Variable Frequency Drive (VFD, Variable Frequency Drive, VFD) är ett system för att styra rotorhastigheten hos en asynkron (eller synkron) elmotor . Den består av själva elmotorn och frekvensomformaren .
En frekvensomvandlare (frekvensomvandlare) är en enhet som består av en likriktare (likströmsbrygga) som omvandlar industriell frekvensväxelström till likström, och en växelriktare (omvandlare) (vanligtvis med PWM ), som omvandlar likström till växelström av den önskade frekvens, amplitud och form. Utgående tyristorer ( GTO ) eller IGBT eller MOSFET tillhandahåller den nödvändiga strömmen för att driva motorn. För att undvika att omvandlaren överbelastas med en lång matarlängd placeras drosslar mellan omvandlaren och mataren och ett EMC- filter används för att minska elektromagnetiska störningar .
Med skalär styrning bildas harmoniska strömmar av motorfaserna. Vektorstyrning är en metod för att styra synkrona och asynkrona motorer , som inte bara genererar harmoniska strömmar (spänningar) av faserna, utan också ger kontroll över rotorns magnetiska flöde (vridmoment på motoraxeln).
I direktkopplade omvandlare är frekvensomformaren en kontrollerad likriktare . Styrsystemet låser upp grupperna av tyristorer i sin tur och ansluter motorns statorlindningar till elnätet. Sålunda bildas omvandlarens utgångsspänning från de "avskurna" sektionerna av ingångsspänningens sinusoider. Utspänningsfrekvensen kan inte vara lika med eller högre än nätfrekvensen. Den ligger i intervallet från 0 till 30 Hz. Som ett resultat, ett litet område för motorvarvtalsreglering (högst 1:10). Denna begränsning tillåter inte användningen av sådana omvandlare i moderna frekvensstyrda frekvensomriktare med ett brett utbud av tekniska parametrar.
Användningen av icke-avstängda tyristorer kräver relativt komplexa styrsystem, vilket ökar kostnaden för omvandlaren. Den "klippta" sinusvågen vid utgången av den direktkopplade omvandlaren är en källa till högre övertoner, vilket orsakar ytterligare förluster i elmotorn, överhettning av den elektriska maskinen, vridmomentminskning och mycket stark störning i matningsnätet. Användningen av kompensationsanordningar leder till en ökning av kostnad, vikt, dimensioner och en minskning av effektiviteten hos systemet som helhet.
De mest använda i moderna frekvensstyrda frekvensomriktare är omriktare med en uttalad likströmslänk . Omvandlare av denna klass använder dubbel omvandling av elektrisk energi: den ingående sinusformade spänningen likriktas i likriktaren , filtreras av filtret och omvandlas sedan av växelriktaren till en växelspänning med variabel frekvens och amplitud. Dubbel energiomvandling leder till minskad effektivitet och till viss försämring av vikt- och storleksindikatorer i förhållande till omvandlare med direktanslutning.
VFD används i:
Den största ekonomiska effekten ger användningen av VFD i ventilation, luftkonditionering och vattenförsörjningssystem, där användningen av VFD har blivit de facto standard.
Den klassiska metoden för att styra tillförseln av pumpenheter innebär strypning av tryckledningar och reglering av antalet driftenheter enligt någon teknisk parameter (till exempel rörledningstryck ). I detta fall väljs pumpenheter baserat på vissa designegenskaper (vanligtvis med en prestandamarginal) och arbetar ständigt med konstant hastighet, utan att ta hänsyn till de förändrade kostnaderna som orsakas av variabel vattenförbrukning. Vid minimalt flöde fortsätter pumparna att arbeta med konstant hastighet. Så till exempel händer det på natten, när vattenförbrukningen sjunker kraftigt. Den huvudsakliga ekonomiska effekten av användningen av frekvensomriktare uppnås inte genom att spara el, utan genom att avsevärt minska kostnaderna för att reparera vattenförsörjningsnät.
Tillkomsten av en justerbar elektrisk drivning gjorde det möjligt att upprätthålla ett konstant tryck direkt mot konsumenten. En frekvensstyrd elektrisk drivning med en asynkron elmotor för allmänna industriella ändamål har fått bred tillämpning i världspraxis. Som ett resultat av anpassningen av allmänna industriella asynkronmotorer till deras driftsförhållanden i kontrollerade elektriska drivningar skapas speciella kontrollerade asynkronmotorer med högre energi och vikt samt storleks- och kostnadsindikatorer jämfört med icke-anpassade. Frekvensreglering av rotationshastigheten för axeln på en asynkronmotor utförs med hjälp av en elektronisk anordning, som vanligtvis kallas en frekvensomvandlare. Ovanstående effekt uppnås genom att ändra frekvensen och amplituden för trefasspänningen som tillförs elmotorn. Således, genom att ändra parametrarna för matningsspänningen (frekvensstyrning), är det möjligt att göra motorns rotationshastighet både lägre och högre än den nominella. I den andra zonen (frekvens över den nominella) är det maximala vridmomentet på axeln omvänt proportionell mot rotationshastigheten.
Frekvensomvandlingsmetoden bygger på följande princip. Som regel är det industriella nätverkets frekvens 50 Hz. Ta till exempel en pump med en tvåpolig elmotor. Med hänsyn till slirning är motorns rotationshastighet cirka 2800 (beroende på effekt) varv per minut och ger pumpenhetens uteffekt det nominella trycket och prestanda (eftersom dessa är dess nominella parametrar, enligt passet). Om du använder en frekvensomvandlare för att minska frekvensen och amplituden för växelspänningen som tillförs den, kommer motorns rotationshastighet att minska i enlighet med detta, och följaktligen kommer pumpenhetens prestanda att förändras. Information om trycket i nätverket kommer in i frekvensomformarenheten från en speciell trycksensor installerad hos konsumenten, baserat på dessa data ändrar omvandlaren i enlighet därmed frekvensen som tillförs motorn.
En modern frekvensomformare har en kompakt design, ett damm- och fuktsäkert hölje, ett användarvänligt gränssnitt, vilket gör att den kan användas under de svåraste förhållanden och problematiska miljöer. Effektområdet är mycket brett och sträcker sig från 0,18 till 630 kW eller mer med en standardströmförsörjning på 220/380 V och 50-60 Hz. Praxis visar att användningen av frekvensomvandlare vid pumpstationer tillåter:
Enligt tillgängliga data sträcker sig återbetalningstiden för ett projekt att introducera frekvensomformare från 3 månader till 2 år.
Med hjälp av moderna VFD är det möjligt att kontrollera positionen för sådana mekanismer som högprecisionsmaskiner, monteringsbord, transportörsystem, roterande bord, lagerutrustning. Således behövs inte längre stegmotorer och dyra servon med en extra styrenhet. All positioneringsfunktion konfigureras i VFD-inställningarna. De mest grundläggande positioneringsfunktionerna är: flytta till förinställda positioner, vrid till förinställd vinkel, stopp vid förinställd position och blockrotation. Samtidigt blir det, till skillnad från lågeffektstegmotorer och servodrifter, möjligt att placera riktigt stora mekanismer med högeffektsmotorer upp till 315 kW.
I många installationer är den justerbara elektriska drivenheten tilldelad uppgifterna att inte bara kontrollera vridmomentet och rotationshastigheten för elmotorn, utan också uppgifterna att sakta ner och bromsa installationens delar. Den klassiska lösningen på detta problem är drivsystemet med en asynkronmotor med en frekvensomformare utrustad med en bromsbrytare med ett bromsmotstånd .
Samtidigt, i retardations-/bromsningsläget, fungerar elmotorn som en generator och omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi, som så småningom försvinner i bromsmotståndet. Typiska installationer där accelerationscykler alternerar med retardationscykler är drivningen av elfordon, hissar, hissar, centrifuger, rullmaskiner etc. Den elektriska bromsfunktionen uppträdde först på en DC-drivenhet (till exempel en trolleybuss). I slutet av 1900-talet uppträdde frekvensomvandlare med en inbyggd recuperator, som gör att du kan återföra energin som tas emot från motorn som arbetar i bromsläge tillbaka till nätverket. I det här fallet börjar installationen "tjäna pengar" nästan omedelbart efter driftsättning.
| Styrsystem för dragmotorer för järnvägstransporter, tunnelbana och UET | |
|---|---|
| På likström: | |
| På växelström:
| |