Айнымалы жиілікті жетек (Variable Frequency Drive)

Кіріспе

Реттелетін жылдамдықты басқарудың түрі

Өзгертілмелі жиілікті басқару (VFD, немесе өзгертілмелі жиілікті басқару, реттелетін жылдамдықты басқару, өзгертілмелі жылдамдықты басқару, АЖ басқару, микро басқару, инверторлық басқару немесе басқару) – электр тогының жиілігін өзгерту арқылы жылдамдық пен айналу моментін басқаратын АЖ моторлық жетек (моторды қамтитын жүйе). Оның топологиясына байланысты, ол тиісті кернеудің немесе токтың өзгеруін басқарады. VFD-лер шағын тұрмыстық техникадан бастап үлкен компрессорларға дейін қолданылады. VFD-ді пайдаланатын жүйелер, мысалы, сорғылар мен желдеткіштерге арналған демпферлік басқаруы бар жүйелерде, гидравликалық жүйелерге қарағанда тиімдірек болуы мүмкін. 1980 жылдардан бері қуат электроникасы технологиясы VFD-нің құнын және көлемін азайтты, сондай-ақ жартылай өткізгіштердің коммутациялық құрылғылары, жетек топологиялары, модельдеу және басқару техникалары, сонымен қатар басқару аппараттық және бағдарламалық құралдары арқылы өнімділікті жақсартты. VFD-лер төмен және орта кернеулі АЖ-АЖ және АЖ-ТТ топологияларын қамтиды.

Тарих

Импульс енін модуляциялау (PWM) өзгермелі жиілікті жетектеу құрылғыларының жобалары 1960 жылдары Финляндиядағы Strömberg компаниясында басталды. Марти Хармойнен осы технологияның ойластырушысы деп есептеледі. Strömberg 1973 жылы PWM жетектеу құрылғысының идеясын Хельсинки метрополитеніне сата алды, ал 1982 жылы алғашқы PWM SAMI10 жетектеу құрылғысы қолданысқа енгізілді.

Жүйенің сипаттамасы және жұмыс істеуі

Өзгермелі жиілікті жетектегіш – келесі үш негізгі кіші жүйеден тұратын жетек жүйесінде қолданылатын құрылғы: айнымалы ток (АЖ) қозғалтқышы, негізгі жетек контроллері жиынтығы және жетек/оператор интерфейсі.

Оператордың интерфейсі

Оператор интерфейсі операторға қозғалтқышты іске қосу және тоқтату, сондай-ақ жұмыс жылдамдығын реттеуге мүмкіндік береді. VFD Modbus немесе басқа ұқсас интерфейс арқылы бағдарламаланатын логикалық контроллер арқылы да басқарылуы мүмкін. Қосымша оператор басқару функцияларына бағытты өзгерту және жылдамдықты қолмен реттеу мен сыртқы процесс басқару сигналынан автоматты басқару арасында ауысу кіруі мүмкін. Оператор интерфейсі көбінесе жетек қызметі туралы ақпарат беру үшін әріптік-сандық дисплейді немесе индикациялық шамдар мен өлшегіштерді қамтиды. VFD контроллерінің алдыңғы жағында көрсетілгендей, оператор интерфейсінің пернетақтасы мен дисплейлік блогы жиі орналастырылады. Пернетақта дисплейі көбінесе кабель арқылы қосылып, VFD контроллерінен шалғай орнатылуы мүмкін. Көбінесе батырмаларды, қосқыштарды және басқа оператор интерфейсі құрылғыларын немесе басқару сигналдарын қосу үшін кіріс және шығыс (I/O) терминалдары да қарастырылған. VFD-ні компьютер арқылы конфигурациялау, реттеу, бақылау және басқаруға мүмкіндік беретін серийлік байланыс порты да жиі қолжетімді болады.

Жылдамдықты басқару

VFD жылдамдығын басқарудың екі негізгі тәсілі бар: желілік немесе сымдық. Желілік тәсілде, Modbus, Modbus/TCP, EtherNet/IP сияқты байланыс протоколы арқылы немесе дисплейлік сериялық интерфейсті қолданатын пернетақта арқылы қажетті жылдамдық жіберіледі, ал сымдық тәсілде жылдамдық таза электрлік сигналдар арқылы беріледі. Сымдық байланысқа мысалдар: 4-20mA, 0-10VDC немесе 24VDC ішкі қуат көзін потенциометрмен пайдалану. Жылдамдықты қашықтан да, жергілікті түрде де басқаруға болады. Қашықтан басқару VFD-ге пернетақтадан келетін жылдамдық командаларын назарға алмауды бұйырады, ал жергілікті басқару VFD-ге сыртқы басқаруды елемеуге және тек пернетақта арқылы берілген командаларды орындауға нұсқау береді.

VFD бағдарламалау

Модельге байланысты, VFD-нің жұмыс параметрлерін арнайы бағдарламалық қамтамасыз ету, ішкі клавиатура, сыртқы клавиатура немесе SD карта арқылы бағдарламалауға болады. VFD-лер көбінесе жұмыс істеп тұрғанда көптеген бағдарламалық өзгерістерді шектейді. Әдетте орнатуды қажет ететін параметрлерге: қозғалтқыштың паспорттық деректері, жылдамдық анықтамасының көзі, қосу/өшіру басқаруының көзі және тоқтату басқаруы жатады. VFD-лерде ақау кодтары және кіріс сигналдарының күйі сияқты диагностикалық ақпаратты көрсету де жиі кездеседі.

Бастау және бағдарламалық жасақтаманың мінез-құлқы

Көптеген VFD автоматты іске қосылу мүмкіндігін ұсынады. Бұл қуат қосылғаннан кейін, немесе ақау жойылғаннан кейін, немесе авариялық тоқтату сигналы қалпына келтірілгеннен кейін (әдетте авариялық тоқтатулар төмен деңгейдегі логикамен жұмыс істейді) шығысты белгіленген жиілікке дейін жетеді. VFD-ді басқарудың кең таралған тәсілі – автоматты іске қосылуды қосу және L1, L2 және L3 сымдарын контакторға қосу. Контакторды қосу арқылы жетек іске қосылып, белгіленген жылдамдыққа шығады. Жетектің мүмкіндіктеріне байланысты, автоматты іске қосылудың әртүрлі мінез-құлқына қол жеткізуге болады, мысалы, жетек қуат көзі қосылғанда автоматты түрде іске қосылады, бірақ авариялық тоқтатудан кейін қайта орнату циклы орындалғанша автоматты түрде іске қосылмайды.

Қолжетімді номиналды қуаттар

VFD-лер кернеу және токтың номиналды көрсеткіштерімен кең ауқымды бір фазалы және көп фазалы айнымалы ток қозғалтқыштарын қамтиды. Төмен кернеулік (LV) жетектері 690 В-қа тең немесе одан кем шығыс кернеуінде жұмыс істеуге арналған. Моторды қолдануға арналған LV жетектері 5 немесе 6 МВт-қа дейінгі номиналды қуатта қол жетімді болса да, экономикалық тұрғыдан орташа кернеулік (MV) жетектері, олардың қуат деңгейі әлдеқайда төмен, көбінесе артық болады. Әртүрлі MV жетектерінің топологиясы (2-кестеге қараңыз) әртүрлі жетек контроллерінде қолданылатын кернеу/ток комбинациясының номиналды деңгейлеріне сәйкес конфигурацияланады, сондықтан кез келген берілген кернеу деңгейі келесі стандартты номиналды мотор кернеуінің бірінен жоғары немесе оған тең болады: әдетте 2 3/4.16 кВ (60 Гц) немесе 3 3/6.6 кВ (50 Гц), ал бір тиристор өндірушісі 12 кВ дейін коммутациялауға қабілетті. Кейбір жағдайларда LV жетегі мен MV мотор жүктемесі арасына көтеру трансформаторы орналастырылады. MV жетектері әдетте моторлық қолданыстар үшін қолданылады, бұл LV жетектеріне қарағанда айтарлықтай көп жобалау күшін қажет етеді. MV жетегінің қуат деңгейі әртүрлі рейтингтерге, өнімділікке, қуат сапасына және сенімділік талаптарына қарай әртүрлі жетек топологияларын қамтиды. Төмендегі 2 және 3-кестелерде әртүрлі AC-AC түрлендіргіш топологиялары көрсетілген. ^ Инвертордың коммутациялық құрылғысы (стандартты диодтық тіктелгішпен) ^^ Инвертор және тіктелгіштің коммутациялық құрылғысы ^^^ Айналмалы немесе сызықтық AFE Активті фронт-энд BLDM PM трапециялы машинасы (Brushless DC электр моторы) CME Ортақ режимді жою CHB Каскадты H көпірі CSI Ток көзі инверторы CSR Ток көзі тіктелгіші GCT Қақпа басқарылатын тиристор GTO Қақпаны өшіру тиристоры IGBT Оқшауланған қақпа биполярлы транзистор LCI Жүк коммутацияланған инвертор LV Төмен кернеу MV Орта кернеу NPC Нейтральдық нүктеге жабыстырылған PAM Импульстік амплитуда модуляциясы PM Тұрақты магнит PMSM Тұрақты магнит синхронды генераторы PWM Импульстік ендік модуляциясы SCR Кремний басқарылатын тіктелгіш SGCT Симметриялық қақпа басқарылатын тиристор SRM Қосылған релюкциялық мотор SyRM Синхронды релюкциялық машина VRM Айырмалы релюкциялық машина VSI Кернеу көзі инверторы VVI Айырмалы кернеу инверторы WFSM Оралған өріс синхронды машинасы WRIM Оралған роторлық индукциялық машинасы.

VFDs are available with voltage and current ratings covering a wide range of single phase and multi phase AC motors. Low voltage (LV) drives are designed to operate at output voltages equal to or less than 690 V. While motor application LV drives are available in ratings of up to the order of 5 or 6 MW, economic considerations typically favor medium voltage (MV) drives with much lower power ratings. Different MV drive topologies (see Table 2) are configured in accordance with the voltage/current combination ratings used in different drive controllers' switching devices such that any given voltage rating is greater than or equal to one to the following standard nominal motor voltage ratings: generally either 2 3/4.16 kV (60 Hz) or 3 3/6.6 kV (50 Hz), with one thyristor manufacturer rated for up to 12 kV switching. In some applications a step up transformer is placed between a LV drive and a MV motor load. MV drives are typically rated for motor applications greater than between about MV drives have historically required considerably more application design effort than required for LV drive applications. The power rating of MV drives can reach , a range of different drive topologies being involved for different rating, performance, power quality, and reliability requirements. In terms of various detailed AC AC converter topologies shown in Tables 2 and 3 below. ^ Inverter switching device (with std. diode rectifier) ^^ Inverter and rectifier switching device ^^^ Rotating or linear AFE Active front end BLDM PM trapezoid machine (Brushless DC electric motor) CME Common mode elimination CHB Cascaded H bridge CSI Current source inverter CSR Current source rectifier GCT Gate controlled thyristor GTO Gate turn off thyristor IGBT Insulated gate bipolar transistor LCI Load commutated inverter LV Low voltage MV Medium voltage NPC Neutral point clamped PAM Pulse amplitude modulation PM Permanent magnet PMSM Permanent magnet synchronous generator PWM Pulse width modulation SCR Silicon controlled rectifier SGCT Symmetrical gate controlled thyristor SRM Switched reluctance motor SyRM Synchronous reluctance machine VRM Variable reluctance machine VSI Voltage source inverter VVI Variable voltage inverter WFSM Wound field synchronous machine WRIM Wound rotor induction motor

АЖ желісінің гармоникалары

Түсіндірме: PWM шығысындағы гармоникалар қозғалтқыш жүктемесіне дерлік синусоидтық токтарды жеткізу үшін тасымалдаушы жиілігіне байланысты сүзгі индуктивтілігі арқылы оңай сүзіледі. Алайда, VFD және басқа сызықтық емес жүктемелердің жалпы жүктемеге немесе айнымалы ток желісіндегі қаттылыққа қатысты үлесі жеткілікті болса, онда жүктеме сол желідегі басқа электрмен жабдықтау компаниясының тұтынушыларына қол жетімді айнымалы ток толқынының пішініне теріс әсер етуі мүмкін. Электр энергиясының кернеуі гармоникалар салдарынан бұрмаланғанда, басқа жүктемелердегі, мысалы, стандартты жылдамдықты айнымалы ток қозғалтқыштарындағы жоғалтулар артады. Бұл жағдай қызып кетуге және қызмет ету мерзімінің қысқаруына әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, трансформаторлар мен компенсациялық конденсаторлар да теріс әсерге ұшырайды. Атап айтқанда, конденсаторлар гармоникалық деңгейлерді қабылдауға болмайтын деңгейге дейін арттыратын резонанстық жағдайларды тудыруы мүмкін. Кернеудің бұрмалануын шектеу үшін VFD жүктемесінің иелері гармоникалық бұрмалауды қабылданатын шектерден төмендету үшін сүзгілеу жабдықтарын орнатуға міндетті болуы мүмкін. Әлтернативті түрде, электрмен жабдықтау компаниясы көптеген VFD құрылғылары қолданылатын қосалқы станцияларда өз фильтрлеу жабдықтарын орнату арқылы шешім қабылдауы мүмкін. Жоғары қуатты орналымдарда гармоникалық бұрмалауды бірнеше фазалық ығысқан орамдары бар трансформаторлардан көп импульсті түзеткіш көпірлі VFD-лерді қоректендіру арқылы азайтуға болады. Сондай-ақ, стандартты диодты түзеткіш көпірді стандартты инверторды имитациялайтын екі бағытты IGBT қосқыш құрылғысы көпірімен алмастыруға болады, ол IGBT қосқыш құрылғысының моторға шығысын пайдаланады. Мұндай түзеткіштер әртүрлі атаулармен белгіленеді, соның ішінде белсенді қоректендіру түрлендіргіші (AIC), белсенді түзеткіш, IGBT қоректендіру блогы (ISU), белсенді фронт-энд (AFE) немесе төрт квадрантты режим. PWM басқаруымен және сәйкес кіріс реакторымен AFE-нің айнымалы ток желісі тогының пішіні дерлік синусоидты болуы мүмкін. AFE энергияны төрт квадрантты режимде тұрақты токтан айнымалы ток желісіне қайта жаңартады. Осылайша, тежегіш кедергісі қажет емес және жетек қозғалтқышты жиі тежеуге қажет болса, оның тиімділігі артады. Басқа екі гармоникаларды азайту әдісі пассивті немесе белсенді сүзгілерді кемінде бір VFD тармақтық жүктемесі бар жалпы шинаға қосуды пайдаланады. Пассивті сүзгілер бір немесе бірнеше төмен өткізгіш LC сүзгі тұзақтарын жобалауды қамтиды, әр тұзақ қажет болған жағдайда гармоникалық жиілікке (5-ші, 7-ші, 11-ші, 13-шы, . kq+/ 1, мұнда k=толық сан, q=түзеткіштің импульс саны) реттеледі. Электрмен жабдықтау компаниялары немесе олардың клиенттері үшін IEC немесе IEEE стандарттарына негізделген гармоникалық бұрмалау шектерін белгілеу кең таралған практика. Мысалы, IEEE 519 стандарты тұтынушының қосылу нүктесіндегі шектеулерде ең жоғары жеке жиілікті кернеу гармоникасы негізгі кернеудің 3% -дан аспауын және кернеудің жалпы гармоникалық бұрмалануының (THD) жалпы айнымалы ток электрмен жабдықтау жүйесі үшін 5% -дан аспауын талап етеді.

Note of clarification:. While harmonics in the PWM output can easily be filtered by carrier frequency related filter inductance to supply near sinusoidal currents to the motor load, However, when the proportion of VFD and other non linear load compared to total load or of non linear load compared to the stiffness at the AC power supply, or both, is relatively large enough, the load can have a negative impact on the AC power waveform available to other power company customers in the same grid. When the power company's voltage becomes distorted due to harmonics, losses in other loads such as normal fixed speed AC motors are increased. This condition may lead to overheating and shorter operating life. Also, substation transformers and compensation capacitors are affected negatively. In particular, capacitors can cause resonance conditions that can unacceptably magnify harmonic levels. To limit the voltage distortion, owners of VFD load may be required to install filtering equipment to reduce harmonic distortion below acceptable limits. Alternatively, the utility may adopt a solution by installing filtering equipment of its own at substations affected by the large amount of VFD equipment being used. In high power installations, harmonic distortion can be reduced by supplying multi pulse rectifier bridge VFDs from transformers with multiple phase shifted windings. It is also possible to replace the standard diode bridge rectifier with a bi directional IGBT switching device bridge mirroring the standard inverter which uses IGBT switching device output to the motor. Such rectifiers are referred to by various designations including active infeed converter (AIC), active rectifier, IGBT supply unit (ISU), active front end (AFE), or four quadrant operation. With PWM control and a suitable input reactor, an AFE's AC line current waveform can be nearly sinusoidal. AFE inherently regenerates energy in four quadrant mode from the DC side to the AC grid. Thus, no braking resistor is needed, and the efficiency of the drive is improved if the drive is frequently required to brake the motor. Two other harmonics mitigation techniques exploit use of passive or active filters connected to a common bus with at least one VFD branch load on the bus. Passive filters involve the design of one or more low pass LC filter traps, each trap being tuned as required to a harmonic frequency (5th, 7th, 11th, 13th, . kq+/ 1, where k=integer, q=pulse number of converter). It is very common practice for power companies or their customers to impose harmonic distortion limits based on IEC or IEEE standards. For example, IEEE Standard 519 limits at the customer's connection point call for the maximum individual frequency voltage harmonic to be no more than 3% of the fundamental and call for the voltage total harmonic distortion (THD) to be no more than 5% for a general AC power supply system.

Қалқымды ауыстырып қайтару

Бір диск 4 кГц әдепкі ауыстырып қосу жиілігін қолданады. Дисктің ауыстырып қосу жиілігін (тасымалдаушы жиілікті) төмендету IGBT-лерде пайда болатын жылуды азайтады. PWM ауыстыру интервалдарын орнату үшін қажетті шығыс жиілігінен кемінде он есе жоғары тасымалдаушы жиілік қолданылады. 2000-16000 Гц диапазондағы тасымалдаушы жиілік LV [төмен кернеу, 600 Вольттан төмен AC] жиілікті түрлендіргіштері үшін кең таралған. Жоғары тасымалдаушы жиілік синустық толқынға жақынрақ жуықтауды қамтамасыз етеді, бірақ IGBT-дегі қуаттық жоғалтуларды арттырады, соның салдарынан жалпы қуат түрлендіру тиімділігі төмендейді.

Шуды тегістеу

Кейбір дисктерде шуды тегістейтін мүмкіндік бар, оны қосу арқылы ауысу жиілігіне кездейсоқ өзгеріс енгізуге болады. Бұл акустикалық шуды жиіліктер диапазоны бойынша таратып, ең жоғары шу деңгейін төмендетеді.

Ұзақ мерзімді әсерлер

PWM VFD-нің тасымалдаушы жиілік импульстік шығыс кернеуі осы импульстердің жылдам өсу уақытын тудырады, оның беріліс желісіне тигізетін әсерін ескеру қажет. Кабель мен мотордың беріліс желісінің кедергісі әртүрлі болғандықтан, импульстер мотордың қосылғыштарынан кабельге кері шағылысады. Осы шағылыстар нәтижесінде DC шинасы кернеуінің екі есесіне тең немесе ұзын кабельдерде номиналды желі кернеуінің 3,1 есесіне дейін жететін артық кернеу пайда болады, бұл кабель мен мотор орамаларына үлкен жүктеме түсіріп, оқшаулаудың бұзылуына әкелуі мүмкін. 230 В немесе одан төмен номиналды үш фазалық моторлардың оқшаулау стандарттары мұндай ұзын жетектердегі артық кернеуге қарсы жеткілікті қорғауды қамтамасыз етеді. 460 В немесе 575 В жүйелерде және 3-ші буын 0,1 микросекунд көтерілу уақыты бар IGBT-лерде VFD мен мотор арасындағы ең ұсынылатын кабель ұзындығы шамамен 50 м немесе 150 фут құрайды. SiC MOSFET-пен қуатталатын жаңа драйвтерде кабель ұзындығы 3 метрден де аз болғанда елеулі артық кернеулер байқалды. Ұзын жетектерден туындаған артық кернеуді жою үшін кабель ұзындығын қысқарту, тасымалдаушы жиілікті төмендету, dV/dt сүзгілерін орнату, инверторлық режимде жұмыс істейтін моторларды қолдану (0,1 микросекундтан кем немесе тең көтерілу уақыты бар, 1600 В дейін жететін импульстік жүктемелерге төтеп бере алатын, 600 В номиналды кернеуі бар), сондай-ақ LCR төмен өткізгіштік синусоидалық сүзгілерді орнату шаралары қарастырылады. AC драйвтері үшін оптималды PWM тасымалдаушы жиілігін таңдау кезінде шу, жылу, мотор оқшаулауына түсетін жүктеме, ортақ режимдегі кернеуден туындаған мотор подшипнигінің тоқ зақымдануы, мотордың жұмысының тегіс болуы және басқа да факторларды ескеру қажет. LCR төмен өткізгіштік синусоидалық сүзгіні немесе dV/dt сүзгісін пайдалану арқылы гармоникаларды одан әрі әлсіретуге болады.

Қозғалтқыш төсегіштік токтары

5 кГц-тен жоғары жиілікті тасымалдаушы жиіліктер, егер тиісті қорғау шаралары қолданылмаса, подшипниктердің зақымдануына әкелуі мүмкін. PWM жетектері жоғары жиілікті ортақ режимдегі кернеулермен және токтармен байланысты, бұл моторының подшипниктерінде проблема тудыруы мүмкін. Бұл жоғары жиілікті кернеулер подшипник арқылы жерге жол тапқанда, подшипник доңғалағы мен подшипник сақинасы арасында металлдың ауысуы немесе электрлік разрядпен кесу (EDM) ұшқыны пайда болады. Уақыт өте келе, EDM ұшқыны подшипник сақинасында эрозияға алып келеді, ол флютинг үлгісі ретінде көрінеді. Ірі моторларда орамалардың таралымды сыйымдылығы мотор білігінің соңынан өтетін жоғары жиілікті тоқтарға арналар жасап, айналмалы подшипник тогына әкеледі. Мотор статорларының нашар жерге қосылуы білік-жерге подшипник тогына себеп болуы мүмкін. Нашар жерге қосылған жетекті жабдықтары бар кіші моторлар жоғары жиілікті подшипник тогына осал. Жоғары жиілікті подшипник тогынан зақымдануды болдырмау үшін үш тәсіл қолданылады: дұрыс кабельдік және жерге қосу шаралары, подшипник тогын тоқтату және ортақ режимдегі токтарды сүзу немесе ортақ режимдегі тұншықтыру арқылы демпферлеу. Дұрыс кабельдік және жерге қосу шараларына моторды қуатпен жабдықтау үшін қалқандалған, симметриялы геометриялы қуат кабелін пайдалану, білікке жерге қосу щеткаларын орнату және өткізгіш подшипник майын қолдану кіруі мүмкін. Подшипник тогын оқшауланған подшипниктерді орнату және арнайы жасалған электростатикалық қалқандалған индукциялық моторларды пайдалану арқылы тоқтатуға болады. Жоғары жиілікті подшипник тогын сүзу және демпферлеу үшін үш фазаға жұмсақ магниттік өзектерді енгізу арқылы жүзеге асырылуы мүмкін, бұл ортақ режимдегі немесе мотор подшипниктерінің тогына қарсы жоғары жиілікті кедергі тудырады. Тағы бір тәсіл – стандартты 2 деңгейлі инверторлардың орнына 3 деңгейлі инверторларды немесе матрицалық түрлендіргіштерді пайдалану.

Динамикалық тежеу

Двигательден туындайтын айналу моменті индукциялық қозғалтқышты синхрондық жылдамдықтан тайғанақты азайтып жұмыс істеуге мәжбүр етеді. Егер жүктеме қозғалтқышты синхрондық жылдамдықтан артық жылдамдықпен айналдырса, қозғалтқыш генератор ретінде жұмыс істейді, механикалық қуатты электр қуатына түрлендіреді. Бұл қуат жетектегі DC байланыс тізбегіне (конденсатор немесе реактор) қайтарылады. DC тізбегіне қосылған электрондық қуат коммутаторы немесе тежегіш DC түрлендіргіші осы қуаттың резисторлар жиынтығында жылу ретінде таралуын басқарады. Резисторлардың қызып кетуіне жол бермеу үшін салқындатқыш желдеткіштер қолданылуы мүмкін.