد. به همین دلیل، درایو مکانیزم اضافه بار قابل توجهی را تجربه می کند. میل شدید موتور برای رسیدن به سرعت نامی وجود دارد. در نتیجه، عمر مفید نه تنها خود واحد، بلکه دستگاه هایی که آن را تغذیه می کند نیز کاهش می یابد.

این مشکل با استفاده از یک درایو فرکانس متغیر با موفقیت حل می شود که به شما امکان می دهد فرکانس ولتاژ تامین کننده موتور را تغییر دهید. استفاده از قطعات الکترونیکی مدرن این دستگاه ها را کوچک و کارآمد می کند.

اصل کار مبدل فرکانس بسیار ساده است. ابتدا ولتاژ شبکه به یکسو کننده تامین می شود و در آنجا به جریان مستقیم تبدیل می شود. سپس توسط خازن ها صاف می شود و به مبدل ترانزیستوری فرستاده می شود. ترانزیستورهای آن در حالت باز مقاومت بسیار پایینی دارند. آنها در زمان های خاصی با استفاده از کنترل الکترونیکی باز و بسته می شوند. هنگامی که فازها نسبت به یکدیگر جابجا می شوند، ولتاژی شبیه به سه فاز ایجاد می شود. پالس ها مستطیل شکل هستند، اما این به هیچ وجه بر عملکرد موتور تأثیر نمی گذارد.

مبدل های فرکانس در حین کار از اهمیت بالایی برخوردار هستند. با این طرح اتصال، لازم است از خازن تغییر فاز برای ایجاد گشتاور استفاده شود. راندمان واحد به طور قابل توجهی کاهش می یابد، اما مبدل فرکانس عملکرد آن را افزایش می دهد.

بنابراین استفاده از درایو فرکانس متغیر کنترل موتورهای سه فاز AC را کارآمدتر می کند. در نتیجه تولید بهبود می یابد فرآیندهای تکنولوژیکیو از منابع انرژی به صورت منطقی تری استفاده می شود.

مزایا و معایب دستگاه های کنترل فرکانس

این دستگاه های تنظیم دارای مزایای بی شک هستند و اثر اقتصادی بالایی را ارائه می دهند. آنها با دقت بالای تنظیمات متمایز می شوند و گشتاور شروعی برابر با حداکثر را ارائه می دهند. در صورت لزوم، موتور الکتریکی می تواند با بار جزئی کار کند که باعث صرفه جویی قابل توجهی در انرژی می شود. تنظیم کننده های فرکانس به طور قابل توجهی عمر تجهیزات را افزایش می دهند. هنگامی که موتور به آرامی روشن می شود، سایش آن بسیار کمتر می شود.

درایو فرکانس متغیر را می توان از راه دور از طریق یک شبکه صنعتی تشخیص داد. این به شما امکان می دهد ساعات کار موتور را پیگیری کنید، خرابی های فاز را در مدارهای ورودی و خروجی تشخیص دهید و همچنین سایر عیوب و نقص ها را شناسایی کنید.

سنسورهای مختلفی را می توان به دستگاه کنترل متصل کرد که امکان تنظیم مقادیر مشخصی مانند فشار را فراهم می کند. اگر ولتاژ برق به طور ناگهانی ناپدید شود، سیستم ترمز کنترل شده و راه اندازی مجدد خودکار فعال می شود. سرعت چرخش با تغییر بار تثبیت می شود. درایو فرکانس متغیر در حال تبدیل شدن به یک جایگزین جایگزین برای قطع کننده مدار است.

نقطه ضعف اصلی تداخل ایجاد شده توسط اکثر مدل های چنین دستگاه هایی است. برای اطمینان از عملکرد عادی، نصب فیلترهای تداخل فرکانس بالا ضروری است. علاوه بر این، افزایش قدرت درایوهای فرکانس متغیر به طور قابل توجهی هزینه آنها را افزایش می دهد، بنابراین حداقل دوره بازپرداخت 1-2 سال است.

کاربرد دستگاه های تنظیم کننده

دستگاه های کنترل فرکانس در بسیاری از زمینه ها - در صنعت و در زندگی روزمره استفاده می شود. آنها مجهز به آسیاب نورد، نوار نقاله، دستگاه های برش، فن، کمپرسور، میکسر، خانگی هستند. ماشین های لباسشوییو دستگاه های تهویه مطبوع درایوها خود را در حمل و نقل واگن برقی شهری ثابت کرده اند. استفاده از درایوهای فرکانس متغیر در ماشین ابزارهای CNC برنامه کنترل شدهبه شما امکان می دهد حرکات را در جهت بسیاری از محورها به طور همزمان هماهنگ کنید.

این سیستم ها هنگام استفاده در تجهیزات پمپاژ مختلف، حداکثر اثر اقتصادی را ارائه می دهند. استاندارد هر نوع تنظیم چوک های نصب شده در خطوط فشار و تعیین تعداد واحدهای عملیاتی است. با توجه به این امکان به دست آوردن معین می باشد مشخصات فنیمانند فشار خط لوله و غیره.

پمپ ها سرعت ثابتی دارند و دبی متغیر ناشی از مصرف آب متغیر را در نظر نمی گیرند. حتی در صورت حداقل دبی، پمپ ها سرعت ثابتی را حفظ می کنند که منجر به ایجاد فشار اضافی در شبکه و ایجاد شرایط اضطراری می شود. همه اینها با مصرف انرژی بیهوده همراه است. این امر عمدتاً در شب هنگام کاهش شدید مصرف آب اتفاق می افتد.

با ظهور درایوهای فرکانس متغیر، حفظ فشار ثابت مستقیماً در مصرف کنندگان امکان پذیر شد. این سیستم ها خود را به خوبی در ارتباط با موتورهای آسنکرونهمه منظوره. کنترل فرکانس به شما امکان می دهد سرعت چرخش شفت را تغییر دهید و آن را از سرعت اسمی بالاتر یا کمتر کنید. یک سنسور فشار نصب شده در مصرف کننده اطلاعات را به یک درایو فرکانس متغیر منتقل می کند که به نوبه خود فرکانس ارائه شده به موتور را تغییر می دهد.

دستگاه های کنترل مدرن از نظر اندازه جمع و جور هستند. آنها در یک محفظه محافظت شده از گرد و غبار و رطوبت قرار می گیرند. به لطف رابط کاربر پسند، دستگاه ها را می توان حتی در سخت ترین شرایط، با محدوده توان گسترده - از 0.18 تا 630 کیلووات و ولتاژ 220/380 ولت، کار کرد.

حالت‌های عملکرد پمپ‌های گریز از مرکز با تغییر سرعت چرخش پروانه‌های آن‌ها از نظر انرژی بسیار کارآمد تنظیم می‌شوند. اگر از یک درایو الکتریکی قابل تنظیم به عنوان موتور محرک استفاده شود، می توان سرعت چرخش پروانه ها را تغییر داد.
طراحی و مشخصات توربین ها و موتورهای گازی احتراق داخلیبه گونه ای هستند که می توانند تغییری در سرعت چرخش در محدوده مورد نیاز ایجاد کنند.

تجزیه و تحلیل روند تنظیم سرعت چرخش هر مکانیزم با استفاده از ویژگی های مکانیکی واحد راحت است.

بیایید ویژگی های مکانیکی یک واحد پمپاژ متشکل از یک پمپ و یک موتور الکتریکی را در نظر بگیریم. در شکل 1 مشخصات مکانیکی را نشان می دهد پمپ سانتریفیوژ، مجهز به شیر چک (منحنی 1) و موتور الکتریکی با روتور قفس سنجابی (منحنی 2).

برنج. 1. مشخصات مکانیکی واحد پمپ

تفاوت بین گشتاور موتور الکتریکی و گشتاور مقاومتی پمپ را گشتاور دینامیکی می گویند. اگر گشتاور موتور بیشتر از گشتاور مقاومتی پمپ باشد، گشتاور دینامیکی مثبت در نظر گرفته می شود.

تحت تأثیر گشتاور دینامیکی مثبت، واحد پمپاژ با شتاب شروع به کار می کند، یعنی. تسریع می کند. اگر گشتاور دینامیکی منفی باشد، واحد پمپاژ با کندی کار می کند، یعنی. کند می کند.

هنگامی که این ممان ها برابر باشند، یک حالت عملکرد ثابت رخ می دهد، به عنوان مثال. واحد پمپ با سرعت ثابت کار می کند. این سرعت چرخشی و گشتاور مربوطه با تلاقی مشخصات مکانیکی موتور الکتریکی و پمپ تعیین می شود (نقطه a در شکل 1).

اگر در طی فرآیند تنظیم، مشخصه مکانیکی به یک شکل تغییر کند، مثلاً با وارد کردن یک مقاومت اضافی به مدار روتور موتور الکتریکی (منحنی 3 در شکل 1) نرم‌تر شود، گشتاور دورانی موتور الکتریکی کمتر از گشتاور مقاومتی می شود.

تحت تأثیر گشتاور دینامیکی منفی، واحد پمپاژ کندتر شروع به کار می کند، یعنی. کند می شود تا زمانی که گشتاور و لحظه مقاومت دوباره متعادل شوند (نقطه b در شکل 1). این نقطه فرکانس چرخش و مقدار گشتاور خاص خود را دارد.

بنابراین فرآیند تنظیم سرعت چرخش واحد پمپ به طور مداوم با تغییرات گشتاور موتور الکتریکی و ممان مقاومتی پمپ همراه است.

سرعت چرخش پمپ را می توان با تغییر سرعت چرخش موتور الکتریکی متصل به پمپ یا با تغییر نسبت دنده انتقال پمپ به موتور الکتریکی که با سرعت ثابت کار می کند کنترل کرد.

تنظیم سرعت موتورهای الکتریکی

واحدهای پمپاژ عمدتاً از موتورهای AC استفاده می کنند. سرعت چرخش یک موتور AC به فرکانس جریان تغذیه f، تعداد جفت قطب p و لغزش s بستگی دارد. با تغییر یک یا چند مورد از این پارامترها می توانید سرعت چرخش موتور الکتریکی و پمپ مربوط به آن را تغییر دهید.

عنصر اصلی درایو فرکانساست . در مبدل فرکانس ثابت شبکه تغذیه f1 به فرکانس متغیر f 2 تبدیل می شود سرعت چرخش موتور الکتریکی متصل به خروجی مبدل متناسب با فرکانس f 2 تغییر می کند.

با استفاده از مبدل فرکانس، پارامترهای شبکه عملاً بدون تغییر ولتاژ U1 و فرکانس f1 به پارامترهای متغیر U2 و f 2 مورد نیاز برای سیستم کنترل تبدیل می شوند. برای اطمینان از عملکرد پایدار موتور الکتریکی، محدود کردن اضافه بار آن در جریان و شار مغناطیسی و حفظ عملکرد انرژی بالا، بسته به نوع ویژگی های مکانیکی موتور، باید نسبت مشخصی بین پارامترهای ورودی و خروجی آن در مبدل فرکانس حفظ شود. پمپ. این نسبت ها از معادله قانون تنظیم فرکانس به دست می آیند.

برای پمپ ها باید نسبت زیر رعایت شود:

U1/f1 = U2/f2 = Const

در شکل شکل 2 مشخصات مکانیکی یک موتور الکتریکی ناهمزمان با تنظیم فرکانس را نشان می دهد. با کاهش فرکانس f2، مشخصه مکانیکی نه تنها موقعیت خود را در مختصات n - M تغییر می دهد، بلکه شکل خود را نیز کمی تغییر می دهد. به طور خاص، حداکثر گشتاور موتور الکتریکی کاهش می یابد. این به این دلیل است که اگر رابطه U1/f1 = U2/f2 = const مشاهده شود و فرکانس f1 تغییر کند، تأثیر مقاومت استاتور فعال بر روی مقدار گشتاور موتور در نظر گرفته نمی شود.

برنج. 2. مشخصات مکانیکی یک درایو فرکانس در حداکثر (1) و فرکانس پایین (2).

هنگامی که تنظیم فرکانس این تأثیر را در نظر می گیرد، حداکثر گشتاور بدون تغییر باقی می ماند، شکل مشخصه مکانیکی حفظ می شود، فقط موقعیت آن تغییر می کند.

مبدل های فرکانس با بالا ویژگی های انرژیبا توجه به این واقعیت که خروجی مبدل شکلی از منحنی های جریان و ولتاژ را ارائه می دهد که به سینوسی نزدیک می شود. اخیراً مبدل‌های فرکانس مبتنی بر ماژول‌های IGBT (ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق‌شده) بسیار رایج شده‌اند.

ماژول IGBT یک عنصر کلیدی بسیار کارآمد است. افت ولتاژ پایینی داره سرعت بالاو قدرت سوئیچینگ پایین مبدل فرکانس مبتنی بر ماژول‌های IGBT با PWM و الگوریتم برداری برای کنترل موتور الکتریکی ناهمزمان نسبت به انواع دیگر مبدل‌ها مزیت‌هایی دارد. با ضریب توان بالا در کل محدوده فرکانس خروجی مشخص می شود.

نمودار شماتیک مبدل در شکل نشان داده شده است. 3.

برنج. 3. نمودار مبدل فرکانس در ماژول های IGBT: 1 - واحد فن. 2 - منبع تغذیه; 3 - یکسو کننده کنترل نشده; 4 - کنترل پنل; 5 - برد کنترل پنل; 6 - PWM; 7 - بلوک تبدیل ولتاژ; 8 - برد سیستم کنترل; 9 - رانندگان؛ 10 - فیوزهای واحد اینورتر; 11 - سنسورهای جریان. 12 - موتور قفس سنجاب ناهمزمان. Q1، Q2، Q3 - سوئیچ های مدار قدرت، مدار کنترل و واحد فن؛ K1، K2 - کنتاکتور برای شارژ خازن ها و مدار قدرت؛ ج - بلوک خازن؛ Rl، R2، R3 - مقاومت برای محدود کردن جریان شارژ خازن، تخلیه خازن و واحد تخلیه. VT - سوئیچ های برق اینورتر (ماژول های IGBT)

در خروجی مبدل فرکانس، یک منحنی ولتاژ (جریان) تشکیل می شود که کمی متفاوت از یک سینوسی است که شامل اجزای هارمونیک بالاتر است. وجود آنها مستلزم افزایش تلفات در موتور الکتریکی است. به همین دلیل، هنگامی که درایو الکتریکی با سرعت چرخش نزدیک به سرعت نامی کار می کند، موتور الکتریکی بیش از حد بارگذاری می شود.

هنگام کار با سرعت‌های پایین‌تر، شرایط خنک‌کننده موتورهای الکتریکی خود تهویه‌ای که برای به حرکت درآوردن پمپ‌ها استفاده می‌شوند بدتر می‌شود. در محدوده کنترل معمول واحدهای پمپاژ (1:2 یا 1:3)، این بدتر شدن شرایط تهویه با کاهش قابل توجه بار به دلیل کاهش جریان و فشار پمپ جبران می شود.

هنگام کار در فرکانس های نزدیک به مقدار اسمی (50 هرتز)، بدتر شدن شرایط خنک کننده در ترکیب با ظاهر هارمونیک های مرتبه بالاتر، نیاز به کاهش توان مکانیکی مجاز 8 - 15٪ دارد. به همین دلیل، حداکثر گشتاور موتور الکتریکی 1 - 2٪ کاهش می یابد، بازده آن - 1 - 4٪، cosφ - 5 - 7٪ کاهش می یابد.

برای جلوگیری از بارگذاری بیش از حد موتور الکتریکی، لازم است یا مقدار بالای سرعت چرخش آن را محدود کنید یا درایو را به یک موتور الکتریکی قدرتمندتر مجهز کنید. آخرین اقدام زمانی اجباری است که واحد پمپاژ در فرکانس f 2 > 50 هرتز کار کند. مقدار بالای دور موتور با محدود کردن فرکانس f 2 به 48 هرتز محدود می شود. افزایش توان نامی موتور محرک با گرد کردن به نزدیکترین مقدار استاندارد انجام می شود.

کنترل گروهی درایوهای الکتریکی قابل تنظیم واحدها

بسیاری از تاسیسات پمپاژ از چندین واحد تشکیل شده اند. معمولا، درایو الکتریکی قابل تنظیمهمه واحدها مجهز نیستند. از بین دو یا سه واحد نصب شده، کافی است یکی را به یک درایو الکتریکی قابل تنظیم مجهز کنید. اگر یک مبدل به طور مداوم به یکی از واحدها متصل باشد، مصرف نابرابر منبع موتور آنها وجود دارد، زیرا واحد مجهز شده است. درایو قابل تنظیم، برای مدت طولانی تری در کار استفاده می شود.

برای توزیع یکنواخت بار بین تمام واحدهای نصب شده در ایستگاه، ایستگاه های کنترل گروهی ایجاد شده است که به کمک آنها می توان واحدها را به طور متناوب به مبدل متصل کرد. ایستگاه های کنترل معمولاً برای واحدهای ولتاژ پایین (380 ولت) ساخته می شوند.

به طور معمول، ایستگاه های کنترل ولتاژ پایین برای کنترل دو یا سه واحد طراحی می شوند. ایستگاه های کنترل ولتاژ پایین شامل قطع کننده های مدار هستند که در برابر خطاهای فاز به فاز محافظت می کنند. اتصال کوتاهو خطاهای زمین، رله های حرارتی برای محافظت از واحدها در برابر اضافه بار و همچنین تجهیزات کنترلی (کلیدها و غیره).

مدار سوئیچینگ ایستگاه کنترل حاوی اینترلاک های لازم است که امکان اتصال مبدل فرکانس را به هر واحد انتخابی و جایگزینی واحدهای عملیاتی بدون ایجاد اختلال در حالت عملکرد تکنولوژیکی واحد پمپاژ یا دمیدن فراهم می کند.

ایستگاه های کنترل، به عنوان یک قاعده، همراه با عناصر قدرت ( سوئیچ های اتوماتیک، کنتاکتورها و غیره) شامل وسایل کنترل و تنظیم کننده (کنترل کننده های ریزپردازنده و غیره) می باشد.

بنا به درخواست مشتری، ایستگاه ها مجهز به دستگاه هایی برای روشن شدن خودکار برق پشتیبان (ABP)، اندازه گیری تجاری برق مصرفی و کنترل تجهیزات خاموش کننده می باشد.

در صورت لزوم، دستگاه های اضافی به ایستگاه کنترل وارد می شوند و از استفاده از دستگاه به همراه مبدل فرکانس اطمینان حاصل می کنند شروع نرمواحدها

ایستگاه های کنترل خودکار:

حفظ یک مقدار معین از یک پارامتر فرآیند (فشار، سطح، دما و غیره)؛

کنترل حالت های عملکرد موتورهای الکتریکی واحدهای تنظیم شده و غیرقابل تنظیم (کنترل مصرف جریان، قدرت) و حفاظت از آنها.

روشن شدن خودکاربهره برداری از واحد پشتیبان در صورت خرابی واحد اصلی؛

سوئیچینگ واحدها به طور مستقیم به شبکه در صورت خرابی مبدل فرکانس؛

روشن شدن خودکار ورودی الکتریکی پشتیبان (AVR)؛

راه اندازی مجدد خودکار (AR) ایستگاه پس از افت و افت عمیق ولتاژ تغذیه شبکه برق;

تغییر خودکار حالت عملکرد ایستگاه با توقف و راه اندازی واحدها در یک زمان معین.

فعال سازی خودکار یک واحد غیرقابل تنظیم اضافی در صورتی که واحد تنظیم شده با رسیدن به سرعت نامی آب مورد نیاز را تامین نکند.

تناوب خودکار واحدهای عملیاتی در فواصل زمانی مشخص برای اطمینان از مصرف یکنواخت منابع موتور.

کنترل عملیاتی حالت عملکرد واحد پمپاژ (دمنده) از صفحه کنترل یا از کنسول اعزام.

برنج. 4. ایستگاه کنترل گروهی برای درایوهای الکتریکی با فرکانس متغیر پمپ ها

کارایی استفاده از درایوهای الکتریکی فرکانس متغیر در واحدهای پمپاژ

استفاده از درایو فرکانس متغیر باعث صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی می شود، زیرا استفاده از واحدهای پمپاژ بزرگ را در حالت جریان کم ممکن می سازد. به همین دلیل می توان با افزایش توان واحدها، تعداد کل آنها را کاهش داد و در نتیجه، ابعاد کلی ساختمان ها را کاهش داد. نمودار هیدرولیکایستگاه، تعداد اتصالات خط لوله را کاهش دهید.

بنابراین، استفاده از درایو الکتریکی کنترل شده در واحدهای پمپاژ، به همراه صرفه جویی در مصرف برق و آب، امکان کاهش تعداد واحدهای پمپاژ، ساده سازی مدار هیدرولیک ایستگاه و کاهش حجم ساخت و ساز ساختمان را فراهم می کند. ایستگاه پمپاژ. در این راستا، اثرات اقتصادی ثانویه ایجاد می شود: هزینه های گرمایش، روشنایی و تعمیرات ساختمان، بسته به هدف ایستگاه ها و سایر شرایط خاص، می تواند 20 تا 50 درصد کاهش یابد.

که در مستندات فنیدر مبدل های فرکانس نشان داده شده است که استفاده از یک درایو الکتریکی قابل تنظیم در واحدهای پمپاژ اجازه می دهد تا 50٪ انرژی صرف شده برای پمپاژ تمیز و تمیز صرفه جویی شود. فاضلاب، و دوره بازپرداخت سه تا نه ماه است.

در عین حال، محاسبات و تجزیه و تحلیل راندمان یک درایو الکتریکی قابل تنظیم در واحدهای پمپاژ موجود نشان می دهد که در واحدهای پمپاژ کوچک با واحدهای تا توان 75 کیلو وات، به ویژه هنگامی که با مولفه ایستا فشار زیاد کار می کنند، استفاده از درایوهای الکتریکی قابل تنظیم نامناسب است. در این موارد می توانید بیشتر استفاده کنید سیستم های سادهتنظیم با استفاده از دریچه گاز، تغییر تعداد واحدهای پمپاژ عامل.

کاربرد درایو الکتریکی قابل تنظیم در سیستم های اتوماسیون واحدهای پمپاژاز یک طرف مصرف انرژی را کاهش می دهد، از طرف دیگر نیاز به هزینه های سرمایه ای اضافی دارد، بنابراین امکان استفاده از درایو الکتریکی قابل تنظیم در واحدهای پمپاژ با مقایسه هزینه های داده شده دو گزینه اساسی و جدید تعیین می شود. پشت گزینه جدیدیک واحد پمپاژ مجهز به درایو الکتریکی قابل تنظیم گرفته می شود و واحد پایه واحدی است که واحدهای آن با سرعت ثابت کار می کنند.