Честотен инвертор

За какво се използва честотен инвертор ?

Асинхронните трифазни двигатели имат широко приложение в индустрията поради простото си устройство, изключително висока надеждност и ниска цена. Скоростта на асинхронният трифазен двигател се определя от два фактора: честотата на тока и броя на полюсите. При стандартните електрозадвижвания, честотата е постоянна величина – около 50 Hz, а веднъж избрана, конструкцията на електродвигателя е неизменна, което води до инвариантна скорост на двигателя. Има създадени и двигатели с два комплекта намотки, при които скоростите могат да са четири, но те са неизменни и не позволяват плавно регулиране. В индустрията, обаче, често се налага плавно регулиране на оборотите на двигателите. Областите, в които това е необходимо, са изключително големи: при металорежещите и металообработващите машини, в подемно-транспортното задвижване, при компресори, помпи, вентилатори, поточни линии и др. За да се осъществи плавно регулиране на оборотите на асинхронния електродвигател е необходим честотен инвертор.

Разгледай честотни инвертори в магазина на Викиват

Това е устройство, което преобразува неизменното подадено напрежение и честота на главното захранване в изменящи се напрежение и честота. Монтира се между захранването и двигателя и позволява един обикновен стандартен двигател да се превърне в гъвкава, моделируема система с променливоскоростно задвижване. Не са за пренебрегване и допълнителните ползи от използването на честотен инвертор в системата. Те са много и разнообразни. Като се започне от това, че може да се стартира двигателя плавно, без нарастване на пусковия ток; осъществяване на високоефективно динамично спиране; повишаване на cosϕ, без използването на кондензатори; съществено понижаване на енергийните разходи при двигатели с променлив режим на натоварване (например, при помпи и вентилатори, начина на регулиране на флуида, който те задвижват, е чрез различни видове клапани и жалузи, при което мощността и респ. консумацията на енергия на двигателя остава неизменна, като голяма част от ефективната мощност се губи за преодоляване на преодоляване на преградата по пътя на флуида, ако обаче се използва честотен инвертор за регулиране скоростта на електродвигателя, консумираната мощност се намалява пропорционално на напора на витлото, което води до значителна икономия на енергия); имаме пълен контрол на работата на електродвигателя-напрежение, ток, скорост на вала, въртящ момент, време за развъртане, време за спиране и т.н. Благодарение на плавния режим на работа се повишава експлоатационния живот на всеки компонент на електрооборудването и накрая стигаме до възможност от защита от претоварване.

От какво се състои един честотен инвертор

Честотният инвертор се състои от три основни части:

1. Изправител – преобразува захранващото променливо напрежение чрез диодни модули в пулсиращо постоянно напрежение.

2. Постояннотокови филтри – състои се от филтриращи дросели, кондензатори и други видове филтри.

3. Транзисторен инвертор – преобразува постоянното напрежение в ШИМ (широчинно-импулсно-модулирано) променливо напрежение.

Освен гореизброените силови компоненти, честотния инвертор има и система за управление, изпълнена чрез програмируем микропроцесорен контролер, който също така осигурява синусоидалната форма на тока.

Честотните инвертори се делят на скаларни и векторни, в зависимост от начина на управление на електродвигателя. Способът за изчисление на стойността на напрежението, обуславя вида инвертор. При скаларните честотни инвертори, напрежението е функция от честотата, която се калкулира като линейна интерполация по няколко опорни точки. Ползвателят на честотния инвертор има възможност да определя стойността на тези точки. Скаларът е величина, чиято стойност може да се изрази с едно число. Тъй като променяме една единствена величина, наричаме тези инвертори скаларни.

Разгледай честотни инвертори в магазина на Викиват

При векторните честотни инвертори, ползвателя трябва предварително да зададе електрическите параметри на управляваният електродвигател. Стойността на напрежението се определя чрез моделиране на преходните процеси в асинхронния двигател. Векторният инвертор изисква от потребителят по-задълбочени познания по теория на електрозадвижванията. Някои съвременни инвертори имат зададени предварително някои от параметрите за настройка (макроси), което облекчава настройката на инвертора. При скаларният инвертор също има добро качество за регулиране на на оборотите на двигателя, дори когато просто се използват заводските настройки.

Честотните инвертори могат да се използват както за трифазни така и за еднофазни асинхронни двигатели.

Наред с безспорните ползи от съвместната работа на честотните инвертори с асинхронни двигатели, се наблюдават и някои проблеми, които трябва да се имат предвид при използването им.

Най-чести проблеми при използване на честотен инвертор

• наличие на висши хармоници на изхода на честотния инвертор. Хармоничните изкривявания повишават загубите в стоманата и електрическите загуби в намотките на двигателя. Наличната радиочестотна интерференция може да се разпространи както по кабелите, така и по въздуха. Поради това, че кабелите между честотния преобразувател и двигателя са изключително мощен източник на потенциална интерференция, силовите и сигналните кабели могат да работят като трансмисионни антени. Това е недопустимо от директивите за електромагнитна съвместимост приети от Европейския съюз. Стандартът IEC 61800-3:2004 определя изискванията, на които трябва да отговарят задвижванията по отношение на хармоничните изкривявания, за да бъдат сертифицирани в Европейския съюз. За да се избегнат тези проблеми могат да се вземат следните мерки: да се монтира оборудването в затворено и правилно заземено метално електроразпределително табло; поставя се филтър за подтискане на радиочестотната интерференция на захранването; ползват се екранирани кабели, по възможност с метална оплетка на всяко жило; трябва да се монтират далеч едни от други, кабели склонни към интерференция и захранващите кабели.
• пикови удари на напрежението върху клемите на електродвигателя. На изхода на инверторите с широчинно-импулсна-модулация се получава напрежение с висока носеща честота (до 20kHz). Когато разстоянието между честотния инвертор и двигателя е по-дълго от 20 метра, в кабела протича вълна със стръмен фронт, чиято импулсна форма може да създаде амплитуда на първия хармоник, превишаваща значително номиналното напрежение, за което клемите на двигателя са проектирани. Този пик уврежда изолацията на кабела; води до преждевременно стареене на клемите; повишава вибрациите на вала на двигателя; увеличава нагряването на намотките и намалява въртящия момент на двигателя с до 5%. Лабораторни изследвания показват, че първите няколко навивки на намотката поемат напрежение достигащо до 1.4kV, като градиентът на увеличение du/dt e е толкова голям, че надвишава диелектричната якост на изолацията и има опасност от пробив. За да се избегне този проблем трябва да се осигури сравнително малко разстояние между честотния преобразувател и управлявания от него двигател.
• прегряване на асинхронния двигател при ниски скорости на въртене. Както знаем честотният инвертор ни позволява да въртим АД с практически всяка скорост. Стандартния асинхронен двигател е проектиран така, че въртенето на ротора, върти охлаждащите лопатки, аксиално разположени на него. Когато обаче чрез ЧИ намалим скоростта на двигателя под 50% за продължителен период от време, трябва да имаме предвид, че това води до влошено охлаждане и съответно прегряване на АД.
• електроерозия на лагерите. ЧИ с бързодействащи биполярни транзистори с изолиран гейт (insulated gate bi-polar transistor IGBT) води до много висока скорост на нарастване на напрежението на импулсите от порядъка на du/dt > 10kV/s, това води до силно несиметрична магнитна система, водеща до възникване на напрежение на вала на АД, вследствие на това протичат високочестотни пулсиращи токове през лагерите на двигателя и затварят веригата през заземения корпус, като по този начин влошават качеството на маслото, водят до искрене в лагерите, което от своя страна образува каверни и води до повишено ниво на вибрации. Този проблем е най-ясно изразен при достигане чрез ЧИ до честоти, превишаващи синхронната. Ако все пак се налага такъв режим на работа, трябва да се предвидят по-износоустойчиви и бързоходни лагери, които е добре да бъдат изолирани електрически от АД и да имат автономно охлаждане.
• вибрации на двигателя. Високочестотните хармоници създават магнитострикция в шихтования магнитопровод. Освен това предизвикват индукция на висши хармоници на електродвижещото напрежение в роторната намотка, които си взаимодействат с основния магнитен поток и създават паразитен допълнителен механичен момент на вала. Това създава повишен шум и вибрации на ротора. За да се избегне този проблем се поставят специални филтриращи устройства, за които ще стане дума по-долу в статията.

Разгледай честотни инвертори в магазина на Викиват

Допълнителни защитни средства за преодоляване на проблемите при регулируемите асинхронни задвижвания с използване на честотен инвертор

1. Монтиране на външни филтри, дросели, които ограничават високочестотните съставки до стандартни величини, което увеличава живота на двигателя.
2. Използване на асинхронен двигател с по-висок клас изолация.
3. Използване на лагери с диелектрично покритие и изолиран външен и вътрешен пръстен и керамични търкалящи се части.
4. Използване на независимо охлаждане при задвижвания с ниски скорости на въртене на вала.
5. Поставяне на термисторни защити, против прегряване на статорната намотка.
6. Използване на екраниран кабел с минимална дължина. Така се избягва ефектът на вълнови пренапрежения на клемите на двигателя. Най добре е, когато инверторът и двигателят са с общ корпус.
7. Монтиране на вала на енкодери за обратна връзка, носещи информация за фазовия ъгъл на ротора и скоростта на въртене. Енкодерите управляват двигателя по скорост, положение на вала, въртящ момент и др.

Разгледай честотни инвертори в магазина на Викиват

От казаното дотук става ясно колко полезни могат да бъдат честотните инвертори, когато се използват компетентно от професионалисти в регулируемите електрозадвижвания.