Vysokonapäťové pohony s premenlivou frekvenciou (VFD) sa stali neoddeliteľnou súčasťou moderných priemyselných aplikácií a ponúkajú presnú kontrolu nad rýchlosťou motora, energetickú účinnosť a znížené opotrebovanie zariadení. Ako popredný dodávateľ VFD vysokého napätia sa ma často pýtajú, ako tieto pohony riadia rýchlosť motora. V tomto blogovom príspevku sa ponorím do technických detailov vysokonapäťových VFD a vysvetlím mechanizmy za ich schopnosťami regulácie rýchlosti.
Pochopenie základov striedavých motorov
Predtým, ako sa ponoríme do fungovania vysokonapäťových VFD, je nevyhnutné porozumieť základným princípom motorov na striedavý prúd (AC). AC motory sú najbežnejším typom motora používaného v priemyselných aplikáciách kvôli ich jednoduchosti, spoľahlivosti a účinnosti. Rýchlosť striedavého motora je určená frekvenciou elektrického napájania a počtom pólov v motore. Synchrónne otáčky (Ns) striedavého motora možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:
Ns = (120 * f) / P
kde:
- Ns je synchrónna rýchlosť v otáčkach za minútu (RPM)
- f je frekvencia elektrického napájania v Hertzoch (Hz)
- P je počet pólov v motore
Napríklad 4-pólový motor pracujúci s elektrickým napájaním 60 Hz by mal synchrónnu rýchlosť:
Ns = (120 x 60) / 4 = 1800 ot./min
V praxi je skutočná rýchlosť striedavého motora o niečo nižšia ako synchrónna rýchlosť v dôsledku sklzu, čo je rozdiel medzi synchrónnou rýchlosťou a skutočnou rýchlosťou motora. Sklz je potrebný na to, aby motor generoval krútiaci moment a pre indukčné motory je zvyčajne v rozsahu 1-5%.
Ako vysokonapäťové VFD riadia rýchlosť motora
Strednapäťové VFD riadia rýchlosť striedavého motora zmenou frekvencie a napätia elektrického napájania motora. Úpravou frekvencie môže VFD meniť synchrónne otáčky motora, čo následne mení skutočnú rýchlosť motora. VFD tiež upravuje napätie tak, aby sa udržal konštantný pomer voltov na hertz (V/Hz), čo je potrebné na zabezpečenie efektívnej prevádzky motora a jeho neprehrievania.
Medzi základné komponenty VFD vysokého napätia patrí usmerňovač, jednosmerná zbernica a menič. Usmerňovač prevádza prichádzajúci striedavý prúd na jednosmerný prúd, ktorý je potom uložený na zbernici jednosmerného prúdu. Invertor potom konvertuje jednosmerný prúd späť na striedavý prúd s požadovanou frekvenciou a napätím pre motor.
Usmerňovač
Usmerňovač je prvým stupňom VFD a je zodpovedný za konverziu prichádzajúceho striedavého prúdu na jednosmerný prúd. V strednonapäťových VFD sa používajú dva hlavné typy usmerňovačov: diódové usmerňovače a tyristorové usmerňovače.
- Diódové usmerňovače:Diódové usmerňovače sú najjednoduchším a najbežnejším typom usmerňovača používaným vo vysokonapäťových VFD. Pozostávajú z mostíka diód, ktoré premieňajú striedavý prúd na jednosmerný prúd. Diódové usmerňovače sú relatívne lacné a majú vysokú účinnosť, ale neumožňujú riadenie napätia jednosmernej zbernice.
- Tyristorové usmerňovače:Tyristorové usmerňovače sú zložitejšie a drahšie ako diódové usmerňovače, ale umožňujú riadenie napätia jednosmernej zbernice. Tyristorové usmerňovače pozostávajú z mostíka tyristorov, ktoré možno ovládať tak, aby sa menilo množstvo jednosmerného napätia na zbernici jednosmerného prúdu. To umožňuje VFD upraviť napätie DC zbernice tak, aby zodpovedalo požiadavkám motora a zlepšilo celkovú účinnosť systému.
DC zbernica
Jednosmerná zbernica je medzistupňom VFD a je zodpovedná za ukladanie jednosmerného prúdu z usmerňovača. Jednosmerná zbernica pozostáva z kondenzátorovej banky, ktorá filtruje jednosmerné napätie a poskytuje stabilný zdroj energie pre menič. Veľkosť skupiny kondenzátorov závisí od menovitého výkonu VFD a požiadaviek motora.
Invertor
Invertor je posledným stupňom VFD a je zodpovedný za konverziu jednosmerného prúdu z jednosmernej zbernice späť na striedavý prúd s požadovanou frekvenciou a napätím pre motor. V strednonapäťových VFD sa používajú dva hlavné typy meničov: meniče so zdrojom napätia (VSI) a meniče so zdrojom prúdu (CSI).
- Invertory zdroja napätia (VSI):VSI sú najbežnejším typom meniča používaného vo vysokonapäťových VFD. Pozostávajú z mostíka bipolárnych tranzistorov s izolovaným hradlom (IGBT), ktoré možno ovládať tak, aby menili frekvenciu a napätie na výstupe striedavého prúdu. VSI sú relatívne jednoduché a majú vysokú účinnosť, ale na udržanie stabilného jednosmerného napätia vyžadujú veľkú kondenzátorovú banku na jednosmernej zbernici.
- Aktuálne zdroje invertorov (CSI):CSI sú menej bežné ako VSI, ale používajú sa v aplikáciách, kde sa vyžaduje vysoký rozbehový krútiaci moment. Pozostávajú z mostíka tyristorov, ktoré je možné ovládať tak, aby sa menil prúd a frekvencia AC výstupu. CSI sú zložitejšie a majú nižšiu účinnosť ako VSI, ale nevyžadujú veľkú skupinu kondenzátorov na jednosmernej zbernici.
Výhody používania vysokonapäťových VFD
Vysokonapäťové VFD ponúkajú niekoľko výhod oproti tradičným metódam riadenia motora, vrátane:
- Energetická účinnosť:Zmenou rýchlosti motora podľa požiadaviek na zaťaženie môžu vysokonapäťové VFD výrazne znížiť spotrebu energie a ušetriť prevádzkové náklady. Napríklad motor, ktorý pracuje pri 50 % menovitých otáčok, spotrebuje približne 12,5 % energie v porovnaní s motorom pracujúcim pri plnej rýchlosti.
- Presné ovládanie rýchlosti:Strednapäťové VFD ponúkajú presnú kontrolu nad rýchlosťou motora, čo umožňuje presné riadenie procesu a lepšiu kvalitu produktu. Toto je obzvlášť dôležité v aplikáciách, kde je potrebné upraviť rýchlosť motora tak, aby zodpovedala požiadavkám procesu.
- Znížené opotrebovanie:Hladkým spúšťaním a zastavovaním motora a znížením mechanického namáhania motora a poháňaného zariadenia môžu vysokonapäťové VFD predĺžiť životnosť zariadenia a znížiť náklady na údržbu.
- Vylepšený účinník:Vysokonapäťové VFD môžu zlepšiť účinník elektrického systému, čo môže znížiť dopyt po elektrickej sieti a ušetriť náklady na elektrinu.
Aplikácie vysokonapäťových VFD
Vysokonapäťové VFD sa používajú v širokej škále priemyselných aplikácií, vrátane:
- Čerpadlá a ventilátory:Strednapäťové VFD sa bežne používajú na riadenie rýchlosti čerpadiel a ventilátorov v systémoch HVAC, v úpravniach vody a priemyselných procesoch. Zmenou otáčok čerpadla alebo ventilátora podľa požiadaviek na záťaž môžu vysokonapäťové VFD výrazne znížiť spotrebu energie a ušetriť prevádzkové náklady.
- Kompresory:Strednapäťové VFD sa používajú na riadenie rýchlosti kompresorov v chladiacich systémoch, vzduchových kompresoroch a plynovodoch. Zmenou otáčok kompresora podľa požiadaviek na zaťaženie môžu vysokonapäťové VFD zlepšiť účinnosť kompresora a znížiť spotrebu energie.
- Dopravníky a žeriavy:Vysokonapäťové VFD sa používajú na riadenie rýchlosti dopravníkov a žeriavov vo výrobných závodoch, skladoch a prístavoch. Zmenou rýchlosti dopravníka alebo žeriavu podľa požiadaviek na zaťaženie môžu vysokonapäťové VFD zvýšiť produktivitu systému a znížiť spotrebu energie.
- Mlyny a drviče:Strednapäťové VFD sa používajú na riadenie rýchlosti mlynov a drvičov v ťažobnom, cementárenskom a kamenivom priemysle. Zmenou rýchlosti mlyna alebo drviča podľa požiadaviek na zaťaženie môžu vysokonapäťové VFD zlepšiť účinnosť procesu a znížiť spotrebu energie.
Záver
Vysokonapäťové VFD sú výkonné a všestranné riešenie riadenia motora, ktoré ponúka presnú kontrolu nad rýchlosťou motora, energetickú účinnosť a znížené opotrebovanie zariadenia. Ako dodávateľ VFD stredného napätia sme sa zaviazali poskytovať našim zákazníkom vysokokvalitné produkty a vynikajúce služby zákazníkom. Ak máte záujem dozvedieť sa viac o našich vysokonapäťových VFD alebo máte akékoľvek otázky o tom, ako ich možno použiť vo vašej aplikácii, prosímoslovte nászačať rozhovor o vašich konkrétnych potrebách. Tešíme sa na spoluprácu pri hľadaní najlepšieho riešenia pre vaše požiadavky na ovládanie motora.
Referencie
- Boldea, I. a Nasar, SA (1999). Elektrické pohony: Integrovaný prístup. CRC Press.
- Krause, PC, Wasynczuk, O., & Sudhoff, SD (2002). Analýza elektrických strojov a pohonných systémov. Wiley-Interscience.
- Mohan, N., Undeland, TM, & Robbins, WP (2003). Výkonová elektronika: meniče, aplikácie a dizajn. Wiley-Interscience.