Em primeiro lugar, por que usar um conversor de frequência para controlar um motor?
Vamos primeiro entender brevemente esses dois dispositivos.
O motor é uma carga indutiva, o que dificulta a mudança de corrente, e produzirá uma grande mudança de corrente quando for acionado.
O conversor de frequência é um dispositivo de controle de energia que usa a função liga-desliga do dispositivo semicondutor de potência para converter a fonte de alimentação de frequência de energia para outra frequência. É composto principalmente por duas partes do circuito, uma é o circuito principal (módulo retificador, capacitor eletrolítico e módulo inversor) e a outra é o circuito de controle (placa de alimentação de comutação, placa de circuito de controle).
Para reduzir a corrente de partida do motor, principalmente para um motor de maior potência, quanto maior a potência, maior será a corrente de partida. Corrente de partida excessiva trará uma carga maior para a rede de alimentação e distribuição, e o conversor de frequência pode resolver esse problema de partida para que o motor dê partida suavemente sem causar corrente de partida excessiva.
Outra função do uso do conversor de frequência é ajustar a velocidade do motor. Muitas vezes é necessário controlar a velocidade do motor para obter melhor eficiência de produção, e a regulação de velocidade do conversor de frequência sempre foi seu maior destaque. O conversor de frequência pode alterar a frequência da fonte de alimentação para atingir o objetivo de controlar a velocidade do motor.
Quais são os métodos de controle do inversor?
As cinco maneiras mais comuns pelas quais um inversor controla um motor são as seguintes:
A tensão de saída da conversão de frequência universal de baixa tensão é 380-650V, a potência de saída é 0.75-400kW e a frequência de trabalho é 0-400Hz. Seu circuito principal adota um circuito AC-DC-AC. Seu método de controle passou pelas quatro gerações seguintes.
Método de controle de modulação por largura de pulso sinusoidal (SPWM) 1U/f=C
É caracterizado por uma estrutura de circuito de controle simples, baixo custo e boas propriedades mecânicas e dureza, que pode atender aos requisitos de regulação de velocidade suave da transmissão geral e tem sido amplamente utilizado em vários campos da indústria.
Porém, quando este método de controle é em baixa frequência, devido à baixa tensão de saída, o torque é significativamente afetado pela queda de tensão da resistência do estator, o que reduz o torque máximo de saída.
Além disso, suas características mecânicas não são tão duras quanto as dos motores CC posteriores, e a capacidade de torque dinâmico e o desempenho de regulação de velocidade estática não são satisfatórios, o desempenho do sistema não é alto, a curva de controle mudará com a mudança de carga e a resposta de torque é lento e o motor gira A taxa de utilização do torque não é alta e o desempenho diminui devido à existência da resistência do estator e ao efeito de zona morta do inversor em baixa velocidade, e a estabilidade torna-se ruim. Portanto, as pessoas desenvolveram regulação de velocidade de conversão de frequência de controle vetorial.
Modo de controle de vetor de espaço de tensão (SVPWM)
Baseia-se na premissa do efeito geral de geração da forma de onda trifásica e visa aproximar-se da trajetória ideal do campo magnético rotativo circular do entreferro do motor. Ele gera uma forma de onda de modulação trifásica de uma só vez e a controla de forma que um polígono inscrito se aproxime de um círculo.
Após o uso prático, foi aprimorado, ou seja, a introdução da compensação de frequência pode eliminar o erro de controle de velocidade; a magnitude da ligação do fluxo pode ser estimada através de feedback para eliminar a influência da resistência do estator em baixa velocidade; a tensão e a corrente de saída são de circuito fechado para melhorar a precisão dinâmica e a estabilidade. No entanto, existem muitos links no circuito de controle e nenhum ajuste de torque é introduzido, portanto o desempenho do sistema não foi fundamentalmente melhorado.
Modo de controle vetorial (VC)
A prática da regulação da velocidade de conversão de frequência de controle vetorial é converter as correntes do estator Ia, Ib e Ic do motor assíncrono no sistema de coordenadas trifásico em uma corrente CA equivalente Ia1Ib1 no sistema de coordenadas estacionário bifásico através de trifásico -conversão bifásica e, em seguida, através De acordo com a transformação de rotação de orientação do campo magnético do rotor, é equivalente à corrente DC Im1 e It1 no sistema de coordenadas rotativas síncronas (Im1 é equivalente à corrente de excitação do motor DC; It1 é equivalente à corrente de armadura proporcional ao torque) e então imita o motor DC. No método de controle, a quantidade de controle do motor DC é obtida, e o controle do motor assíncrono é realizado através da transformação inversa de coordenadas correspondente.
Sua essência é que o motor CA é equivalente a um motor CC, e os dois componentes de velocidade e campo magnético são controlados de forma independente. Ao controlar a ligação do fluxo do rotor e, em seguida, decompor a corrente do estator para obter os dois componentes de torque e campo magnético, a transformação de coordenadas pode realizar o controle de quadratura ou desacoplamento. A proposta do método de controle vetorial tem um significado que marcou época. Porém, em aplicações práticas, devido à dificuldade de observar com precisão a ligação do fluxo do rotor, as características do sistema são muito afetadas pelos parâmetros do motor, e a transformação de rotação vetorial usada no processo de controle do motor CC equivalente é mais complicada, dificultando para o efeito de controle real para alcançar a análise ideal. resultado.
Modo de controle direto de torque (DTC)
Em 1985, o professor DePenbrock da Universidade de Ruhr, na Alemanha, propôs pela primeira vez a tecnologia de conversão de frequência de controle direto de torque. Esta tecnologia resolve em grande parte as deficiências de controle vetorial mencionadas acima e desenvolveu-se rapidamente com novas idéias de controle, estrutura de sistema simples e clara e excelente desempenho dinâmico e estático.
Atualmente, esta tecnologia tem sido aplicada com sucesso à transmissão CA de alta potência de tração de locomotivas elétricas. O controle direto de torque analisa diretamente o modelo matemático do motor CA no sistema de coordenadas do estator e controla a ligação do fluxo e o torque do motor. Não é necessário equiparar o motor CA a um motor CC, economizando assim muitos cálculos complicados na transformação da rotação vetorial; não precisa simular o controle do motor CC, nem simplificar o modelo matemático do motor CA para desacoplamento.
Modo de controle Matrix AC-AC
A conversão de frequência VVVF, a conversão de frequência de controle vetorial e a conversão de frequência de controle direto de torque são todas conversões de frequência AC-DC-AC. Suas desvantagens comuns são baixo fator de potência de entrada, grande corrente harmônica, grandes capacitores de armazenamento de energia para circuitos CC e a energia regenerativa não pode ser realimentada para a rede, ou seja, a operação em quatro quadrantes não pode ser realizada.
Por esta razão, surgiu a conversão de frequência matricial AC-AC. Como a conversão de frequência CA-CA da matriz elimina o link CC intermediário, os capacitores eletrolíticos volumosos e caros são omitidos. Ele pode perceber que o fator de potência é l, a corrente de entrada é senoidal e pode funcionar em quatro quadrantes e a densidade de potência do sistema é alta. Embora a tecnologia ainda não esteja madura, ela ainda atrai muitos estudiosos para pesquisas aprofundadas. Sua essência não é controlar indiretamente a corrente, a ligação do fluxo, etc., mas realizar o torque diretamente como a quantidade controlada.
O método específico é:
Controle a ligação do fluxo do estator e introduza o observador da ligação do fluxo do estator para realizar o modo sem sensor de velocidade;
A identificação automática (ID) depende do modelo matemático preciso do motor para identificar automaticamente os parâmetros do motor;
Calcule o valor real correspondente à impedância do estator, indutância mútua, fator de saturação magnética, inércia, etc. Calcule o torque real, a ligação do fluxo do estator e a velocidade do rotor para controle em tempo real;
Realize o controle Band-Band De acordo com o controle Band-Band da ligação de fluxo e torque, sinais PWM são gerados para controlar o estado de comutação do inversor.
A conversão de frequência Matrix AC-AC tem uma resposta de torque rápida (<2ms), precisão de alta velocidade (±2%, sem feedback PG) e alta precisão de torque (<+3%); também possui alto torque de velocidade inicial e alta precisão de torque, especialmente em baixa velocidade (incluindo velocidade 0), pode produzir torque de 150% a 200%.
Como um inversor controla um motor? Como os dois estão conectados?
A fiação do inversor para controlar o motor é relativamente simples, semelhante à fiação do contator. As três linhas principais de alimentação entram e saem para o motor.
Em primeiro lugar, vamos dar uma olhada nos terminais do inversor. Embora existam muitas marcas e diferentes métodos de fiação, a maioria dos terminais do inversor não são muito diferentes. Geralmente é dividido em entrada de chave direta e reversa, que é usada para controlar a rotação direta e reversa de muitos motores. O terminal de feedback é usado para fornecer feedback sobre o status de funcionamento do motor, incluindo a frequência de funcionamento, velocidade, status de falha e assim por diante. Para controle de referência de velocidade, alguns conversores de frequência utilizam potenciômetros, enquanto outros utilizam chaves diretamente.
É controlado por fiação física, e outra forma é passar pela rede de comunicação. Muitos inversores agora suportam controle de comunicação. Através desta linha de comunicação, o motor pode ser controlado para iniciar e parar, avançar e retroceder, ajustar a velocidade, etc., e ao mesmo tempo as informações de feedback também são transmitidas através de comunicações.
O que acontece com o torque de saída de um motor quando sua velocidade de rotação (frequência) muda?
O torque inicial e o torque máximo quando acionado por um conversor de frequência são menores do que aqueles acionados diretamente por uma fonte de alimentação de frequência comercial.
Quando o motor é alimentado por uma fonte de frequência comercial, os choques de partida e aceleração são muito grandes, mas quando o motor é alimentado por um conversor de frequência, esses choques serão mais fracos. A partida direta da frequência de energia gerará uma grande corrente de partida. Ao usar um conversor de frequência, a tensão de saída e a frequência do conversor de frequência são gradualmente adicionadas ao motor, de modo que a corrente de partida e o impacto do motor são menores.
Geralmente, o torque produzido pelo motor diminui à medida que a frequência diminui (a velocidade diminui). Os dados reais reduzidos serão explicados em alguns manuais do inversor.
Ao usar o conversor de frequência controlado por um vetor de fluxo magnético, a falta de torque na baixa velocidade do motor será melhorada e o motor poderá produzir torque suficiente mesmo na área de baixa velocidade.
Quando o conversor de frequência for ajustado para uma frequência superior a 50 Hz, o torque de saída do motor diminuirá.
O motor usual é projetado e fabricado de acordo com a tensão de 50Hz, e seu torque nominal também é dado dentro desta faixa de tensão. Portanto, a regulação de velocidade abaixo da frequência nominal é chamada de regulação de velocidade de torque constante. (T=Te,P<=Pe)
Quando a frequência de saída do conversor de frequência for superior a 50 Hz, o torque gerado pelo motor diminuirá em uma relação linear que é inversamente proporcional à frequência.
Quando o motor funciona a uma frequência superior a 50 Hz, a carga do motor deve ser considerada para evitar torque de saída do motor insuficiente.
Por exemplo, o torque produzido pelo motor a 100 Hz será reduzido para cerca de 1/2 do torque produzido a 50 Hz.
Portanto, a regulação de velocidade acima da frequência nominal é chamada de regulação de velocidade de potência constante. (P=Ue*Ie)
Aplicação de conversor de frequência acima de 50Hz
Como todos sabemos, para um motor específico, a tensão nominal e a corrente nominal são constantes.
Por exemplo, os valores nominais do inversor e do motor são ambos: 15kW/380V/30A, e o motor pode funcionar acima de 50Hz.
Quando a velocidade de rotação é 50Hz, a tensão de saída do inversor é 380V e a corrente é 30A. Neste momento, se a frequência de saída for aumentada para 60 Hz, a tensão e corrente máximas de saída do inversor poderão ser apenas 380 V/30 A. Obviamente, a potência de saída permanece inalterada, por isso chamamos isso de regulação de velocidade de potência constante.
Qual é a situação do torque neste momento?
Porque P = wT (w; velocidade angular, T: torque), porque P permanece inalterado e w aumenta, o torque diminuirá de acordo.
Também podemos olhar para isso de outro ângulo:
Tensão do estator do motor U=E+I*R (I é corrente, R é resistência eletrônica, E é potencial induzido)
Pode-se ver que quando U e I permanecem inalterados, E também permanece inalterado.
E E=k*f*X (k: constante; f: frequência; X: fluxo magnético), então quando f muda de 50–>60Hz, X diminuirá de acordo
Para o motor, T=K*I*X (K: constante; I: corrente; X: fluxo), então o torque T diminuirá à medida que o fluxo X diminuir
Ao mesmo tempo, quando é inferior a 50 Hz, como I*R é muito pequeno, quando U/f=E/f é constante, o fluxo magnético (X) é constante. O torque T é proporcional à corrente. É por isso que a capacidade de sobrecarga (torque) do inversor é geralmente descrita por sua capacidade de sobrecorrente, e é chamada de regulação de velocidade de torque constante (a corrente nominal não muda –> o torque máximo não muda)
Conclusão: Quando a frequência de saída do inversor aumenta acima de 50 Hz, o torque de saída do motor diminuirá
Outros fatores relacionados ao torque de saída
A capacidade de geração e dissipação de calor determina a capacidade da corrente de saída do inversor, afetando assim a capacidade de torque de saída do inversor.
Frequência portadora: Geralmente, a corrente nominal do inversor é baseada na frequência portadora mais alta, o que pode garantir saída contínua na temperatura ambiente mais alta. Se a frequência portadora for reduzida, a corrente do motor não será afetada. Mas o aquecimento dos componentes será reduzido.
Temperatura ambiente: Só porque detecta que a temperatura ambiente está relativamente baixa, não aumentará o valor da corrente de proteção do inversor.
Altitude: À medida que a altitude aumenta, afeta tanto a dissipação de calor como o desempenho do isolamento. Geralmente, pode ser ignorado abaixo de 1000m, sendo suficiente reduzir a capacidade em 5% a cada 1000m acima.
Qual é a frequência apropriada para o conversor de frequência controlar o motor?
No arranjo acima, aprendemos porque o inversor é usado para controlar o motor e como o inversor controla o motor. O conversor de frequência controla o motor e pode ser resumido em dois pontos: primeiro, o conversor de frequência controla a tensão de partida e a frequência do motor; consegue início e parada suaves; segundo, use o conversor de frequência para ajustar a velocidade do motor e ajuste a velocidade do motor alterando a frequência.
