Frequenzumrichter für Elektromotor

Technische Aspekte des Einsatzes von Frequenzumrichtern

Heutzutage ist der Induktionsmotor das Hauptgerät in den meisten Elektroantrieben. Zunehmend wird zur Steuerung ein Frequenzumrichter eingesetzt – ein Wechselrichter mit PWM-Regelung. Eine solche Kontrolle bietet viele Vorteile, schafft aber auch einige Probleme bei der Auswahl bestimmter technischer Lösungen. Versuchen wir, sie genauer zu verstehen.

Das Gerät der Frequenzumrichter

Die Entwicklung und Produktion einer breiten Palette leistungsstarker Hochspannungstransistor-IGBT-Module ermöglichte die Implementierung von mehrphasigen Leistungsschaltern, die direkt durch digitale Signale gesteuert werden. Durch programmierbare Rechenanlagen war es möglich, an den signalgebenden Schaltereingängen Zahlenfolgen zu erzeugen Frequenzregelung von Asynchron-Elektromotoren… Die Entwicklung und Massenproduktion von Single-Chip-Mikrocontrollern mit großen Rechenressourcen ermöglichte den Übergang zu Servoantrieben mit digitalen Controllern.

Leistungsfrequenzumrichter werden in der Regel nach einem Schema implementiert, das einen Gleichrichter auf Basis leistungsstarker Dioden oder Leistungstransistoren und einen Wechselrichter (gesteuerter Schalter) auf Basis von durch Dioden überbrückten IGBT-Transistoren enthält (Abb. 1).

Reis. 1. Frequenzumrichterschaltung

Die Eingangsstufe richtet die zugeführte sinusförmige Netzspannung gleich, die nach Glättung mit einem induktiv-kapazitiven Filter als Stromquelle für den gesteuerten Wechselrichter dient, der ein Signal mit erzeugt Pulsmodulation, das in den Statorwicklungen sinusförmige Ströme mit Parametern erzeugt, die für die erforderliche Betriebsart des Elektromotors sorgen.

Die digitale Steuerung des Stromrichters erfolgt über Mikroprozessor-Hardware und -Software entsprechend der Aufgabenstellung. Die Recheneinheit generiert in Echtzeit Steuersignale für 52 Module und verarbeitet außerdem Signale von Messsystemen, die den Betrieb des Antriebs steuern.

Stromversorgung und Steuerrechner sind in einem konstruktiv konzipierten Industrieprodukt namens Frequenzumrichter zusammengefasst.

Es gibt zwei Haupttypen von Frequenzumrichtern, die in Industrieanlagen verwendet werden:

• proprietäre Konverter für bestimmte Gerätetypen.

• Universal-Frequenzumrichter sind für die multifunktionale Steuerung des AM-Betriebs in benutzerdefinierten Modi konzipiert.

Das Einstellen und Verwalten der Betriebsarten des Frequenzumrichters kann über das Bedienfeld erfolgen, das mit einem Bildschirm zur Anzeige der eingegebenen Informationen ausgestattet ist.Für eine einfache Skalarfrequenzregelung können Sie eine Reihe einfacher Logikfunktionen verwenden, die in den Werkseinstellungen des Reglers verfügbar sind, und den integrierten PID-Regler.

Um komplexere Steuerungsmodi mithilfe von Feedback-Sensorsignalen zu implementieren, ist die Entwicklung einer ACS-Struktur und eines Algorithmus erforderlich, die mithilfe eines angeschlossenen externen Computers programmiert werden.

Die meisten Hersteller stellen eine Reihe von Frequenzumrichtern her, die sich in den elektrischen Eingangs- und Ausgangseigenschaften, der Leistung, dem Design und anderen Parametern unterscheiden. Zusätzliche externe Elemente können zum Anschluss an externe Geräte (Netz, Motor) verwendet werden: Magnetstarter, Transformatoren, Drosseln.

Arten von Steuersignalen

Es ist notwendig, zwischen den verschiedenen Signalarten zu unterscheiden und für jede ein eigenes Kabel zu verwenden. Verschiedene Arten von Signalen können sich gegenseitig beeinflussen. In der Praxis ist diese Trennung beispielsweise eines Kabels üblich Drucksensor kann direkt an den Frequenzumrichter angeschlossen werden.

In Abb. In Abb. 2 zeigt die empfohlene Art und Weise, den Frequenzumrichter anzuschließen, wenn verschiedene Schaltkreise und Steuersignale vorhanden sind.

Reis. 2. Ein Beispiel für den Anschluss der Leistungskreise und der Steuerkreise des Frequenzumrichters

Folgende Arten von Signalen können unterschieden werden:

• analog – Spannungs- oder Stromsignale (0 … 10 V, 0/4 … 20 mA), deren Wert sich langsam oder selten ändert, normalerweise handelt es sich dabei um Steuer- oder Messsignale;

• diskrete Spannungs- oder Stromsignale (0 … 10 V, 0/4 … 20 mA), die nur zwei sich selten ändernde Werte (hoch oder niedrig) annehmen können;

• digital (Daten) – Spannungssignale (0 … 5 V, 0 … 10 V), die sich schnell und mit hoher Frequenz ändern, normalerweise sind dies Signale von den Ports RS232, RS485 usw.;

• Relais – Relaiskontakte (0 … 220 V AC) können abhängig von der angeschlossenen Last (externe Relais, Lampen, Ventile, Bremsen usw.) induktive Ströme enthalten.

Auswahl der Frequenzumrichterleistung

Bei der Wahl der Leistung des Frequenzumrichters muss man sich nicht nur auf die Leistung des Elektromotors verlassen, sondern auch auf die Nennströme und Spannungen des Umrichters und des Motors. Tatsache ist, dass sich die angegebene Leistung des Frequenzumrichters nur auf den Betrieb mit einem handelsüblichen 4-poligen Asynchronmotor in Standardanwendungen bezieht.

Bei realen Geräten gibt es viele Aspekte, die dazu führen können, dass die aktuelle Belastung des Geräts ansteigt, beispielsweise beim Startvorgang. Grundsätzlich ermöglicht der Einsatz eines Frequenzumrichters eine Reduzierung von Strom und mechanischen Belastungen durch den Sanftanlauf. Beispielsweise wird der Anlaufstrom von 600 % auf 100–150 % des Nennstroms reduziert.

Fahren Sie mit reduzierter Geschwindigkeit

Es ist zu beachten, dass der Frequenzumrichter zwar problemlos eine Drehzahlregelung im Verhältnis 10:1 ermöglicht, wenn der Motor mit niedrigen Drehzahlen läuft, die Leistung des eigenen Lüfters jedoch möglicherweise nicht ausreicht. Überwachen Sie die Motortemperatur und sorgen Sie für Zwangsbelüftung.

Elektromagnetische Verträglichkeit

Da der Frequenzumrichter eine starke Quelle hochfrequenter Oberwellen ist, sollte zum Anschluss der Motoren ein abgeschirmtes Kabel mit minimaler Länge verwendet werden. Ein solches Kabel muss in einem Abstand von mindestens 100 mm zu anderen Kabeln verlegt werden.Dies minimiert Kreuzverhöre. Sollen Kabel gekreuzt werden, erfolgt die Kreuzung im 90-Grad-Winkel.

Die Stromversorgung erfolgt über ein Notstromaggregat

Der vom Frequenzumrichter bereitgestellte Sanftanlauf ermöglicht eine Reduzierung der erforderlichen Leistung des Generators. Da bei einem solchen Start der Strom um das 4- bis 6-fache abnimmt, kann die Leistung des Generators um ein ähnliches Mal reduziert werden. Zwischen Generator und Antrieb muss jedoch weiterhin ein Schütz installiert werden, das vom Relaisausgang des Frequenzumrichters gesteuert wird. Dadurch wird der Frequenzumrichter vor gefährlichen Überspannungen geschützt.

Versorgung eines dreiphasigen Umrichters aus einem einphasigen Netz

Dreiphasige Frequenzumrichter können aus einem einphasigen Netz gespeist werden, ihr Ausgangsstrom darf jedoch 50 % des Nennstroms nicht überschreiten.

Sparen Sie Energie und Geld

Einsparungen gibt es aus mehreren Gründen: Erstens aufgrund des Wachstums Kosinus Phi auf Werte von 0,98, also Die maximale Leistung wird für nützliche Arbeit verwendet, die minimale wird verschwendet. Zweitens wird in allen Motorbetriebsarten ein Koeffizient erreicht, der diesem nahe kommt.

Ohne Frequenzumrichter haben Asynchronmotoren bei geringer Last einen Cosinus-Phi von 0,3-0,4. Drittens sind keine zusätzlichen mechanischen Anpassungen (Dämpfer, Drosseln, Ventile, Bremsen usw.) erforderlich, alles erfolgt elektronisch. Mit einem solchen Steuergerät kann die Einsparung bis zu 50 % betragen.

Synchronisieren Sie mehrere Geräte

Durch die zusätzlichen Eingänge zur Steuerung des Frequenzumrichters ist es möglich, die Förderprozesse zu synchronisieren oder die Änderungsverhältnisse einiger Werte in Abhängigkeit von anderen einzustellen.Beispielsweise um die Spindeldrehzahl der Maschine von der Vorschubgeschwindigkeit des Fräsers abhängig zu machen. Der Prozess wird optimiert, da mit zunehmender Fräserbelastung der Vorschub reduziert wird und umgekehrt.

Netzwerkschutz gegen höhere Harmonische

Für zusätzlichen Schutz werden neben kurzen geschirmten Leitungen auch Netzdrosseln und Bypass-Kondensatoren eingesetzt. GaspedalDarüber hinaus begrenzt es den Einschaltstrom beim Einschalten.

Auswahl der richtigen Schutzklasse

Für den reibungslosen Betrieb des Frequenzumrichters ist eine zuverlässige Wärmeableitung unerlässlich. Werden hohe Schutzarten verwendet, beispielsweise IP 54 und höher, ist eine solche Wärmeableitung nur schwer bzw. kostspielig zu erreichen. Daher ist es möglich, einen separaten Schrank mit hoher Schutzart zu verwenden, in dem Module einer niedrigeren Klasse installiert werden können und eine allgemeine Belüftung und Kühlung erfolgen kann.

Parallelschaltung von Elektromotoren an einen Frequenzumrichter

Um die Kosten zu senken, kann ein Frequenzumrichter zur Steuerung mehrerer Elektromotoren eingesetzt werden. Seine Leistung sollte mit einem Spielraum von 10-15 % der Gesamtleistung aller Elektromotoren gewählt werden. Dabei ist es notwendig, die Länge der Motorkabel zu minimieren und es ist äußerst wünschenswert, eine Motordrossel zu installieren.

Bei den meisten Frequenzumrichtern ist das Abschalten oder Zuschalten von Motoren über Schütze bei laufendem Frequenzumrichter nicht möglich. Dies geschieht nur durch den Stoppbefehl am Gerät.

Einstellung der Steuerfunktion

Um die maximale Leistung des Elektroantriebs zu erreichen, wie z. B. Leistungsfaktor, Wirkungsgrad, Überlastfähigkeit, Regelglätte, Haltbarkeit, ist es notwendig, das Verhältnis zwischen der Änderung der Betriebsfrequenz und der Ausgangsspannung der Frequenz richtig zu wählen Konverter.

Die Spannungsänderungsfunktion hängt vom Drehmomentcharakter der Last ab. Bei konstantem Drehmoment muss die Statorspannung des Motors proportional zur Frequenz geregelt werden (skalare Regelung U/F = const). Für einen Lüfter beispielsweise ist ein anderes Verhältnis U / F * F = const. Wenn wir die Frequenz um das Zweifache erhöhen, sollte die Spannung um das Vierfache ansteigen (Vektorsteuerung). Es gibt Geräte mit komplexeren Steuerungsfunktionen.

Vorteile der Verwendung eines Frequenzumrichters mit variabler Drehzahl

Neben Effizienzsteigerung und Energieeinsparung ermöglicht Ihnen ein solcher Elektroantrieb neue Fahrqualitäten. Dies spiegelt sich in der Ablehnung zusätzlicher mechanischer Geräte wider, die Verluste verursachen und die Zuverlässigkeit von Systemen verringern: Bremsen, Stoßdämpfer, Drosseln, Ventile, Steuerventile usw. Das Bremsen kann beispielsweise durch Umkehr des elektromagnetischen Feldes im Stator des Motors erfolgen. Indem wir nur den funktionalen Zusammenhang zwischen Frequenz und Spannung ändern, erhalten wir einen anderen Antrieb, ohne etwas an der Mechanik zu ändern.

Lesen der Dokumentation

Es ist zu beachten, dass die Frequenzumrichter zwar einander ähnlich sind und es nach der Beherrschung des einen einfach ist, mit dem anderen umzugehen, es ist jedoch notwendig, die Dokumentation sorgfältig zu lesen. Einige Hersteller erlegen Beschränkungen für die Verwendung ihrer Produkte auf und bei Verstößen gegen diese streichen sie das Produkt aus der Garantie.

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