Dave Polka
Ce este o unitate de frecvență variabilă (FPD)? Cum funcționează PPCR?
Să ne întoarcem la exemplul aplicării unității electrice. În Fig. 1 prezintă un exemplu de aplicare simplă a unui starter pentru un ventilator cu o viteză constantă de rotație. Puteți înlocui un starter trifazat cu un convertizor de frecvență variabilă (FEC) pentru a regla viteza ventilatorului. Deoarece controlul vitezei poate fi efectuat sub valoarea maximă, modificarea debitului de aer poate fi efectuată prin modificarea vitezei motorului de acționare, în loc să se utilizeze o supapă de închidere.
Figura 1 - Aplicarea starterului pentru un ventilator cu o viteză constantă de rotație
Unitatea permite controlul a doi parametri de bază ai unui motor trifazat asincron: viteză și cuplu. Pentru a înțelege modul în care unitatea controlează aceste elemente, trebuie să ne îndreptăm spre dispozitivul motor asincron trifazat. În Fig. 2 arată dispozitivul acestui motor.
Cele două părți principale ale motorului, rotorului și statorului interacționează cu un câmp magnetic. De asemenea, motorul are mai multe perechi de poli. Ele sunt părțile de fier ale statorului, care sunt aranjate astfel încât să asigure direcția fluxului magnetic de la polul nord la polul sudic.
Figura 2 - Dispozitivul unui motor asincron trifazat
Figura 3 - Principiul funcționării unui motor de inducție
Dacă statorul are o pereche de poli, rotorul (arborele) se rotește cu o anumită viteză - viteza principală. Această viteză este determinată de numărul de perechi de pol și de frecvența tensiunii aplicate motorului (1). Această formulă include un efect numit "alunecare". Alunecarea este diferența dintre viteza de rotație a câmpului magnetic al statorului și viteza de rotație a rotorului. Când câmpul magnetic al statorului trece prin conductoarele rotorului, acestea induc propriile lor câmpuri magnetice. Aceste câmpuri magnetice ale rotorului vor încerca să "recupereze" câmpul magnetic rotativ al statorului. Cu toate acestea, acest lucru nu se va întâmpla niciodată - această diferență este alunecarea. Slipul poate fi comparat cu distanța dintre ogari și iepure, în spatele căruia se urmăresc. În timp ce ogoarele nu prinde iepurele, vor continua să alerge în jurul pistei. Alunecarea este ceea ce permite motorului să se rotească.
Expresia pentru determinarea vitezei de rotație a rotorului este dată mai jos.
unde n - frecvența de rotație a rotorului (arborelui), rpm;
f1 - frecvența tensiunii furnizate rotorului, Hz;
2p este numărul de poli;
s este o alunecare. Pentru motoarele NEMA B, alunecarea este de 3-5% din viteza principală, care este de 1800 rpm.
Un exemplu. Să determinăm viteza de rotație a rotorului la f1 = 60 Hz, 2p = 4 și s = 3%:
Puteți regla viteza motorului schimbând frecvența tensiunii de alimentare. De asemenea, puteți ajusta viteza motorului schimbând numărul de poli, însă aceasta necesită o schimbare a designului motorului. Schimbarea numărului de poli necesită rebobinarea înfășurărilor statorului și duce la o schimbare în trepte a vitezei. Prin urmare, pentru a ne asigura confortul, rentabilitatea și precizia, schimbăm frecvența.
În Fig. 5 arată modificarea cuplului dezvoltat în funcție de raportul dintre tensiune și frecvență, V / Hz. Schimbăm acest raport pentru a schimba cuplul motorului. Deci, motorul alimentat de la o sursă de 460 V, 60 Hz are un raport tensiune-frecvență de 7,67 V / Hz. În timp ce raportul dintre tensiune și frecvență rămâne egal cu numărul specificat, motorul va dezvolta cuplul estimat. Unitatea vă permite să obțineți diferite frecvențe de ieșire. Folosind orice frecvență a unității, puteți obține curbe noi de cuplu.
Figura 5 - Raportul tensiune / frecvență
Modul în care unitatea modifică viteza motorului.
Cum asigură unitatea valorile tensiunii și frecvenței necesare la ieșire pentru a asigura o schimbare a turației motorului? Acest lucru vom lua în considerare mai târziu.
În Fig. 6 prezintă componentele principale ale unității PWM. Toate unitățile PWM conțin aceste părți de bază, cu unele diferențe în componentele software și hardware.
Figura 6 - Componentele principale ale unității PWM
Deși unele unități sunt alimentate de tensiune monofazată, vom lua în considerare unitățile trifazate. Dar, pentru simplitate, o fază a tensiunii de intrare sau ieșire este prezentată pe graficele care însoțesc circuitele de antrenare.
Partea de intrare a unității este un redresor. Conține șase diode conectate la circuitul de pod. Aceste diode convertesc tensiunea alternativă la o tensiune constantă.
Următoarea secțiune este o magistrală de curent continuu, care trece printr-o tensiune DC fixă.
Filtrul DC filtrează și netezește forma de undă. Diodele au de fapt jumătăți negative la jumătatea pozitivă. Cu o tensiune AC de 460V, tensiunea medie DC va fi în jur de 650-680 V. Puteți calcula că raportul dintre tensiunea DC și tensiunea maximă AC este 1.414. Inductorul (L) și condensatorul (C) sunt proiectate pentru filtrarea componentelor de tensiune AC.
Circuitul DC alimentează secțiunea de acționare finală - invertorul. După cum este indicat în titlu, această secțiune inversează tensiunea DC înapoi la tensiunea AC. Cum se întâmplă acest lucru? Acest lucru depinde de dispozitivele de conversie a puterii utilizate în unitate. Dacă aveți o unitate bazată pe SRC (tiristoare de putere cu acțiune unică), consultați link-ul de mai jos. La jumătatea anilor '70, tiristorii au început să înlocuiască tranzistoarele bipolare. Iar aceștia, la rândul lor, la începutul anilor '90 au dat drumul tehnologiei folosind tranzistoare bipolare cu o poartă izolată (IGBT), pe care o vom discuta.
Conectare bus utilizând IGBT.
În prezent, invertoarele utilizează tranzistoare bipolare cu o poartă izolată pentru a conecta magistrala DC la anumite intervale. În acest caz, invertorul creează de fapt o tensiune și o frecvență alternantă la ieșire. După cum se arată în Fig. 7, parametrii de ieșire ai unității nu reprezintă o copie exactă a tensiunii sinusoidale de intrare. În schimb, există impulsuri de tensiune constantă.
Figura 7 - Forma tensiunii de ieșire a unității
Panoul de comandă al unității indică circuitul de comandă al convertoarelor de putere pentru a activa partea pozitivă sau negativă a convertizoarelor. Această activare alternativă reproduce ieșirea tensiunii trifazate. Cu cât invertorul rămâne mai lung, cu atât este mai mare tensiunea de ieșire. Cu cât mai puțin timp este pornit convertizorul, cu atât tensiunea de ieșire este mai mică (Figura 8). Dimpotrivă, cu cât este deconectat convertorul, cu atât frecvența de ieșire este mai mică.
Figura 8 - Componentele unității de undă de tensiune de ieșire
Viteza la care convertizoarele de putere pornesc și deconectează frecvența purtătoare se numește frecvența de comutare. Cu cât frecvența incluziunilor este mai mare, cu atât este mai mare rezoluția fiecărui impuls. Frecvențele tipice de comutare sunt de la 3.000 la 4.000 de ori pe secundă sau de la 3 la 4 kHz. La unitățile vechi bazate pe SRC, frecvența de comutare este de 250-500 de ori pe secundă. După cum înțelegeți, cu cât frecvența incluziunilor este mai mare, cu atât mai mult va fi forma de undă la ieșire. Cu toate acestea, frecvențele ridicate de comutare reduc eficiența unității datorită temperaturii ridicate a convertizoarelor de putere.
Reducerea costurilor și dimensiunilor
Unitățile diferă, în funcție de design, iar desenele continuă să se îmbunătățească. Motoarele vin în incinte mai mici cu fiecare generație. O tendință similară are computerele personale. Mai multe caracteristici, performanțe îmbunătățite și costuri mai mici, comparativ cu generațiile anterioare. Cu toate acestea, spre deosebire de computere, drive-urile au îmbunătățit în mod semnificativ fiabilitatea și utilizarea simplificată. Și, de asemenea, spre deosebire de computere, o mașină tipică de astăzi nu generează spații de energie în rețeaua de distribuție, adică factorul de energie nu este afectat. Unitățile devin din ce în ce mai mult un dispozitiv, cum ar fi "instalați și executați". Pe măsură ce convertoarele de putere devin mai fiabile și scad dimensiunile, costul și mărimea PPCR continuă să scadă. În timp ce acest lucru continuă, munca lor se va îmbunătăți, iar utilizarea - va deveni din ce în ce mai simplă.
Deoarece multe unități se bazează pe SRC, probabil că doriți să știți cum funcționează. SRC (tiristorul) conține un element de control denumit obturator. Declanșatorul funcționează ca un întrerupător care permite dispozitivului să conducă complet tensiunea. Dispozitivul efectuează tensiunea până când se schimbă polaritatea, iar apoi se oprește automat tiristorul. Un circuit special care necesită o încărcare separată și conexiunile asociate controlează această comutare.
Parametrii de ieșire ai SRC depind de cât de repede se deschide declanșatorul în buclă de control. Parametrii de ieșire IGBT depind, de asemenea, de durata de funcționare a declanșatorului. Cu toate acestea, acesta poate fi oprit în orice moment al ciclului de control, asigurând o formă de undă mai uniformă a semnalului de ieșire. IGBT-urile necesită și un circuit de control al deschiderii porții, dar acest circuit este mai puțin complex și nu necesită inversarea polarității. Astfel, ați aborda problema depanării diferit dacă aveți o unitate bazată pe SRC.