Wiki về Drive điều khiển động cơ biến tần - Variable frequency drive VFDs

Variable frequency drive (VFD) hay Drive điều khiển tần số biến thiên được sử dụng trong các ứng dụng, từ các thiết bị nhỏ đến máy nén lớn. Khoảng 25% năng lượng điện của thế giới được tiêu thụ bởi động cơ điện trong các ứng dụng công nghiệp, có thể hiệu quả hơn khi sử dụng VFDs trong dịch vụ tải ly tâm; tuy nhiên, sự thâm nhập thị trường toàn cầu của VFDs đối với tất cả các ứng dụng là tương đối nhỏ.

Wikipedia - Một Drive điều khiển tần số biến thiên (Variable frequency drive, VFD), còn được gọi là drive điều chỉnh tần số - adjustable-frequency drive, drive biến áp / tần số biến thiên - variable-voltage/variable-frequency (VVVF) drive, drive tốc độ biến thiên - variable speed drive, ổ drive AC - AC drive, ổ drive vi điều khiển - micro drive hoặc ổ drive biến tần - inverter drive, là một loại ổ drive điều khiển có tốc độ điều chỉnh được sử dụng trong các hệ thống cơ điện để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn AC bằng cách thay đổi tần số và điện áp đầu vào của động cơ.

VFD được sử dụng trong các ứng dụng, từ các thiết bị nhỏ đến máy nén lớn. Khoảng 25% năng lượng điện của thế giới được tiêu thụ bởi động cơ điện trong các ứng dụng công nghiệp, có thể hiệu quả hơn khi sử dụng VFDs trong dịch vụ tải ly tâm; tuy nhiên, sự thâm nhập thị trường toàn cầu của VFDs đối với tất cả các ứng dụng là tương đối nhỏ.

Trong bốn thập kỷ qua, công nghệ điện tử đã giảm chi phí và kích thước của VFD và đã cải thiện hiệu suất thông qua các tiến bộ trong các thiết bị chuyển mạch bán dẫn, ổ drive topologies, kỹ thuật mô phỏng và kiểm soát, và kiểm soát phần cứng và phần mềm.

VFDs được tạo thành trong một số các cấu trúc liên kết AC-AC và DC-AC có điện áp thấp và trung áp khác nhau.
 

Mô tả và vận hành hệ thống Drive điều khiển tần số biến thiên

Một ổ drive điều khiển tần số biến đổi là một thiết bị được sử dụng trong một hệ thống ổ ổ drive điều khiển bao gồm ba hệ thống chính sau đây: động cơ AC, bộ điều khiển ổ ổ drive điều khiển chính, và giao diện ổ ổ drive / điều hành.

Động cơ AC

Động cơ điện AC dùng trong hệ thống VFD thường là động cơ cảm ứng ba pha. Một số loại động cơ một pha hoặc động cơ đồng bộ thuận lợi trong một số tình huống có thể được sử dụng, nhưng động cơ cảm ứng ba pha thường được ưa thích hơn như là sự lựa chọn động cơ tiết kiệm nhất. Các động cơ được thiết kế cho hoạt động tốc độ cố định thường được sử dụng. Các ứng suất áp suất cao áp dụng cho động cơ cảm ứng được cung cấp bởi các VFD đòi hỏi động cơ đó phải được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu như bộ phận 31 của tiêu chuẩn NEMA MG-1.

Bộ thiết bị điều khiển

Bộ điều khiển VFD là một hệ thống chuyển đổi điện tử trạng thái rắn bao gồm ba hệ thống con riêng biệt: bộ chuyển đổi cầu bộ chỉnh lưu, một dòng điện trực tiếp (DC), và một bộ biến tần. Các bộ khuếch đại nguồn điện áp (VSI) (xem phần 'phụ phân dạng chung' dưới đây) là các loại ổ drive điều khiển phổ biến nhất. Hầu hết các ổ drive điều khiển là AC-AC ổ drive điều khiển ở chỗ họ chuyển đổi đường dây AC vào đầu ra biến tần AC. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng như DC bus hay ứng dụng năng lượng mặt trời thông thường, ổ drive điều khiển được cấu hình như các ổ drive điều khiển DC-AC. Bộ chuyển đổi chỉnh lưu cơ bản nhất cho ổ drive điều khiển VSI được cấu hình như là một cây cầu diode ba pha, sáu xung, đầy đủ sóng. Trong một ổ drive điều khiển VSI, các liên kết DC bao gồm một tụ điện làm mịn ra gợn đầu ra của DC chuyển đổi và cung cấp một đầu vào cứng để biến đổi tần số. Điện áp DC được lọc này được chuyển sang đầu ra điện áp AC sin-sinusoidal sử dụng các bộ phận chuyển đổi hoạt động của biến tần. Các ổ drive điều khiển VSI cung cấp hệ số công suất cao hơn và biến dạng hài hòa thấp hơn các bộ biến tần dòng điện điều khiển pha (CSI) và các bộ biến tần tải mạch chuyển mạch (LCI) (xem phần 'phụ phân dạng chung dưới đây). Bộ điều khiển ổ drive điều khiển cũng có thể được cấu hình như một bộ chuyển đổi pha với đầu vào biến đổi một pha và đầu ra biến tần ba pha.

Các tiến bộ của bộ điều khiển đã khai thác sự gia tăng đột ngột điện áp và các xếp hạng hiện tại và tần số chuyển đổi của các thiết bị điện trạng thái rắn trong sáu thập kỷ qua. Được giới thiệu vào năm 1983, bóng bán dẫn lưỡng cực cổng (IGBT) đã có trong hai thập kỷ qua chiếm lĩnh VFDs như một thiết bị chuyển mạch biến tần.

Trong các ứng dụng mô-men xoắn biến thiên thích hợp cho điều khiển drive Volts-per-Hertz (V / Hz), các đặc tính của động cơ AC yêu cầu cường độ điện áp của ngõ ra của biến tần vào động cơ để điều chỉnh mô men theo tải V / . Ví dụ, đối với động cơ 460 V, 60 Hz, mối quan hệ V / Hz tuyến tính này là 460/60 = 7.67 V / Hz. Mặc dù phù hợp với các ứng dụng rộng rãi, V / Hz kiểm soát là phụ tối ưu trong các ứng dụng hiệu năng cao liên quan đến tốc độ thấp hoặc đòi hỏi, điều chỉnh tốc độ động, định vị, và yêu cầu tải đảo chiều. Một số ổ drive điều khiển V / Hz cũng có thể hoạt động trong chế độ V / Hz bậc hai hoặc thậm chí có thể được lập trình cho phù hợp với các đường dẫn V / Hz đặc biệt nhiều điểm.

Hai thanh điều khiển ổ drive điều khiển khác, điều khiển vector và điều khiển mô-men xoắn trực tiếp (DTC), điều chỉnh cường độ điện thế động cơ, góc từ tham chiếu và tần số để kiểm soát chính xác thông lượng từ và mô men cơ học.

Mặc dù điều chế độ rộng xung vector véc tơ (SVPWM) ngày càng trở nên phổ biến, PWM sinusoidal (SPWM) là phương pháp đơn giản nhất được sử dụng để thay đổi điện áp động cơ (hoặc hiện tại) và tần số. Với điều khiển SPWM (xem hình 1), ngõ ra sin sinusoidal, biến đổi xung được xây dựng từ các giao điểm của tín hiệu sóng mang răng cưa với tín hiệu sin điều biến được biến đổi trong tần số hoạt động cũng như điện áp (hoặc dòng điện) ).

Hoạt động của động cơ trên tốc độ định mức (tốc độ cơ sở) có thể đạt được, nhưng chỉ giới hạn ở các điều kiện không đòi hỏi nhiều công suất hơn mức đánh giá trên bảng của động cơ. Điều này đôi khi được gọi là "trường suy yếu" và, đối với động cơ AC, có nghĩa là hoạt động ở tốc độ định mức V / Hz thấp hơn và trên nhãn. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có phạm vi tốc độ làm suy yếu trường rất hạn chế do mối liên kết nam châm liên tục. Động cơ đồng bộ và động cơ cảm ứng rung-rotor có phạm vi tốc độ rộng hơn. Ví dụ: động cơ cảm ứng 100 HP, 460 V, 60 Hz, 1775 vòng / phút (4 cực) cung cấp với 460 V, 75 Hz (6.134 V / Hz), sẽ giới hạn ở 60/75 = 80% mô men ở 125% tốc độ (2218.75 vòng / phút) = 100% công suất. Ở tốc độ cao hơn, mô-men xoắn của mô-men xoắn cảm ứng phải được hạn chế hơn do giảm moment xoắn của động cơ. Do đó, công suất định mức có thể được sản xuất điển hình chỉ lên đến 130-150% tốc độ đánh giá được đặt tên. Động cơ đồng bộ rô-rotor có thể chạy với tốc độ cao hơn. Trong các máy cán cán, thường là 200-300% tốc độ cơ bản được sử dụng. Sức mạnh cơ học của rotor giới hạn tốc độ tối đa của động cơ.

Bộ vi xử lý nhúng điều khiển hoạt động chung của bộ điều khiển VFD. Lập trình cơ bản của bộ vi xử lý được cung cấp dưới dạng phần mềm không thể truy cập được của người dùng. Cung cấp các chương trình người dùng cho các tham số hiển thị, biến và chức năng để điều khiển, bảo vệ và theo dõi thiết bị VFD, động cơ, và điều khiển.

Bộ điều khiển ổ drive điều khiển cơ bản có thể được cấu hình để chọn lọc bao gồm các thành phần quyền lực tùy chọn và các phụ kiện như sau:

- Kết nối đầu nguồn của bộ ngắt mạch chuyển đổi hoặc cầu chì, contactor cách ly, bộ lọc EMC, bộ phản ứng dòng, bộ lọc thụ động
- Kết nối với chopper liên kết DC, điện trở phanh
- Kết nối hạ nguồn của lò phản ứng đầu ra biến tần, bộ lọc sóng sin, bộ lọc dV / dt.

Giao diện vận hành

Giao diện điều khiển cung cấp một phương tiện để người vận hành bắt đầu và dừng động cơ và điều chỉnh tốc độ vận hành. Các chức năng điều khiển bổ sung của nhà điều hành có thể bao gồm đảo chiều và chuyển đổi giữa điều chỉnh tốc độ bằng tay và điều khiển tự động từ tín hiệu điều khiển quá trình bên ngoài. Giao diện điều khiển thường bao gồm một màn hình hiển thị chữ số hoặc các đèn báo và đồng hồ để cung cấp thông tin về hoạt động của ổ drive điều khiển. Một bàn phím giao diện điều khiển và đơn vị hiển thị thường được cung cấp ở mặt trước của bộ điều khiển VFD như thể hiện trong bức ảnh ở trên. Màn hình hiển thị bàn phím thường có thể được kết nối bằng cáp và gắn một bộ phận điều khiển VFD ngắn. Hầu hết đều được cung cấp đầu vào và đầu ra (I / O) để kết nối các nút bấm, công tắc, và các thiết bị giao diện điều khiển khác hoặc các tín hiệu điều khiển. Một cổng truyền thông nối tiếp cũng thường có sẵn để cho phép VFD được cấu hình, điều chỉnh, giám sát và điều khiển bằng máy tính.
 

Sự vận hành Drive điều khiển tần số biến thiên

Tham chiếu biểu đồ đi kèm, các ứng dụng ổ drive điều khiển có thể được phân loại là nhóm đơn lẻ, hai phần tư hoặc bốn góc phần tư; bốn góc tọa độ của biểu đồ được định nghĩa như sau:

Quadrant I - Điều khiển drive hoặc giám sát, phía trước tăng tốc với tốc độ và momen dương
Quadrant II - Phát động hoặc hãm đà, phanh hãm với tốc độ dương và mômen âm
Quadrant III - Điều khiển drive hoặc giám sát, góc khuếch ngược đảo ngược với tốc độ và mô men xoắn âm
Quadrant IV - Phát động hoặc hãm đà, pha lùi giảm tốc với tốc độ âm và tốc độ dương.

Hầu hết các ứng dụng đều liên quan đến tải trọng một phần tư hoạt động trong góc tọa độ I, chẳng hạn như trong mô men xoắn biến thiên (ví dụ máy bơm ly tâm hoặc quạt) và một số tải trọng mô-men xoắn (ví dụ như ép đùn).

Một số ứng dụng liên quan đến tải trọng hai phần tư hoạt động trong góc tọa độ I và II, nơi tốc độ dương nhưng mô-men xoắn thay đổi cực như trong trường hợp quạt giảm tốc nhanh hơn tổn thất cơ học tự nhiên. Một số nguồn xác định hai quadrant ổ drive điều khiển như tải hoạt động trong quadrants I và III, nơi tốc độ và mô-men xoắn là cực (cực dương hoặc âm) trong cả hai hướng.

Một số ứng dụng hiệu suất cao liên quan đến tải trọng bốn phần tư (Quadrants I đến IV), nơi tốc độ và mô men xoắn có thể ở bất kỳ hướng nào như trong tời nâng, thang máy và băng tải đồi núi. Quá trình tái tạo chỉ có thể xảy ra trong thanh dẫn liên kết DC của ổ drive điều khiển khi điện áp biến tần nhỏ hơn điện trở EMF và điện thế biến tần và EMF ngược lại là cùng cực.

Khi bắt đầu động cơ, VFD ban đầu áp dụng tần số và điện áp thấp, do đó tránh dòng chảy dòng chảy liên quan đến việc khởi động trực tiếp. Sau khi bắt đầu VFD, tần số và điện áp được áp dụng tăng lên với tốc độ kiểm soát hoặc tăng tốc để tăng tải. Phương pháp khởi động này thường cho phép một động cơ phát triển 150% mô-men xoắn định mức của nó trong khi VFD đang vẽ ít hơn 50% dòng định mức của nó từ nguồn điện ở tốc độ thấp. VFD có thể được điều chỉnh để tạo ra mô men khởi động ổn định 150% từ bế tắc ngay đến tốc độ tối đa. Tuy nhiên, làm mát động cơ giảm và có thể dẫn đến sự quá nóng khi tốc độ giảm xuống khiến cho việc vận hành với tốc độ chậm với mô men xoắn lớn thường không thể mà không cần thông gió quạt động cơ.

Với một VFD, trình tự dừng lại chỉ là sự đối lập như là trình tự bắt đầu. Tần suất và điện áp áp dụng cho động cơ được hạ thấp xuống với tốc độ kiểm soát. Khi tần số đến gần bằng không, động cơ sẽ tắt. Một lượng nhỏ mô men phanh có sẵn để giúp giảm tốc tải một chút nhanh hơn nó sẽ dừng lại nếu động cơ chỉ đơn giản là tắt và cho phép để bờ biển. Mômen hãm bổ sung có thể thu được bằng cách thêm một mạch hãm (điện trở điều khiển bởi một transistor) để tiêu hao năng lượng phanh. Với bộ chỉnh lưu bốn chục (hoạt động phía trước), VFD có thể làm phanh tải bằng cách sử dụng mô-men xoắn ngược và bơm năng lượng trở lại dây chuyền AC.
 

Những tiện ích của Drive điều khiển tần số biến thiên

Tiết kiệm năng lượng

Nhiều ứng dụng động cơ tốc độ cố định được cung cấp trực tiếp từ dòng điện AC có thể tiết kiệm năng lượng khi chúng vận hành ở tốc độ biến thiên bằng phương tiện VFD. Tiết kiệm chi phí năng lượng đặc biệt được tiết lộ trong các quạt ly tâm ly tâm và các ứng dụng bơm, trong đó tải trọng và công suất thay đổi theo thứ tự và tốc độ. Thay đổi này cho phép giảm điện năng lớn so với hoạt động tốc độ cố định với tốc độ giảm tương đối nhỏ. Ví dụ, ở tốc độ 63%, tải động cơ chỉ tiêu thụ 25% công suất toàn tốc. Sự giảm này phù hợp với các luật về mối quan hệ xác định mối quan hệ giữa các biến số tải ly tâm khác nhau.

Tại Hoa Kỳ, khoảng 60-65% điện năng được sử dụng để cung cấp động cơ, trong đó 75% là mô men xoắn, bơm, và tải nén. Tám mươi phần trăm năng lượng được sử dụng trong 40 triệu động cơ ở Hoa Kỳ có thể được tiết kiệm bằng các công nghệ cải tiến năng lượng hiệu quả như VFDs.

Chỉ có khoảng 3% tổng số cơ sở lắp đặt của động cơ AC được cung cấp với ổ drive điều khiển AC. Tuy nhiên, ước tính rằng công nghệ ổ drive điều khiển được chấp nhận trong khoảng 30-40% của tất cả các động cơ mới được lắp đặt.
 

Một sự suy giảm tiêu thụ năng lượng của dân số toàn cầu của lắp đặt động cơ AC như thể hiện trong bảng sau:

Số lượng động cơ toàn cầu, năm 2009

Kiểm soát hiệu suất

Các ổ drive điều khiển AC được sử dụng để cải tiến quy trình và chất lượng trong quá trình gia tốc, dòng chảy, giám sát, áp suất, tốc độ, độ căng và mô men.

Tải trọng cố định phụ thuộc vào động cơ với một mô men khởi động cao và hiện tại dâng lên đến tám lần dòng điện đầy tải. Thay vào đó, các ổ drive điều khiển AC thay thế tốc độ động cơ lên ​​đến tốc độ vận hành để giảm căng thẳng cơ học và điện, giảm chi phí bảo trì và sửa chữa, kéo dài tuổi thọ của động cơ và thiết bị điều khiển.

Các ổ drive điều khiển tốc độ biến tốc cũng có thể chạy động cơ với các mô hình đặc biệt để giảm thiểu các áp lực cơ học và điện. Ví dụ, mô hình đường cong S có thể được áp dụng cho một ứng dụng băng tải để điều khiển giảm tốc và gia tốc mượt mà hơn, làm giảm phản ứng dữ dội có thể xảy ra khi băng tải tăng tốc hoặc giảm tốc độ.

Các yếu tố hiệu suất có xu hướng ưu tiên sử dụng các ổ drive điều khiển DC trên các ổ drive điều khiển AC bao gồm các yêu cầu như hoạt động liên tục ở tốc độ thấp, hoạt động 4 pha với hoạt động tái tạo, thường xuyên tăng tốc và giảm tốc độ, và nhu cầu cho động cơ được bảo vệ trong khu vực nguy hiểm. Bảng dưới đây so sánh các ổ drive điều khiển AC và DC theo các thông số quan trọng nhất định:

^ Thiết bị phun tần số cao
 

Phân loại và xếp hạng VFDs

Các cấu trúc chung

Các ổ drive điều khiển AC có thể được phân loại theo topology chung sau đây:

- Các ổ drive điều khiển biến tần nguồn biến thế (VSI): Trong một ổ drive điều khiển VSI, đầu ra DC của bộ chuyển đổi cầu chì di chuyển năng lượng trong bus tụ để cung cấp điện áp cho điện áp vào biến tần. Phần lớn các ổ drive điều khiển là loại VSI với đầu ra điện áp PWM.

- Các ổ drive điều khiển biến dạng nguồn dòng điện (CSI): Trong một ổ drive điều khiển CSI, đầu ra DC của bộ chuyển đổi SCR-cầu lưu trữ năng lượng trong kết nối loạt lò phản ứng để cung cấp dòng điện vào cho biến tần. Các ổ drive điều khiển CSI có thể hoạt động với một trong hai đầu ra PWM hoặc đầu ra dạng sóng sáu bước.

- Các ổ drive điều khiển dạng cứng 6 cấp có thể là loại VSI hoặc CSI và cũng được gọi là các biến tần biến áp, điều chế biên độ xung (PAM ) ổ drive điều khiển, sóng vuông ổ drive điều khiển hoặc DC chopper biến tần. Trong một ổ drive điều khiển sáu bước, đầu ra DC của bộ chuyển đổi cầu SCR được làm mịn thông qua bus tụ điện và kết nối loạt lò phản ứng để cung cấp qua máy biến áp Darlington Pair hoặc IGBT quasi sinusoidal, điện áp sáu bước hoặc đầu vào hiện tại cho một động cơ cảm ứng.

- Lắp ổ drive điều khiển biến tần chuyển mạch (LCI): Trong một ổ drive điều khiển LCI (một trường hợp CSI đặc biệt), đầu ra DC của bộ chuyển đổi cầu SCR lưu trữ năng lượng qua mạch điện dẫn nối DC để cung cấp sản lượng hiện tại sáu bước bước cứng gần như sinusoidal của một giây Biến tần của cầu SCR và máy đồng bộ quá tải.

- Các công cụ tôpô Cycloconverter hoặc ma trận chuyển đổi ma trận (MC): Bộ chuyển đổi AC và AC không có liên kết DC trung gian để lưu trữ năng lượng. Bộ biến đổi cycloconverter hoạt động như một nguồn ba pha thông qua ba cầu SCR kết nối song song với cấu hình 6 xung, mỗi giai đoạn cycloconverter hoạt động một cách có chọn lọc để chuyển đổi điện áp AC tần số cố định sang điện áp xoay chiều với tần số tải biến đổi. Ổ drive điều khiển MC là IGBT-based.

- Hệ thống phục hồi dữ liệu trượt tăng gấp đôi: Hệ thống phục hồi trượt giấy gấp đôi cung cấp năng lượng trượt cố định cho lò phản ứng làm nguội để cung cấp điện cho mạng lưới cung cấp AC thông qua một Biến tần, tốc độ của động cơ được điều khiển bằng cách điều chỉnh dòng DC.
 

Nền tảng điều khiển

Hầu hết các ổ drive điều khiển sử dụng một hoặc nhiều nền tảng kiểm soát sau:
- Điều khiển vô hướng PWM V / Hz
- Kiểm soát PWM theo trường (FOC) hoặc điều khiển vector
- Điều khiển mômen trực tiếp (DTC).
 

Mô men tải và các đặc tính điện

Các ổ drive điều khiển biến tần cũng được phân loại theo các mô men tải và các đặc tính điện:
- Mômen biến đổi, chẳng hạn như trong quạt ly tâm, bơm, và các ứng dụng thổi
- Mômen xoắn liên tục, chẳng hạn như trong băng tải và các ứng dụng bơm tích cực
- Điện liên tục, chẳng hạn như trong các ứng dụng máy công cụ và các ứng dụng kéo.
 

Công suất hữu dụng

VFDs có sẵn với điện áp và các đánh giá hiện tại bao gồm một loạt các động cơ AC một pha và đa pha. Các ổ drive điều khiển điện áp thấp (LV) được thiết kế để hoạt động ở các điện áp đầu ra bằng hoặc nhỏ hơn 690 V. Trong khi các động cơ LV ứng dụng động cơ có mức đánh giá lên đến 5 hoặc 6 MW, các cân nhắc về kinh tế thường ưu tiên cho điện áp trung thế (MV) với mức công suất thấp hơn nhiều. Các cấu trúc liên kết ổ drive điều khiển MV khác nhau (xem Bảng 2) được cấu hình phù hợp với mức điện áp / dòng điện kết hợp được sử dụng trong các thiết bị chuyển mạch bộ điều khiển của bộ điều khiển sao cho bất kỳ giá trị điện áp nào đó lớn hơn hoặc bằng một với danh định chuẩn tỷ lệ điện áp động cơ: thông thường là 2,3 / 4,16 kV (60 Hz) hoặc 3,3 / 6,6 kV (50 Hz), với một nhà sản xuất thyristor có công suất lên tới 12 kV. Trong một số ứng dụng, một máy biến áp bậc thang được đặt giữa một ổ drive điều khiển LV và tải động cơ MV. Các ổ drive điều khiển MV thường được đánh giá cho các ứng dụng động cơ lớn hơn giữa khoảng 375 kW (500 HP) và 750 kW (1000 HP). Các ổ drive điều khiển MV trước đây đòi hỏi nhiều nỗ lực thiết kế ứng dụng hơn so với yêu cầu cho các ứng dụng ổ drive điều khiển LV. Mức công suất của các ổ drive điều khiển MV có thể đạt tới 100 MW, một loạt các cấu trúc liên kết ổ drive điều khiển khác nhau được tham gia để đánh giá khác nhau, hiệu suất, chất lượng nguồn và yêu cầu độ tin cậy.
 

Phân loại Drives điều khiển tần số biến thiên theo loại machines và theo chi tiết về topologies

Cuối cùng là hữu ích để liên quan đến VFDs theo hai phân loại sau đây:
- Trong các máy AC khác nhau như trong Bảng 1 dưới đây
- Trong các mô hình tô pô chuyển đổi AC-AC khác nhau thể hiện trong các Bảng 2 và 3 bên dưới.

Table 1: Drives by machines



Table 2: Drives by detailed AC-AC converter topologies


Table 3: Topology diagrams

• 

  Simplified 2-Level Inverter Topology

•  

• 

  Simplified Neutral Point Clamped 3-Level Inverter Topology

•  

• 

  Simplified Cascaded H-bridge Inverter Topology

•  

• 

  Simplified Flying Capacitor Inverter 4-Level Topology

•  

• 

  Simplified Neutral Point Clamped H-bridge Inverter Topology

Legend for Tables 1 to 3

Các cân nhắc về ứng dụng Drive điều khiển tần số biến thiên

Sóng hài dòng AC

Lưu ý làm rõ:
Trong khi các sóng hài trong đầu ra PWM có thể dễ dàng được lọc bởi tự cảm lọc bộ lọc tần số sóng mang để cung cấp dòng gần sinusoidal cho tải động cơ, bộ khuếch đại cầu chì diode của VFD chuyển đổi điện áp dòng điện xoay chiều đến điện áp DC bằng siêu áp các xung hiện tại không pha tuyến tính tạo nên sự biến dạng dòng điện điều hòa, và do đó biến dạng điện áp, của đường dây vào. Khi tải VFD tương đối nhỏ so với hệ thống điện lớn, cứng có sẵn từ các công ty điện lực, ảnh hưởng của biến dạng hài hòa VFD của lưới điện xoay chiều thường có thể trong giới hạn chấp nhận được. Hơn nữa, trong các mạng điện áp thấp, sóng hài gây ra bởi các thiết bị một pha như máy tính và TV được hủy bỏ một phần bởi pha sóng cầu ba pha bởi vì sóng hài thứ 5 và thứ 7 của chúng được chống lại. Tuy nhiên, khi tỷ lệ VFD và các tải không tuyến tính khác so với tổng tải hoặc tải không tuyến tính so với độ cứng tại nguồn AC, hoặc cả hai, là tương đối đủ lớn, tải có thể có tác động tiêu cực đến Dạng sóng điện dạng AC sẵn có cho các khách hàng công ty điện khác trong cùng một mạng lưới.

Khi điện áp của công ty điện trở nên méo mó do sóng hài, tổn thất các tải khác như động cơ AC tốc độ cố định tăng lên. Tình trạng này có thể dẫn đến tình trạng quá nhiệt và thời gian hoạt động ngắn hơn. Ngoài ra, máy biến áp và tụ bù cũng bị ảnh hưởng tiêu cực. Cụ thể, tụ điện có thể gây ra điều kiện cộng hưởng có thể tăng mức độ hài hòa không thể chấp nhận được. Để hạn chế sự bóp méo điện áp, chủ sở hữu tải VFD có thể được yêu cầu cài đặt thiết bị lọc để giảm hiện tượng méo hài hòa dưới ngưỡng chấp nhận được. Ngoài ra, các tiện ích có thể áp dụng một giải pháp bằng cách lắp đặt thiết bị lọc của riêng mình tại các trạm biến áp bị ảnh hưởng bởi số lượng lớn thiết bị VFD đang được sử dụng. Trong các lắp đặt công suất cao, biến dạng hài hòa có thể được giảm bằng cách cung cấp các VFD cầu biến áp đa xung từ máy biến áp với nhiều cuộn dây chuyển pha.

Cũng có thể thay thế bộ chỉnh lưu cầu diode tiêu chuẩn bằng một cây cầu chuyển đổi IGBT hai chiều phản chiếu bộ biến tần chuẩn sử dụng thiết bị chuyển mạch IGBT cho động cơ. Các bộ chỉnh lưu như vậy bao gồm bộ chuyển đổi thông tin nạp (AIC), bộ chỉnh lưu hoạt động, bộ cung cấp IGBT (ISU), hoạt động trước (AFE) hoặc hoạt động bốn góc. Với điều khiển PWM và một lò phản ứng đầu vào thích hợp, dạng sóng dòng AC AC của AFE có thể gần như hình sin. AFE vốn đã tái sinh năng lượng ở chế độ bốn góc từ phía DC đến lưới điện AC. Do đó, không cần điện trở hãm, và hiệu quả của ổ đĩa được cải thiện nếu ổ đĩa thường được yêu cầu để phanh động cơ.

Hai kỹ thuật giảm nhẹ khác sử dụng các bộ lọc thụ động hoặc hoạt động kết nối với một thanh dẫn thông thường có ít nhất một tải chi nhánh VFD trên thanh dẫn. Bộ lọc thụ động liên quan đến thiết kế một hoặc nhiều bẫy lọc LC thấp, mỗi bẫy được điều chỉnh theo yêu cầu đến một tần số hài hòa (5, 7, 11, 13, ... kq +/- 1, trong đó k = số nguyên, q = số xung của bộ chuyển đổi).

Thông thường, các công ty điện hoặc khách hàng của họ áp dụng các giới hạn méo hài hòa dựa trên các tiêu chuẩn của IEC hoặc IEEE. Ví dụ, các tiêu chuẩn của IEEE Standard 519 tại điểm kết nối của khách hàng yêu cầu tối đa điện áp tần số riêng lẻ tối đa không quá 3% giá trị cơ bản và yêu cầu điện áp tổng số méo hài bậc (THD) là không quá 5% đối với một hệ thống cung cấp điện AC chung.
 

Chuyển đổi tần số

Chuyển đổi tần số gấp lại (foldback)

Một ổ drive điều khiển sử dụng một tần số chuyển đổi mặc định là 4 kHz. Giảm tần số chuyển mạch của ổ đĩa (tần số tàu sân bay) làm giảm nhiệt do IGBT tạo ra.

Một tần số sóng mang ít nhất mười lần tần số đầu ra mong muốn được sử dụng để thiết lập các khoảng chuyển mạch PWM. Tần số sóng mang từ 2.000 đến 16.000 Hz phổ biến đối với điện áp thấp (điện áp thấp, dưới 600 V AC) VFD. Một tần số sóng mang cao hơn tạo ra một xấp xỉ sóng sin tốt hơn nhưng phải chịu tổn thất chuyển mạch cao hơn trong IGBT, làm giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng tổng thể.
 

Làm mịn tiếng ồn

Một số ổ drive điều khiển có tính năng làm mịn tiếng ồn có thể được bật để đưa ra một biến thể ngẫu nhiên đến tần số chuyển mạch. Điều này phân phối tiếng ồn âm thanh trên một dải tần số để giảm cường độ tiếng ồn.
 

Tác dụng kéo dài

Điện thế đầu ra xung nhịp mang của sóng mang của một PWF PWM gây ra sự gia tăng nhanh chóng trong các xung này, các hiệu ứng đường truyền phải được xem xét. Kể từ khi trở kháng đường truyền của cáp và động cơ khác nhau, xung có xu hướng phản ánh trở lại từ các thiết bị đầu cuối động cơ vào cáp. Các điện áp kết quả có thể tạo ra điện áp quá tải gấp đôi điện áp DC bus hoặc lên đến 3,1 lần điện áp đường dây định mức cho việc chạy dây dài, gây áp lực cao cho dây cáp và cuộn dây động cơ, và sự cố cách điện cuối cùng. Các tiêu chuẩn cách điện cho động cơ ba pha có điện áp 230 V hoặc ít hơn bảo vệ đầy đủ chống lại các áp suất quá dài. Trên các hệ thống 460 V hoặc 575 V và Biến tần với IGBT thế hệ thứ ba 0.1-microseconds, khoảng cách cáp tối đa giữa VFD và động cơ khoảng 50 m hoặc 150 feet. Các giải pháp cho các quá trình overvoltages do chiều dài chì dài bao gồm giảm thiểu khoảng cách cáp, giảm tần số sóng mang, cài đặt các bộ lọc dV / dt, sử dụng động cơ tốc độ dòng biến tần (được đánh giá cao 600 V để chịu được các mạch tia với thời gian tăng ít hơn hoặc bằng 0,1 microsecond , cường độ đỉnh cao 1.600 V), và cài đặt các bộ lọc sóng sin thấp LCR. Về giảm tần số sóng mang, lưu ý rằng tiếng ồn âm thanh tăng đáng chú ý với tần số sóng mang thấp hơn khoảng 6 kHz và đáng chú ý ở khoảng 3 kHz. Lựa chọn tần số sóng mang PWM tối ưu cho ổ đĩa AC bao gồm cân bằng tiếng ồn, nhiệt độ, áp lực cách điện động cơ, điện áp gây ra bởi điện áp thông thường, hỏng động cơ và các yếu tố khác. Có thể thu được sự suy giảm sóng hài thêm khi sử dụng bộ lọc sóng sin thấp LCR hoặc bộ lọc dV / dt.
 

Mang dòng của động cơ

Tần số sóng mang trên 5 kHz có khả năng gây ra hư hỏng ổ drive điều khiển trừ khi các biện pháp bảo vệ được thực hiện.

Các ổ drive điều khiển PWM vốn có liên quan đến các điện áp và dòng điện phổ biến ở tần số cao có thể gây rắc rối cho vòng bi động cơ. Khi những điện áp tần số cao này tìm thấy một con đường dẫn tới đất thông qua một ổ đỡ, sự truyền lửa điện hoặc gia công kim loại xả điện (EDM) xảy ra giữa quả cầu và vòng đua của ổ đỡ. Theo thời gian, EDM dựa trên tia lửa gây xói mòn trong cuộc đua mang có thể được xem như là một mô hình fluting. Trong các động cơ lớn, điện dung thụ động của cuộn dây cung cấp các đường dẫn cho dòng điện cao tần đi qua trục động cơ kết thúc, dẫn đến một dạng tuần hoàn của dòng điện mang. Việc nối đất không ổn định của các bộ điều khiển có thể dẫn đến các dòng điện trục giữa và mặt đất. Động cơ nhỏ với thiết bị dẫn đường kém được dễ bị ảnh hưởng bởi các dòng điện mang tần số cao.

Ngăn ngừa tổn thất dòng điện mang tần số cao sử dụng ba cách tiếp cận: cáp tốt và các thực tiễn nền tảng, gián đoạn dòng mang, và lọc hoặc làm giảm các dòng chế độ thông thường, ví dụ như bằng các lõi từ mềm, cái gọi là chất hấp thụ quy nạp. Các hệ thống dây cáp và nối đất tốt có thể bao gồm việc sử dụng dây cáp được che chắn, đối xứng để cung cấp cho động cơ, lắp đặt các bộ phận nối đất và mỡ dẫn. Dòng chịu lực có thể bị gián đoạn bằng cách lắp đặt vòng bi cách điện và động cơ cảm ứng được bảo vệ bằng điện. Lọc và giảm độ đàn hồi tần số cao có thể được thực hiện mặc dù chèn lõi từ mềm trong ba giai đoạn cho trở kháng tần số cao đối với chế độ thông thường hoặc dòng mang động cơ. Cách tiếp cận khác là sử dụng thay thế cho các ổ biến tần chuẩn 2 cấp, sử dụng các bộ biến tần 3 cấp hoặc các bộ chuyển đổi ma trận.

Vì các dây cáp điện cao tần hiện tại của các động cơ biến tần có thể gây nhiễu cáp khác trong các thiết bị, nên các loại cáp này nên không chỉ được bảo vệ, thiết kế hình học đối xứng mà còn phải được bố trí cách cáp tín hiệu ít nhất 50 cm .
 

Hãm đà linh hoạt

Mômen tạo ra bởi ổ drive điều khiển làm cho động cơ cảm ứng chạy ở tốc độ đồng bộ ít trượt. Nếu tải động cơ nhanh hơn tốc độ đồng bộ, động cơ hoạt động như một máy phát điện, chuyển đổi năng lượng cơ học sang điện năng. Công suất này được trả lại cho phần tử liên kết DC của ổ drive điều khiển (tụ điện hoặc lò phản ứng). Bộ chuyển đổi điện tử kết nối DC hoặc phanh DC chopper kiểm soát việc tiêu tán năng lượng này làm nhiệt trong một bộ điện trở. Quạt làm mát có thể được sử dụng để ngăn điện trở quá nóng.

Phanh năng động làm lãng phí năng lượng phanh bằng cách chuyển nó thành nhiệt. Ngược lại, các ổ drive điều khiển tái tạo phục hồi năng lượng phanh bằng cách bơm năng lượng này vào dòng AC. Tuy nhiên, chi phí vốn của các ổ drive điều khiển tái tạo là tương đối cao.
 

Ổ drive điều khiển có khả năng tái tạo

Các ổ drive điều khiển AC tái tạo có khả năng hồi phục năng lượng phanh của một tải di chuyển nhanh hơn tốc độ động cơ được chỉ định (tải đại tu) và trả lại cho hệ thống điện.

Các bộ chuyển đổi Cycloconverter, Scherbius, ma trận, CSI, LCI cho phép thu lại năng lượng từ tải lên đường dây, trong khi đó các bộ biến đổi nguồn điện áp yêu cầu một bộ chuyển đổi bổ sung để cung cấp năng lượng cho nguồn cung cấp.

Việc tái sinh chỉ hữu ích trong các VFDs khi giá trị của năng lượng thu hồi lớn so với chi phí thêm vào của một hệ thống tái tạo, và nếu hệ thống yêu cầu phanh và khởi động thường xuyên. Các VFD tái tạo được sử dụng rộng rãi trong trường hợp yêu cầu kiểm soát tốc độ tải đại tu.

Vài ví dụ:
Băng tải đai cho sản xuất, mà dừng lại mỗi vài phút. Trong khi dừng lại, các bộ phận được lắp ráp chính xác; một khi đã xong, dây đai sẽ chuyển sang.

Một cần cẩu, nơi mà động cơ cẩu dừng và đảo chiều thường xuyên, và phanh là cần thiết để làm chậm tải trong khi giảm.
Xe điện plug-in và hybrid của tất cả các loại (xem hình ảnh và Hybrid Synergy Drive).
 

Quá trình lịch sử hình thành

Trước khi các thiết bị trạng thái rắn trở nên sẵn có, các máy biến tần sử dụng máy quay và Công ty General Electric đã nhận được một số bằng sáng chế cho những chiếc này vào đầu thế kỷ 20. Một ví dụ là bằng sáng chế số 949320 năm 1910 của Hoa Kỳ, trong đó nêu rõ: "Máy phát điện này phát hiện ra một ứng dụng hữu ích trong việc cung cấp dòng điện cho các động cơ cảm ứng để điều khiển xe ô tô, đầu máy xe lửa hoặc các cơ chế khác được điều khiển ở các tốc độ khác nhau". Một là bằng sáng chế của Anh năm 7061 của năm 1911 bởi Brown, Boveri & Cie.
 

(theo Wiki)