Değişken frekanslı sürücü - Variable-frequency drive

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Küçük değişken frekanslı sürücü
Yukarıdaki VFD'nin şasisi (kapak çıkarılmış)

Bir değişken frekanslı tahrik ( VFD ) ya da ayarlanabilir frekanslı tahrik ( AFD ), değişken gerilim / değişken frekanslı ( VWF ) sürücü , değişken hızlı tahrik ( VSD ), AC sürücü , mikro sürücü ya da inverter türüdür motor sürücüsü motor giriş frekansı ve voltajını değiştirerek AC motor hızını ve torkunu kontrol etmek için elektro-mekanik sürücü sistemlerinde kullanılır .

VFD'ler, küçük cihazlardan büyük kompresörlere kadar değişen uygulamalarda kullanılır. Dünya elektrik enerjisinin yaklaşık% 25'i endüstriyel uygulamalarda elektrik motorları tarafından tüketilmektedir. VFD kullanan sistemler, pompalı sistemler ve fanlar için damper kontrolü gibi sıvı akışının kısılma kontrolünü kullanan sistemlerden daha verimli olabilir. Bununla birlikte, VFD'lerin tüm uygulamaları için küresel pazar penetrasyonu nispeten küçüktür.

Son kırk yılda güç elektroniği teknolojisi, VFD maliyetini ve boyutunu düşürdü ve yarı iletken anahtarlama cihazlarında, sürücü topolojilerinde, simülasyon ve kontrol tekniklerinde ve kontrol donanımı ve yazılımındaki ilerlemeler yoluyla performansı iyileştirdi.

VFD'ler, bir dizi farklı düşük ve orta gerilim AC-AC ve DC-AC topolojilerinde yapılır.

Sistem açıklaması ve çalışması

VFD sistemi

Değişken frekanslı sürücü, aşağıdaki üç ana alt sistemden oluşan bir sürücü sisteminde kullanılan bir cihazdır: AC motor, ana sürücü denetleyici tertibatı ve sürücü / operatör arayüzü.

alternatif akım motoru

Bir VFD sisteminde kullanılan AC elektrik motoru genellikle üç fazlı bir asenkron motordur . Bazı tipte tek fazlı motorlar veya senkron motorlar bazı durumlarda avantajlı olabilir, ancak genellikle en ekonomik olarak üç fazlı asenkron motorlar tercih edilir. Sabit hızlı çalışma için tasarlanmış motorlar sıklıkla kullanılır. VFD'ler tarafından beslenen endüksiyon motorlarına uygulanan yüksek voltaj gerilimleri, bu tür motorların, NEMA Standardı MG-1 Bölüm 31 gibi gerekliliklere uygun olarak belirli amaçlı inverter beslemeli görev için tasarlanmasını gerektirir .

Kontrolör

VFD kontrol cihazı, üç farklı alt sistemden oluşan bir katı hal güç elektroniği dönüştürme sistemidir: bir doğrultucu köprü dönüştürücü, bir doğru akım (DC) bağlantısı ve bir evirici. Gerilim kaynaklı invertör (VSI) sürücüler (aşağıdaki 'Genel topolojiler' alt bölümüne bakın), açık arayla en yaygın sürücü türüdür. Çoğu sürücü, AC hat girişini AC inverter çıkışına dönüştürdükleri için AC-AC sürücülerdir. Ancak, yaygın DC bara veya güneş enerjisi uygulamaları gibi bazı uygulamalarda , sürücüler DC-AC sürücüler olarak yapılandırılır. VSI sürücüsü için en temel doğrultucu dönüştürücü, üç fazlı, altı darbeli, tam dalgalı bir diyot köprüsü olarak yapılandırılmıştır . Bir VSI sürücüde DC bağlantısı , dönüştürücünün DC çıkış dalgalanmasını düzelten ve sürücüye sert bir giriş sağlayan bir kapasitörden oluşur . Bu filtrelenmiş DC voltajı, sürücünün aktif anahtarlama elemanları kullanılarak yarı sinüzoidal AC voltaj çıkışına dönüştürülür. VSI sürücüleri yüksek sağlayan güç faktörü ve düşük harmonik distorsiyon daha faz kontrollü akım kaynağı çevirici (CSI) ve yük-komütasyonlu inverter (LCI) sürücüler (aşağıda 'Genel topolojileri' alt bölümüne bakınız). Sürücü kontrolörü, tek fazlı dönüştürücü girişine ve üç fazlı çevirici çıkışına sahip bir faz dönüştürücü olarak da yapılandırılabilir .

Denetleyici ilerlemeleri, son altmış yılda katı hal güç cihazlarının voltaj ve akım oranlarında ve anahtarlama frekansında önemli artışlardan yararlandı. 1983 yılında piyasaya sürülen yalıtımlı geçit iki kutuplu transistör (IGBT), son yirmi yılda bir invertör anahtarlama cihazı olarak VFD'lere hakim oldu.

Volt-per-Hertz (V / Hz) sürücü kontrolüne uygun değişken torklu uygulamalarda, AC motor özellikleri, sürücünün motora çıkışının gerilim büyüklüğünün doğrusal bir V / Hz ilişkisinde gerekli yük torkuna uyacak şekilde ayarlanmasını gerektirir. . Örneğin 460 V, 60 Hz motorlar için bu doğrusal V / Hz ilişkisi 460/60 = 7,67 V / Hz'dir. Geniş kapsamlı uygulamalar için uygun olsa da, V / Hz kontrolü, düşük hız veya zorlu, dinamik hız regülasyonu, konumlandırma ve ters yük gereksinimlerini içeren yüksek performanslı uygulamalarda yetersizdir. Bazı V / Hz kontrol sürücüleri, ikinci dereceden V / Hz modunda da çalışabilir veya özel çok noktalı V / Hz yollarına uyacak şekilde programlanabilir.

Diğer iki sürücü kontrol platformu, vektör kontrolü ve doğrudan tork kontrolü (DTC), motorun manyetik akısını ve mekanik torkunu hassas bir şekilde kontrol etmek için motor voltaj büyüklüğünü, referansa göre açıyı ve frekansı ayarlar.

Uzay vektör darbe genişlik modülasyonu (SVPWM) giderek daha popüler hale gelse de , sinüzoidal PWM (SPWM), sürücülerin motor voltajını (veya akımını) ve frekansını değiştirmek için kullanılan en basit yöntemdir. SPWM kontrolü ile (bkz.Şekil 1), yarı-sinüzoidal, değişken darbe genişlikli çıktı, testere dişli bir taşıyıcı sinyalin çalışma frekansı ve gerilim (veya akım) açısından değişken olan modüle edici sinüzoidal sinyal ile kesişimlerinden oluşturulur. ).

Motorların nominal etiket hızının (temel hız) üzerinde çalışması mümkündür, ancak motorun isim plakası değerinden daha fazla güç gerektirmeyen koşullarla sınırlıdır. Bu bazen "alan zayıflaması" olarak adlandırılır ve AC motorlar için, nominal V / Hz değerinden daha düşük ve nominal tabela hızının üzerinde çalışma anlamına gelir. Kalıcı mıknatıslı senkron motorlar, sabit mıknatıs akı bağlantısı nedeniyle oldukça sınırlı alan zayıflatma hız aralığına sahiptir . Sargı rotorlu senkron motorlar ve asenkron motorlar çok daha geniş bir hız aralığına sahiptir. Örneğin, 460 V, 75 Hz (6.134 V / Hz) ile sağlanan 100 HP, 460 V, 60 Hz, 1775  RPM (4 kutuplu) bir endüksiyon motoru,% 125'te 60/75 =% 80 tork ile sınırlandırılacaktır. hız (2218,75 RPM) =% 100 güç. Daha yüksek hızlarda, motorun ayrılma torkunun düşürülmesi nedeniyle endüksiyon motor torku daha da sınırlandırılmalıdır. Bu nedenle, nominal güç, tipik olarak, nominal isim plakası hızının yalnızca% 130-150'sine kadar üretilebilir. Sargı rotorlu senkron motorlar daha da yüksek hızlarda çalıştırılabilir. Haddehane tahriklerinde, genellikle temel hızın% 200-300'ü kullanılır. Rotorun mekanik gücü, motorun maksimum hızını sınırlar.

Şekil 1: SPWM taşıyıcı sinüs girişi ve 2 seviyeli PWM çıkışı

Bir gömülü mikroişlemci VFD kontrolörün genel çalışmasını kontrol eder. Mikroişlemcinin temel programlaması , kullanıcı tarafından erişilemeyen sabit yazılım olarak sağlanır . VFD, motor ve çalıştırılan ekipmanı kontrol etmek, korumak ve izlemek için ekran , değişken ve fonksiyon bloğu parametrelerinin kullanıcı tarafından programlanması sağlanmıştır.

Temel sürücü denetleyicisi, aşağıdaki gibi isteğe bağlı güç bileşenlerini ve aksesuarları seçici olarak içerecek şekilde yapılandırılabilir:

Operatör arayüzü

Operatör arayüzü, bir operatörün motoru çalıştırması ve durdurması ve çalışma hızını ayarlaması için bir araç sağlar. VFD, Modbus veya başka bir benzer arayüz aracılığıyla programlanabilir bir mantık denetleyicisi tarafından da kontrol edilebilir . Ek operatör kontrol fonksiyonları, ters çevirmeyi ve manuel hız ayarı ile harici bir proses kontrol sinyalinden otomatik kontrol arasında geçiş yapmayı içerebilir . Operatör arayüzü , sürücünün çalışması hakkında bilgi sağlamak için genellikle bir alfanümerik ekran veya gösterge ışıkları ve ölçerler içerir. Yukarıdaki fotoğrafta gösterildiği gibi, genellikle VFD kontrol cihazının önünde bir operatör arayüzü tuş takımı ve görüntüleme birimi bulunur. Tuş takımı ekranı genellikle kabloyla bağlanabilir ve VFD kontrol cihazından kısa bir mesafeye monte edilebilir. Çoğunda, basma düğmeleri, anahtarlar ve diğer operatör arayüz cihazlarını veya kontrol sinyallerini bağlamak için giriş ve çıkış (G / Ç) terminalleri bulunur. VFD'nin bir bilgisayar kullanılarak yapılandırılmasına, ayarlanmasına, izlenmesine ve kontrol edilmesine olanak sağlamak için genellikle bir seri iletişim bağlantı noktası da mevcuttur.

Hız kontrolü

Bir VFD'nin hızını kontrol etmenin iki ana yolu vardır; ağ bağlantılı veya kablolu. Ağ bağlantılı, amaçlanan hızın Modbus , Modbus / TCP , EtherNet / IP gibi bir iletişim protokolü üzerinden veya Ekran Seri Arabirimi kullanılarak bir tuş takımı aracılığıyla aktarılmasını içerirken, kablolu bağlantı saf bir elektriksel iletişim aracı içerir. Tipik kablolu iletişim araçları şunlardır: 4-20mA , 0-10VDC veya bir potansiyometreli dahili 24VDC güç kaynağı kullanımı . Hız, uzaktan ve yerel olarak da kontrol edilebilir. Uzaktan kumanda, VFD'ye tuş takımından hız komutlarını göz ardı etmesi talimatını verirken, yerel kontrol VFD'ye harici kontrolü yok sayması ve yalnızca tuş takımına bağlı kalması talimatını verir. Bazı sürücülerde aynı pinler hem 0-10VDC hem de 4-20mA için kullanılır ve bir jumper ile seçilir.

Bir VFD Programlama

Modele bağlı olarak, bir VFD'nin işletim parametreleri şu şekilde programlanabilir: özel programlama yazılımı, dahili tuş takımı, harici tuş takımı veya SD kart. VFD'ler genellikle çalışırken çoğu programlama değişikliğini bloke eder. Ayarlanması gereken tipik parametreler şunları içerir: motor isim plakası bilgileri, hız referans kaynağı, açma / kapama kontrol kaynağı ve fren kontrolü. VFD'lerin, arıza kodları ve giriş sinyallerinin durumları gibi hata giderme bilgileri sağlaması da yaygındır.

Başlatma ve Yazılım Davranışı

Çoğu VFD, otomatik başlatmanın etkinleştirilmesine izin verir. Güç çevriminden sonra veya bir arıza giderildikten sonra veya acil durdurma sinyali geri yüklendikten sonra çıkışı belirlenen bir frekansa yönlendirir (genellikle acil durdurmalar aktif düşük mantıktır). Bir VFD'yi kontrol etmenin popüler bir yolu, otomatik başlatmayı etkinleştirmek ve L1, L2 ve L3'ü bir kontaktöre yerleştirmektir. Kontaktörün açılması böylece sürücüyü açar ve belirlenen bir hıza çıkmasını sağlar. Sürücünün karmaşıklığına bağlı olarak, birden fazla otomatik başlatma davranışı geliştirilebilir, örneğin sürücü güç verildiğinde otomatik olarak başlar, ancak bir sıfırlama işlemi tamamlanana kadar bir acil durdurmayı temizlemekten otomatik olarak başlamaz.

Sürücü işlemi

Elektrik motoru hız-tork tablosu

İlişikteki tabloya bakıldığında, sürücü uygulamaları tek çeyrek, iki çeyrek veya dört çeyrek olarak kategorize edilebilir; grafiğin dört kadranı aşağıdaki gibi tanımlanmıştır:

  • Çeyrek I - Sürüş veya sürüş, pozitif hız ve tork ile ileriye doğru hızlanan kadran
  • Çeyrek II - Pozitif hız ve negatif tork ile üretme veya frenleme, ileri frenleme - yavaşlama kadranı
  • Çeyrek III - Sürüş veya sürüş, negatif hız ve tork ile ters hızlanma çeyreği
  • Çeyrek IV - Negatif hız ve pozitif tork ile üretme veya frenleme, ters frenleme-yavaşlama çeyreği.

Çoğu uygulama, değişken tork (örn. Santrifüj pompaları veya fanlar) ve belirli sabit torklu (örn. Ekstrüderler) yükler gibi, çeyrek I'de çalışan tek çeyrek yükleri içerir.

Bazı uygulamalar, hızın pozitif olduğu ancak torkun , doğal mekanik kayıplardan daha hızlı yavaşlayan bir fanın durumunda olduğu gibi polariteyi değiştirdiği, çeyrek I ve II'de çalışan iki çeyrek yükleri içerir . Bazı kaynaklar, iki bölgeli sürücüleri, hız ve torkun her iki yönde aynı (pozitif veya negatif) polarite olduğu çeyrek I ve III'te çalışan yükler olarak tanımlar.

Bazı yüksek performanslı uygulamalar, hız ve torkun, asansörler, asansörler ve tepelik konveyörler gibi herhangi bir yönde olabileceği dört bölgeli yükleri (Çeyrek I ila IV) içerir. Rejenerasyon yalnızca sürücünün DC bağlantı veri yolunda, sürücü gerilimi motor geri EMF'sinden daha küçük olduğunda ve sürücü gerilimi ile geri EMF aynı polaritede olduğunda gerçekleşebilir.

Bir motoru çalıştırırken, bir VFD başlangıçta düşük bir frekans ve voltaj uygular, böylece doğrudan hat üzerinde başlatmayla ilişkili yüksek ani akımdan kaçınır . VFD'nin başlamasından sonra, uygulanan frekans ve voltaj kontrollü bir oranda arttırılır veya yükü hızlandırmak için yükseltilir. Bu başlatma yöntemi tipik olarak, bir motorun nominal torkunun% 150'sini geliştirmesine izin verirken, VFD düşük hız aralığında şebekeden nominal akımının% 50'sinden daha azını çeker. Bir VFD, durma noktasından tam hıza kadar sabit% 150 başlangıç ​​torku üretecek şekilde ayarlanabilir. Bununla birlikte, motor soğutması bozulur ve hız düştükçe aşırı ısınmaya neden olabilir, öyle ki, ayrı olarak motorlu fan havalandırması olmadan önemli torkla uzun süreli düşük hızda çalışma genellikle mümkün olmaz.

Bir VFD ile, durdurma dizisi, başlangıç ​​dizisinin tam tersidir. Motora uygulanan frekans ve voltaj kontrollü bir hızda düşürülür. Frekans sıfıra yaklaştığında, motor kapanır. Yükün, motorun basitçe kapatılıp serbest bırakılmasına izin verilmesi durumunda duracağından biraz daha hızlı yavaşlatılmasına yardımcı olmak için az miktarda frenleme torku mevcuttur. Frenleme enerjisini dağıtmak için bir frenleme devresi (bir transistör tarafından kontrol edilen direnç) eklenerek ek frenleme torku elde edilebilir. Dört çeyrek doğrultucu (aktif ön uç) ile VFD, ters bir tork uygulayarak ve enerjiyi AC hattına geri enjekte ederek yükü frenleyebilir.

Faydaları

Enerji tasarrufu

Guangzhou metrosunun treninde kullanılan VVVF

Doğrudan AC hat gücünden beslenen birçok sabit hızlı motor yükü uygulaması, VFD aracılığıyla değişken hızlarda çalıştırıldıklarında enerji tasarrufu sağlayabilir. Bu tür enerji maliyeti tasarrufları, yükün torkunun ve gücünün sırasıyla hızın kare ve küpüne göre değiştiği değişken torklu santrifüj fan ve pompa uygulamalarında özellikle belirgindir . Bu değişiklik, hızda nispeten küçük bir azalma için sabit hızlı çalışmaya kıyasla büyük bir güç azalması sağlar. Örneğin,% 63 hızda bir motor yükü, tam hız gücünün yalnızca% 25'ini tüketir. Bu azalma, çeşitli merkezkaç yük değişkenleri arasındaki ilişkiyi tanımlayan afinite yasalarına uygundur .

Amerika Birleşik Devletleri'nde,% 75'i değişken torklu fan, pompa ve kompresör yükleri olan motorları beslemek için elektrik enerjisinin tahmini% 60-65'i kullanılmaktadır. ABD'de 40 milyon motorda kullanılan enerjinin yüzde on sekizi, VFD'ler gibi verimli enerji iyileştirme teknolojileri ile tasarruf edilebilir.

Toplam kurulu AC motor tabanının yalnızca% 3'ü AC sürücülerle sağlanır. Bununla birlikte, sürücü teknolojisinin tüm yeni kurulan motorların% 30-40'ına kadar benimsendiği tahmin edilmektedir.

AC motor kurulumlarının küresel nüfusunun enerji tüketimi dökümü aşağıdaki tabloda gösterildiği gibidir:

Küresel motor nüfusu, 2009
Küçük Genel Amaçlı - Orta Boy Büyük
Güç 10 W - 750 W 0,75 kW - 375 kW 375 kW - 10000 kW
Faz, voltaj 1 faz, <240 V 3 fazlı, 200 V ila 1 kV 3-faz, 1 kV ila 20 kV
% toplam motor enerjisi % 9 % 68 % 23
Toplam stok 2 milyar 230 milyon 0.6 milyon

Kontrol performansı

AC sürücüler, endüstriyel ve ticari uygulamaların hızlanma, akış, izleme, basınç, hız, sıcaklık, gerilim ve torkta proses ve kalite iyileştirmeleri sağlamak için kullanılır.

Sabit hızlı yükler, motoru yüksek bir başlangıç ​​torkuna ve tam yük akımının sekiz katına kadar olan akım dalgalanmalarına maruz bırakır. Bunun yerine AC sürücüler, mekanik ve elektriksel stresi azaltmak, bakım ve onarım maliyetlerini düşürmek ve motorun ve tahrik edilen ekipmanın ömrünü uzatmak için motoru kademeli olarak çalışma hızına yükseltir.

Değişken hızlı sürücüler, mekanik ve elektriksel gerilimi daha da azaltmak için özel modellerde bir motoru çalıştırabilir. Örneğin, daha yumuşak yavaşlama ve hızlanma kontrolü için bir konveyör uygulamasına bir S-eğrisi modeli uygulanabilir, bu da bir konveyör hızlanırken veya yavaşlarken meydana gelebilecek geri tepmeyi azaltır.

AC sürücülere göre DC sürücülerin kullanımını tercih etme eğiliminde olan performans faktörleri arasında düşük hızda sürekli çalışma, rejenerasyonlu dört çeyrek çalışma, sık hızlanma ve yavaşlama rutinleri ve motorun tehlikeli bir alan için korunması ihtiyacı gibi gereksinimler bulunur. Aşağıdaki tablo, AC ve DC sürücüleri belirli temel parametrelere göre karşılaştırmaktadır:

Sürücü tipi DC AC VFD AC VFD AC VFD AC VFD
Kontrol platformu Fırça tipi DC V / Hz kontrolü Vektör kontrolü Vektör kontrolü Vektör kontrolü
Kontrol kriterleri Kapalı döngü Açık döngü Açık döngü Kapalı döngü Açık döngü w. HFI ^
Motor DC BEN BEN BEN İç PM
Tipik hız düzenlemesi (%) 0.01 1 0.5 0.01 0.02
Sabit torkta tipik hız aralığı (%) 0-100 10-100 3-100 0-100 0-100
Min. % 100 torkta hız (tabanın% 'si) Durma % 8 % 2 Durma Durma (% 200)
Çoklu motor çalışması önerilir Hayır Evet Hayır Hayır Hayır
Hata koruması (Yalnızca sigortalı veya sürücüye özgü) Yalnızca sigortalı İçsel İçsel İçsel İçsel
Bakım (Fırçalar) Düşük Düşük Düşük Düşük
Geri bildirim cihazı Takometre veya kodlayıcı Yok Yok Kodlayıcı Yok

^ Yüksek frekanslı enjeksiyon

VFD türleri ve derecelendirmeleri

Genel topolojiler

VSI sürücüsünün topolojisi
CSI sürücüsünün topolojisi
Altı adımlı sürücü dalga biçimleri
Doğrudan matris dönüştürücü topolojisi

AC sürücüler, aşağıdaki genel topolojilere göre sınıflandırılabilir:

  • Gerilim kaynaklı çevirici (VSI) sürücü topolojileri (resme bakın): Bir VSI sürücüde, diyot köprülü dönüştürücünün DC çıkışı, sürücüye sert gerilim girişi sağlamak için enerjiyi kapasitör veriyolunda depolar. Sürücülerin büyük çoğunluğu PWM voltaj çıkışlı VSI tipindedir.
  • Akım kaynaklı invertör (CSI) sürücü topolojileri (resme bakın): Bir CSI sürücüsünde, SCR köprüsü dönüştürücünün DC çıkışı, sürücüye sert akım girişi sağlamak için indüktör bağlantısını seri olarak depolar . CSI sürücüleri, PWM veya altı adımlı dalga formu çıkışı ile çalıştırılabilir.
  • Altı adımlı invertör sürücü topolojileri (resme bakın): Artık büyük ölçüde eskimiş olan altı adımlı sürücüler, VSI veya CSI tipi olabilir ve aynı zamanda değişken voltajlı invertör sürücüleri, darbe genliği modülasyonu (PAM) sürücüleri, kare dalga olarak da adlandırılır. sürücüler veya DC kıyıcı inverter sürücüler. Altı adımlı bir sürücüde, SCR-köprü dönüştürücünün DC çıkışı, bir endüksiyon motoruna Darlington Pair veya IGBT invertör yarı sinüzoidal, altı adımlı voltaj veya akım girişi yoluyla beslemek için kapasitör veriyolu ve seri reaktör bağlantısı yoluyla düzleştirilir .
  • Yük değiştirmeli invertör (LCI) sürücü topolojileri : Bir LCI sürücüsünde (özel bir CSI durumu), SCR köprüsü dönüştürücünün DC çıkışı, saniyenin katı yarı sinüzoidal altı aşamalı akım çıkışı sağlamak için DC bağlantı indüktör devresi aracılığıyla enerjiyi depolar SCR köprüsünün invertörü ve aşırı heyecanlı bir senkron makine.
  • Döngü dönüştürücü veya matris dönüştürücü (MC) topolojileri (resme bakın): Döngüsel dönüştürücüler ve MC'ler, enerji depolama için ara DC bağlantısı olmayan AC-AC dönüştürücülerdir . Bir siklo dönüştürücü, altı darbeli konfigürasyonda üç anti-paralel bağlı SCR köprüsü aracılığıyla üç fazlı bir akım kaynağı olarak çalışır; her bir döngü dönüştürücü faz, sabit hat frekansı AC gerilimini değişken bir yük frekansında alternatif bir gerilime dönüştürmek için seçici olarak hareket eder. MC sürücüler IGBT tabanlıdır.
  • Çifte kayma geri kazanım sistemi topolojileri beslenir : bir çift beslemeli kayma geri kazanım sisteminin besleme bir inverter ile alternatif akım besleme şebekesine besleme gücüne bir düzleştirme reaktöre kayma gücü rektifiye, motorun hızı DC akımını ayarlayarak kontrol edilir.

Kontrol platformları

Çoğu sürücü aşağıdaki kontrol platformlarından birini veya birkaçını kullanır:

Yük torku ve güç özellikleri

Değişken frekanslı sürücüler ayrıca aşağıdaki yük torku ve güç özelliklerine göre kategorize edilir:

  • Santrifüj fan, pompa ve üfleyici uygulamalarında olduğu gibi değişken tork
  • Konveyör ve pozitif deplasmanlı pompa uygulamalarında olduğu gibi sabit tork
  • Takım tezgahı ve çekiş uygulamalarında olduğu gibi sabit güç.

Mevcut güç değerleri

VFD'ler, çok çeşitli tek fazlı ve çok fazlı AC motorları kapsayan voltaj ve akım derecelendirmeleri ile mevcuttur. Düşük voltajlı (LV) sürücüler, 690 V'a eşit veya daha düşük çıkış voltajlarında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Motor uygulaması LV sürücüler 5 veya 6 MW düzeyine kadar derecelendirmelerde bulunurken, ekonomik faktörler tipik olarak orta voltajı tercih eder (MV) çok daha düşük güç oranlarına sahip sürücüler. Farklı OG sürücü topolojileri (bkz.Tablo 2), farklı sürücü kontrol cihazlarının anahtarlama cihazlarında kullanılan gerilim / akım-kombinasyon oranlarına uygun olarak, herhangi bir gerilim derecesi aşağıdaki standart nominal motor gerilim değerlerinden birinden büyük veya ona eşit olacak şekilde yapılandırılır. : genel olarak ya 2   3 / 4 .16 kV (60 Hz) veya 3   3 6, 6 kV (50 Hz), 12 kV'a kadar anahtarlama için derecelendirilmiş bir tristör üreticisi ile. Bazı uygulamalarda , bir AG sürücü ile bir OG motor yükü arasına bir yükseltici transformatör yerleştirilir. OG sürücüler tipik olarak yaklaşık 375 ile 750 kW (503 ve 1.006 hp) arasındaki motor uygulamaları için derecelendirilmiştir. OG sürücüler, geçmişte LV sürücü uygulamaları için gerekenden çok daha fazla uygulama tasarımı çabası gerektirmiştir. OG sürücülerin güç oranı 100 MW'a (130.000 hp) ulaşabilir; farklı derecelendirme, performans, güç kalitesi ve güvenilirlik gereksinimleri için bir dizi farklı sürücü topolojisi dahil edilir.

Makinelere ve ayrıntılı topolojilere göre sürücüler

Son olarak, VFD'leri aşağıdaki iki sınıflandırma açısından ilişkilendirmek yararlıdır:

  • Aşağıdaki Tablo 1'de gösterildiği gibi çeşitli AC makineleri açısından
  • Aşağıdaki Tablo 2 ve 3'te gösterilen çeşitli ayrıntılı AC-AC dönüştürücü topolojileri açısından .
Tablo 1: Makinelere göre sürücüler
Makineler
Tümevarım ^ ^
Kafes rotor

CSI veya VSI (altı adımlı veya PWM ), siklo dönüştürücü, matris

WRIM

Elektro-mekanik

Çift beslenen WRIM

Kayma enerjisi geri kazanımı (Kramer / Scherbius)

Eşzamanlı ^ ^
WFSM

CSI (LCI), siklo dönüştürücü, VSI

ÖS

Eksenel veya disk

Radyal

İç

Yüzey
Trapezoidal BLDM , Sinüzoidal PMSM

VSI

SyRM

VSI

VRM ^^ ^
Anahtarlamalı relüktans motoru Step motor

VSI

Tablo 2: Ayrıntılı AC-AC dönüştürücü topolojilerine göre sürücüler

Topolojiler

Dolaylı  AC-AC
LV
IGBT ^
2 seviyeli VSI  PWM

LV sürücünün büyük çoğunluğu,

3 seviyeli VSI  PWM

Öncelikle Yaskawa

( SCR / CSI veya diyot / VSI) + IGBT
Altı adımlı veya  PAM

Örneğin Baker-Hughes

MV
VSI
GCT ^
3 seviyeli NPC invertör

Öncelikle ABB, GE

IGBT ^
2 seviyeli invertör

Öncelikle GE-Converteam

3 seviyeli NPC invertör

Öncelikle Eaton, GE-Toshiba, Siemens

Çok düzeyli CHB invertör

Öncelikle GE, Siemens (Robicon), Toshiba

Uçan kondansatör inverter sürücüsü

Öncelikle GE-Converteam

NPC / H ‑ köprü invertör sürücüsü

Öncelikle Toshiba

CSI
Öncelikle ABB, GE ‑ Converteam, Siemens
SCR ^^

LCI

Öncelikle A ‑ B
AFE ile SGCT ^^

CME'li CSR PWM / CSI PWM invertör

SCR  + SGCT

18 darbeli CSI PWM sürücüsü

GTO ^^

Kapasitör destekli CSI PWM sürücüsü (eski)

Doğrudan  AC-AC
SCR
Siklo dönüştürücü

Öncelikle ABB, Siemens, GE Converteam

IGBT
Matris

Öncelikle Yaskawa

Tablo 3: Topoloji diyagramları
Tablo 1 ila 3 için Açıklamalar
^ İnvertör anahtarlama cihazı (standart diyot doğrultuculu)
^^ İnvertör ve doğrultucu anahtarlama cihazı
^^ ^ Dönen veya doğrusal
AFE Aktif ön uç
BLDM PM yamuk makinesi ( Fırçasız DC elektrik motoru )
CME Ortak mod eleme
CHB Basamaklı H köprüsü
CSI Akım kaynaklı invertör
CSR Mevcut kaynak doğrultucu
GCT Kapı kontrollü tristör
GTO Kapı kapatma tristörü
IGBT Yalıtımlı kapı bipolar transistörü
LCI Yük değiştirmeli invertör
LV Alçak gerilim
MV Orta voltaj
NPC Nötr nokta kelepçeli
PAM Darbe genliği modülasyonu
ÖS Kalıcı mıknatıs
PMSM Kalıcı mıknatıslı senkron jeneratör
PWM Darbe genişliği modülasyonu
SCR Silikon kontrollü doğrultucu
SGCT Simetrik kapı kontrollü tristör
SRM Anahtarlamalı isteksizlik motoru
SyRM Senkron isteksizlik makinesi
VRM Değişken isteksizlik makinesi
VSI Gerilim kaynağı invertörü
VVI Değişken voltajlı invertör
WFSM Yara alanı senkron makinesi
WRIM Yara rotorlu asenkron motor

Uygulama konuları

AC hat harmonikleri

Açıklama notu:

Birlikte harmonikler PWM çıkışı kolayca tedarik taşıyıcı frekans-ilişkili filtre endüktans filtrelenebilir yakın sinüzoidal motor yüküne akımları, VFD'ler diod köprü doğrultucu süper empoze DC voltaj çıktısı için AC hattı voltajı dönüştürür doğrusal olmayan yarı fazlı akım darbeleri böylece harmonik akım distorsiyonu ve dolayısıyla AC hat girişinde voltaj distorsiyonu yaratır. Elektrik enerjisi şirketinden temin edilebilen büyük, sert güç sistemine kıyasla VFD yükleri nispeten küçük olduğunda, AC şebekesinin VFD harmonik bozulmasının etkileri genellikle kabul edilebilir sınırlar dahilinde olabilir. Ayrıca, alçak gerilim şebekelerinde, bilgisayarlar ve TV'ler gibi tek fazlı ekipmanların neden olduğu harmonikler, üç fazlı diyot köprü harmonikleri tarafından kısmen iptal edilir, çünkü bunların 5. ve 7. harmonikleri ters fazdadır. Bununla birlikte, toplam yüke veya doğrusal olmayan yüke kıyasla VFD ve diğer doğrusal olmayan yük oranı, AC güç kaynağındaki veya her ikisindeki katılığa kıyasla nispeten büyük olduğunda, yük, üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilir. AC güç dalga biçimi, aynı şebekedeki diğer enerji şirketi müşterileri tarafından kullanılabilir.

Güç şirketinin voltajı harmonikler nedeniyle bozulduğunda, normal sabit hızlı AC motorlar gibi diğer yüklerdeki kayıplar artar. Bu durum aşırı ısınmaya ve daha kısa çalışma ömrüne neden olabilir. Ayrıca trafo merkezi trafoları ve kompanzasyon kapasitörleri olumsuz etkilenir. Özellikle kapasitörler, harmonik seviyeleri kabul edilemeyecek kadar büyütebilen rezonans koşullarına neden olabilir. Voltaj distorsiyonunu sınırlamak için, VFD yük sahiplerinin harmonik distorsiyonu kabul edilebilir limitlerin altına düşürmek için filtreleme ekipmanı kurmaları gerekebilir. Alternatif olarak, hizmet şirketi, kullanılan büyük miktarda VFD ekipmanından etkilenen trafo merkezlerine kendi filtre ekipmanını kurarak bir çözüm benimseyebilir. Yüksek güçlü kurulumlarda, harmonik bozulma, çoklu faz kaydırmalı sargılara sahip transformatörlerden çok darbeli doğrultucu-köprü VFD'ler sağlayarak azaltılabilir.

Standart diyot-köprü doğrultucuyu, motora IGBT anahtarlama cihazı çıkışını kullanan standart invertörü yansıtan iki yönlü bir IGBT anahtarlama cihazı köprüsü ile değiştirmek de mümkündür. Bu tür redresörler, aktif besleme dönüştürücü (AIC), aktif redresör , IGBT besleme ünitesi (ISU), aktif ön uç (AFE) veya dört çeyrek çalışma dahil olmak üzere çeşitli adlandırmalarla anılır . PWM kontrolü ve uygun bir giriş reaktörü ile, bir AFE'nin AC hat akımı dalga formu neredeyse sinüzoidal olabilir. AFE, doğası gereği enerjiyi DC tarafından AC şebekesine dört çeyrek modda yeniden üretir. Böylece, fren direncine ihtiyaç duyulmaz ve sürücünün motoru sık sık frenlemesi gerekiyorsa sürücünün verimliliği artar.

Diğer iki harmonik azaltma tekniği, veri yolunda en az bir VFD branş yüküne sahip ortak bir veri yoluna bağlanan pasif veya aktif filtrelerin kullanımından yararlanır. Pasif filtreler, bir veya daha fazla düşük geçişli LC filtre tuzağının tasarımını içerir , her tuzak bir harmonik frekansa (5., 7., 11., 13.,.. Kq +/- 1, burada k = tamsayı, q = dönüştürücü darbe sayısı).

Enerji şirketlerinin veya müşterilerinin IEC veya IEEE standartlarına göre harmonik bozulma limitleri koyması çok yaygın bir uygulamadır . Örneğin, müşterinin bağlantı noktasındaki IEEE Standardı 519 sınırları, maksimum bireysel frekans gerilim harmoniğinin temel değerin% 3'ünden fazla olmamasını ve gerilim toplam harmonik bozulmasının (THD)% 5'ten fazla olmamasını gerektirir. genel AC güç kaynağı sistemi.

Anahtarlama frekansı geri katlama

Bir sürücü, 4 kHz'lik varsayılan anahtarlama frekansı ayarını kullanır. Sürücünün anahtarlama frekansının (taşıyıcı frekansı) düşürülmesi, IGBT'ler tarafından üretilen ısıyı azaltır .

PWM anahtarlama aralıklarını oluşturmak için istenen çıkış frekansının en az on katı bir taşıyıcı frekansı kullanılır. LV [600 Volt AC'nin altında düşük voltaj] VFD'ler için 2.000 ila 16.000 Hz aralığındaki bir taşıyıcı frekansı yaygındır. Daha yüksek bir taşıyıcı frekansı, daha iyi bir sinüs dalgası yaklaşımı üretir, ancak IGBT'de daha yüksek anahtarlama kayıplarına neden olarak genel güç dönüştürme verimliliğini düşürür.

Gürültü yumuşatma

Bazı sürücülerde, anahtarlama frekansına rastgele bir değişiklik getirmek için açılabilen bir gürültü düzeltme özelliği vardır. Bu, tepe gürültü yoğunluğunu azaltmak için akustik gürültüyü bir dizi frekansa dağıtır.

Uzun süreli etkiler

Bir PWM VFD'nin taşıyıcı frekansı darbeli çıkış voltajı, iletim hattı etkilerinin dikkate alınması gereken bu darbelerde hızlı yükselme sürelerine neden olur. Kablonun ve motorun iletim hattı empedansı farklı olduğundan, darbeler motor terminallerinden kabloya geri yansıma eğilimindedir. Ortaya çıkan yansımalar, uzun kablolar için DC bara voltajının iki katına eşit veya nominal hat voltajının 3.1 katına kadar aşırı voltajlar üretebilir , kablo ve motor sargıları üzerinde yüksek gerilime neden olabilir ve sonuçta yalıtım arızası olabilir. 230 V veya daha düşük dereceli üç fazlı motorlar için yalıtım standartları, bu tür uzun uçlu aşırı gerilimlere karşı yeterince koruma sağlar. 460 V veya 575 V sistemlerde ve 3. nesil 0.1 mikrosaniye yükselme süreli IGBT'lere sahip invertörlerde, VFD ile motor arasında önerilen maksimum kablo mesafesi yaklaşık 50 m veya 150 fittir. Ortaya çıkan SiC MOSFET ile çalışan sürücüler için, 3 metreye kadar kısa kablo uzunluklarında önemli aşırı gerilimler gözlemlenmiştir. Uzun kurşun uzunluklarının neden olduğu aşırı gerilimlere yönelik çözümler arasında kablo uzunluğunun en aza indirilmesi, taşıyıcı frekansının düşürülmesi, dV / dt filtrelerin kurulması, invertör görev dereceli motorların kullanılması (bunlar, yükselme süresi 0.1 mikrosaniyeden daha az veya buna eşit olan darbeli trenlere dayanmak için 600 V olarak derecelendirilmiştir) , 1.600 V tepe büyüklüğü) ve LCR alçak geçiren sinüs dalgası filtrelerinin kurulması. AC sürücüler için optimum PWM taşıyıcı frekansı seçimi, dengeleme gürültüsü, ısı, motor yalıtım gerilimi, ortak mod gerilim kaynaklı motor yatak akımı hasarı, düzgün motor çalışması ve diğer faktörleri içerir. Bir LCR düşük geçişli sinüs dalgası filtresi veya dV / dt filtresi kullanılarak daha fazla harmonik zayıflatma elde edilebilir.

Motor yatak akımları

Koruyucu önlemler alınmadığı takdirde 5 kHz'in üzerindeki taşıyıcı frekansları muhtemelen rulman hasarına neden olabilir.

PWM sürücüleri, doğal olarak, motor yataklarında sorunlara neden olabilecek yüksek frekanslı ortak mod voltajları ve akımları ile ilişkilidir. Bu yüksek frekanslı voltajlar bir yatak içinden toprağa giden bir yol bulduğunda , yatağın bilyesi ile yatağın yatağı arasında metal veya elektrik deşarj işlemesi (EDM) kıvılcımı oluşur. Zamanla, EDM tabanlı kıvılcım, yivli bir model olarak görülebilen rulman yatağında erozyona neden olur. Büyük motorlarda, sargıların başıboş kapasitansı , motor şaftı uçlarından geçen yüksek frekanslı akımlar için yollar sağlar ve bu da bir dolaşım tipi yatak akımına yol açar. Motor statorlarının kötü topraklanması , şafttan toprağa rulman akımlarına neden olabilir. Kötü topraklanmış ekipmana sahip küçük motorlar, yüksek frekanslı yatak akımlarına karşı hassastır.

Yüksek frekanslı yatak akımı hasarının önlenmesi için üç yaklaşım kullanılır: iyi kablolama ve topraklama uygulamaları, yatak akımlarının kesilmesi ve örneğin, endüktif emiciler denilen yumuşak manyetik çekirdekler yoluyla ortak mod akımlarının filtrelenmesi veya sönümlenmesi. İyi kablolama ve topraklama uygulamaları, motoru beslemek için blendajlı, simetrik geometrili güç kablosunun kullanımını, şaft topraklama fırçalarının takılmasını ve iletken yatak gresini içerebilir. Yatak akımları, yalıtılmış yatakların ve özel olarak tasarlanmış elektrostatik korumalı endüksiyon motorlarının montajı ile kesilebilir. Yüksek frekanslı yatağı filtreleme ve sönümleme, genel moda veya motor yatak akımlarına karşı yüksek frekanslı bir empedans sağlayan üç faza yumuşak manyetik çekirdekler yerleştirilerek yapılabilir. Diğer bir yaklaşım, 3 seviyeli invertör sürücüleri veya matris dönüştürücüler kullanarak standart 2 seviyeli inverter sürücüler yerine kullanmaktır.

İnvertörle beslenen motor kablolarının yüksek frekanslı akım artışları tesislerdeki diğer kabloları engelleyebileceğinden, bu tür invertörle beslenen motor kabloları yalnızca blendajlı, simetrik geometri tasarımlı olmamalı, aynı zamanda sinyal kablolarından en az 50 cm uzağa yönlendirilmelidir .

Dinamik frenleme

Sürücü tarafından üretilen tork, endüksiyon motorunun kaymadan daha az senkron hızda çalışmasına neden olur . Yük, motoru senkron hızdan daha hızlı sürerse, motor bir jeneratör görevi görür ve mekanik gücü tekrar elektrik gücüne dönüştürür. Bu güç, sürücünün DC bağlantı elemanına (kapasitör veya reaktör) döndürülür. Bir DC-bağlantı bağlantılı elektronik güç anahtarı veya frenleme DC kıyıcı , bu gücün bir dizi dirençte ısı olarak dağıtılmasını kontrol eder. Direncin aşırı ısınmasını önlemek için soğutma fanları kullanılabilir.

Dinamik frenleme, frenleme enerjisini ısıya dönüştürerek boşa harcar. Buna karşılık rejeneratif sürücüler, bu enerjiyi AC hattına enjekte ederek frenleme enerjisini geri kazanır. Ancak rejeneratif tahriklerin sermaye maliyeti nispeten yüksektir.

Rejeneratif sürücüler

Hat rejeneratif değişken frekans sürücüleri, yenilenen gücü filtreleyen kondansatörleri (üst silindirler) ve bağlı indüktörleri gösterir.
Popüler Bir EHV için Basitleştirilmiş Tahrik Şeması

Rejeneratif AC sürücüler, belirlenen motor hızından (bir revizyon yükü) daha hızlı hareket eden bir yükün frenleme enerjisini geri kazanma ve güç sistemine geri döndürme kapasitesine sahiptir.

Cycloconverter, Scherbius, matrix, CSI ve LCI sürücüler doğal olarak enerjinin yükten hatta geri dönüşüne izin verirken, voltaj kaynağı invertörleri enerjiyi beslemeye geri döndürmek için ek bir dönüştürücü gerektirir.

Rejenerasyon, yalnızca geri kazanılan enerjinin değerinin rejeneratif bir sistemin ekstra maliyetine kıyasla yüksek olduğu ve sistemin sık frenleme ve çalıştırma gerektirdiği durumlarda VFD'lerde yararlıdır. Rejeneratif VFD'ler, revizyon yüklerinin hız kontrolünün gerekli olduğu yerlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bazı örnekler:

  • Üretim için birkaç dakikada bir duran konveyör bant tahrikleri. Durdurulduğunda parçalar doğru bir şekilde birleştirilir; bu yapıldıktan sonra kemer hareket eder.
  • Kaldırma motorunun sık sık durduğu ve geri döndüğü bir vinç ve indirme sırasında yükü yavaşlatmak için frenleme gerekli.
  • Her türden fişli ve hibrit elektrikli araçlar (resme ve Hybrid Synergy Drive'a bakın ).

Tarihsel sistemler

Katı hal cihazları piyasaya sürülmeden önce, değişken frekanslı sürücüler döner makineleri kullanıyordu ve General Electric Company , 20. yüzyılın başlarında bunlar için birkaç patent aldı. Bir örnek, 1910 tarihli ABD Patenti 0,949,320 olup, "Böyle bir jeneratör, değişken hızlarda çalıştırılacak arabaları, lokomotifleri veya diğer mekanizmaları sürmek için endüksiyon motorlarına akım sağlamada yararlı bir uygulama bulur". Bir diğeri, Brown, Boveri & Cie'nin 1911 tarihli ve şimdi ABB olarak bilinen 7061 İngiliz patenti .

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar