Elektronický regulátor otáček je zařízení pro řízení rychlosti a točivého momentu o elektromotor s střídavého proudu změnou frekvence proudu, v tomto pořadí, na výstup z nich.
Jejich aplikace se pohybují od menších až po větší motory, například ty, které používají vrtačky . Zatímco přibližně čtvrtina světové spotřeby elektřiny pochází z elektrických motorů používaných v průmyslu, pohony s proměnnými otáčkami stále nejsou široce používány, přestože umožňují výrazné snížení spotřeby energie.
Pokrok v oblasti výkonové elektroniky snížil za poslední čtyři desetiletí náklady a velikost pohonů s proměnnými otáčkami. Týkaly se jak použitých polovodičových spínačů, tak topologie, metod používaných při řízení a simulaci, jakož i hardwaru a softwaru použitého pro řízení.
Pohony s proměnnou rychlostí mohou být buď nízké nebo střední napětí. Některé fungují jako střídače , jiné jako usměrňovač / střídač.
Pohon s proměnnými otáčkami se skládá z: střídavého elektrického motoru, ovladače, uživatelského rozhraní. Je součástí vzdělávacího systému.
Střídavé elektromotory používané v pohonech s proměnnými otáčkami jsou převážně třífázové asynchronní motory . Je také možné použít jednofázové motory, ale případ je vzácnější. Tyto synchronní motory mají výhody v určitých situacích, ale ty asynchronní jsou obecně levnější a vhodné pro většinu použití. Motory v pohonech s proměnnými otáčkami jsou často konstruovány tak, aby měly pevnou provozní rychlost. Přepětí způsobená pohony s proměnnými otáčkami činí pro motor vhodnou konstrukci. Mezinárodní normy popisují omezení, která je třeba dodržovat.
Regulátor pohonu s proměnnými otáčkami je polovodičová výkonová elektronika. Často se skládá z usměrňovače, meziobvodu stejnosměrného napětí. V prvním případě převádějí střídavé napětí elektrické sítě na výstupní napětí, které se také střídá s fází a amplitudou požadovanou pro elektromotor. Nejběžnější jsou měniče napětí s proměnnou rychlostí. V případě, že je k dispozici stejnosměrné napětí, jsou pohony s proměnnými otáčkami složeny pouze z měniče. Usměrňovače jsou obecně třífázové, šestipulzní, plně vlnové diodové (nebo Graetzovy) můstky . V případě měniče fungujícího jako zdroj napětí se meziobvod skládá z kondenzátoru namontovaného jako bočník, který slouží jak k vyhlazení napětí, tak k vyrovnávací paměti mezi dvěma zdroji napětí, kterými jsou usměrňovač a invertor. Stejnosměrné napětí je tedy na vstupu střídače konstantní. Tím se transformuje na sinusové napětí pro napájení motoru. Střídače zdroje napětí mají vyšší účiník a poskytují napětí s méně harmonickými než střídače zdroje proudu (další podrobnosti viz níže v části Obecné topologie). Je také možné mít regulátor pracující jako fázový měnič, pouze s jednou fází na vstupu a třemi fázemi na výstupu.
Polovodičové komponenty dosáhly za posledních padesát let významného pokroku. Jejich přípustné napětí, proud a spínací frekvence se značně zvýšily. Například příchod na trh IGBT v roce 1983 znamenal důležitý vývoj. Prosadili se jako nejpoužívanější polovodičové komponenty pro střídače spojené s frekvenčními měniči. Řadiči tento pokrok využili.
Strategie veleníExistují různé strategie řízení. Nejjednodušší je skalární řízení, spočívá v udržování konstantního poměru napětí a frekvence (U / Hz) na svorkách motoru. Jinými slovy, magnetický tok v motoru je konstantní. Na druhé straně pár není. Přestože je skalární ovládání dostatečné pro mnoho aplikací, má celkově špatný výkon. Nízká rychlost, dynamické operace vyžadující přesné umístění v opačném směru atd. Nejsou dobře podporovány. Varianty skalárního řízení používají poměr napětí a frekvence závislý na situaci. Další dvě rodiny použitých strategií řízení jsou vektorové řízení a přímé řízení točivého momentu . Na základě základních změn a maticových výpočtů prováděných na proudech a napětích umožňují přesnou regulaci toku i točivého momentu elektromotorů. Jsou složitější, ale nabízejí vynikající výkon.
ModulaceTři výše uvedené strategie řízení dodávají do střídače podle potřeby napětí nebo proud. Modulace pak umožňuje realizovat tento pokyn dodávat motor. Modulace šířky pulzu (PWM) je nejběžnější způsob. Může používat různé algoritmy. Metoda prostorových vektorů se postupně prosazuje nad starší intersektivní metodou. Druhý obrázek ilustruje druhou metodu. Spočívá ve srovnání modulantu (signálu, který má být syntetizován) s obecně trojúhelníkovou nosnou . Pokud je modulant větší než nosná, je výstupní signál roven 1, jinak 0; výstupní signál proto mění stav na každém průsečíku modulantu a nosné.
Překročená rychlostAsynchronní motory a vinuté synchronní motory mohou pracovat při rychlosti vyšší, než je jejich jmenovitá rychlost, nazývaná „překročení rychlosti“ , snížením jejich magnetického toku. Jelikož nesmí být překročen jmenovitý výkon, musí se potom točivý moment snížit v obráceném poměru k otáčkám. Synchronní motory s permanentními magnety mají pouze omezené možnosti překročení rychlosti, protože tok vytvářený magnetem je konstantní. U asynchronních motorů je překročení jmenovitého výkonu obecně omezeno na 130 nebo dokonce 150% jmenovitých otáček. Nižší odtrhovací moment brání dalšímu pohybu . Synchronní vinuté motory lze provozovat při vyšších rychlostech. Například ve válcovnách jsou běžné rychlosti 200 až 300%. Maximální rychlost je určena mechanickým odporem rotoru.
Řadič má integrovaný procesor pro provádění potřebných výpočtů. Jeho pokyny nejsou uživateli přímo přístupné. Na druhé straně může tento implementovat proměnné, displeje a bloková schémata potřebná pro ovládání, ochranu a pozorování motoru.
Regulátory jsou naprogramovány tak, aby bylo možné zohlednit přítomnost různých volitelných prvků ve frekvenčním měniči. Například (klasifikováno podle jejich polohy v obvodu):
Uživatelské rozhraní mu umožňuje spouštět a zastavovat motor a také upravovat rychlost. Může také zahrnovat provoz motoru v opačném směru, volič pro výběr mezi ručním nebo automatickým ovládáním rychlosti, místně nebo dálkově. Rozhraní má displej poskytující informace o stavu motoru. Klávesy umožňují uživateli komunikovat s rozhraním. Porty, vstupní nebo výstupní, jsou často poskytovány pro připojení dalších periferií, signálů ... Port, například sériový , se používá ke konfiguraci řadiče z počítače.
Asynchronní motory mohou pracovat čtyřmi různými způsoby, které se nazývají kvadranty a jsou definovány následovně:
Frekvenční měniče mohou být v závislosti na konkrétním případě konstruovány tak, aby umožňovaly provoz v jednom, dvou nebo čtyřech kvadrantech. V prvním případě je spravován pouze kvadrant 1. Brzdění je možné pouze přidáním rezistoru absorbujícího proud generovaný motorem. Brzdění není ovládáno. Tento druh provozu využívají ventilátory nebo odstředivá čerpadla. Pokud jsou řízeny kvadranty 1 a 2, může motor zrychlit a zabrzdit obrácením směru otáčení. Pokud jsou řízeny kvadranty 1 a 4, motor může zrychlit a zabrzdit dopředu. Čtyři kvadrantová zařízení zvládají všechny možné případy.
Aby se předešlo velkým zapínacím proudům při spouštění motorů, měniče kmitočtu nejprve aplikují na motor nízkou frekvenci a nízké napětí. Poté se postupně zvyšují. Metody spouštění typicky umožňují, aby motor vyvinul 150% svého jmenovitého točivého momentu při současném omezení proudu na 50% své jmenovité hodnoty při nízkých otáčkách. Frekvenční měnič lze také nakonfigurovat tak, aby produkoval točivý moment 150% jeho jmenovitých otáček od nulových otáček po jmenovité otáčky. Tato konfigurace má však tendenci zahřívat motor, pokud se prodlouží doba nízkých otáček. Přidáním ventilátorů je možné odvádět vyrobené teplo.
Zastavovací sekvence motoru s frekvenčním měničem je opakem spouštěcí sekvence. Frekvence a napětí se postupně snižují. Když se frekvence blíží nule, motor se zastaví. Poté se použije nízký brzdný moment, takže motor přestane rychleji dojíždět. Brzdění může zrychlit externí brzdový systém. Skládá se z tranzistorů a odporů, rozptyluje energii obsaženou v obvodu. Čtyřkvadrantové frekvenční měniče mohou také brzdit motor zasíláním energie do elektrické sítě.
Spotřebu energie mnoha motorů s pevnými otáčkami připojených přímo k síti lze snížit použitím pohonu s proměnnými otáčkami. Zisk je zvláště zajímavý v případě ventilátorů nebo odstředivých čerpadel pracujících s proměnným točivým momentem. V tomto případě je točivý moment a výkon skutečně úměrné druhé mocnině a krychli rychlosti.
Odhaduje se, že ve Spojených státech se 60 až 65% elektrické energie používá k pohonu motorů, z nichž 75% jsou motory s proměnným momentem. Použitím méně energeticky náročných technik, jako jsou pohony s proměnnými otáčkami, lze snížit spotřebu energie u těchto 40 milionů točivých strojů přibližně o 18%.
Pouze 3% instalovaných elektromotorů má variátor otáček. U nových instalací tento podíl stoupá na 40%.
Potenciální zisk pro všechny elektromotory na světě je uveden níže:
Malá velikost | Průměrná výška | Velká velikost | |
---|---|---|---|
Napájení | 10 W - 750 W | 0,75 kW - 375 kW | 375 kW - 10 000 kW |
Napětí | jednofázové, <240 V | třífázové, 200 V - 1 kV | třífázový, 1 kV - 20 kV |
Procento celkové spotřebované energie | 9% | 68% | 23% |
Celkový počet | 2 miliardy | 230 milionů | 0,6 milionu |
Pohon s proměnnými otáčkami zlepšuje výkon motorů tak, aby vyhovovaly potřebám průmyslu nebo uživatelů. Parametry, které mají být spravovány, jsou: zrychlení, rychlost, teplota, napětí, průtok, proud a točivý moment.
Motory s pevným zatížením podléhají spouštěcím proudům až osmkrát vyšším než jejich jmenovitý proud. Pohony s proměnnými otáčkami omezují tento vrchol postupným zrychlováním motoru. To omezuje elektrická a mechanická napětí, kterým je rotující stroj vystaven, a proto se prodlužuje jeho potřeba údržby a oprav, jeho životnost. K optimalizaci tohoto aspektu lze zavést konkrétní strategie.
Stejnosměrné motory jsou již dlouho jediným řešením k dosažení vysokého výkonu. Například v případě snížené rychlosti, čtyřkvadrantového provozu, častého zrychlování a zpomalování, stejně jako úrovně ochrany motoru, pokud se nachází v nebezpečné oblasti. Zavedení vektorové regulace a přímé regulace točivého momentu to však změnilo. Následující tabulka shrnuje hlavní vlastnosti různých řešení, jedná se o typické hodnoty:
Proud | Trvalý proud | Střídavý proud | Střídavý proud | Střídavý proud | Střídavý proud |
---|---|---|---|---|---|
Typ příkazu | Přepínač | Řízení U / Hz | Vektorové ovládání | Vektorové ovládání | Vektorové ovládání |
Smyčka | Uzavřená smyčka | Otevřená smyčka | Otevřená smyčka | Uzavřená smyčka | Otevřená smyčka s vysokofrekvenčním vstřikováním |
Motor | Trvalý proud | Asynchronní | Asynchronní | Asynchronní | Synchronní permanentní magnet |
Přesnost rychlosti (%) | 0,01 | 1 | 0,5 | 0,01 | 0,02 |
Konstantní rozsah otáček točivého momentu (%) | 0-100 | 10-100 | 3-100 | 0-100 | 0-100 |
Minimální otáčky při jmenovitém momentu | Stop | 8% | 2% | Stop | Zastavit (200%) |
Doporučuje se provoz s více motory | Ne | Ano | Ne | Ne | Ne |
Typ ochrany | Pouze pojistky | Vlastní | Vlastní | Vlastní | Vlastní |
Údržba | Kartáče, které mají být vyměněny | Nízký | Nízký | Nízký | Nízký |
Senzor zpětnovazební smyčky | Otáčkoměr nebo kodér | / | / | Kodér | / |
Pohony s proměnnou rychlostí lze klasifikovat podle jejich topologie, tj. Vztahů mezi jejich různými prvky
Střídače jako zdroj napětí (viz opačně) přímé napětí vycházející z můstku usměrňovače je vyhlazeno pomocí kondenzátoru. Střídač obvykle používá na napětí pulzní šířkovou modulaci. Střídače jako zdroj proudu (viz opak) stejnosměrný proud opouštějící můstek usměrňovače je vyhlazován pomocí cívky. Střídač používá buď modulaci šířky impulzu na proudu, nebo šestistupňový převodník. Šestistupňový převodník (viz opak) Globálně zastaralé šestikrokové převodníky lze použít jako zdroj napětí nebo proudu. Někdy mluvíme o střídačích s proměnným napětím nebo střídačem s modulací amplitudy (PAM), frekvenčních měničů nebo měničů stejnosměrného střídače . Stejnosměrné napětí vycházející z usměrňovače je vyhlazeno kondenzátorem, cívky jsou také zapojeny do série. Meziobvod je připojen k invertorovým Darlingtonovým tranzistorům nebo kvazi-sinusovým IGBT, které fungují buď jako zdroj napětí, nebo jako zdroj proudu. Střídače zdroje proudu se zátěží střídač pracuje jako zdroj proudu a místo regulovatelných spínačů ostatních střídačů používá jako zdroj proudu tyristory . Spínání tyristorů je zajištěno zátěží. Tento obvod je připojen k přebuzenému synchronnímu stroji. Maticový převodník nebo cyklokonvertor (viz opak) jsou to převodníky AC / AC, které nemají meziobvod. Chová se jako třífázový zdroj proudu a používá tři třífázové můstky tyristorů, nebo IGBT v případě maticových převodníků, připojených antiparalelně. Každá fáze mopedu převádí napětí na frekvenci sítě na napětí s proměnnou frekvencí. U dvojnásobně napájeného elektrického stroje invertor odebírá energii z rotoru a odesílá ji zpět do AC sítě. Skluz se zvyšuje. Otáčky motoru jsou řízeny stejnosměrným proudem.Většina frekvenčních měničů používá jednu z následujících tří metod řízení:
Pohony s proměnnými otáčkami se také vyznačují typem zátěže, ke které jsou připojeny:
Pohony s proměnnými otáčkami mohou používat jmenovité napětí a proudy velmi různých velikostí. Mohou být jednofázové nebo třífázové. Frekvenční měniče s nízkým napětím tedy mají výstupní napětí 690 V nebo méně a výkon až 6 MW . Z ekonomických důvodů se však upřednostňují měniče se středním napětím s proměnnou rychlostí a mnohem nižším výkonem. Topologie závisí na napětí a výkonu. Výstupní napětí je definováno IGBT, které mají obvykle jmenovité napětí 2,3 kV nebo 3,3 kV . Výrobce polovodičů také nabízí tyristory se jmenovitým napětím 12 kV . V některých případech je transformátor umístěn mezi pohonem s nízkým napětím s proměnnou rychlostí a motorem se středním napětím. Ty mají obvykle výkon mezi 375 kW a 750 kW . Historicky vyžadovaly mnohem více konstrukčních prací než nízkonapěťové motory. Některé modely mají výkon 100 MW .
Pohony s proměnnou rychlostí lze klasifikovat dvěma způsoby:
Dvouúrovňový střídač
Tříúrovňový střídač s diodovým upínáním
Víceúrovňový střídač s kaskádovým H-můstkem
Čtyřúrovňový invertor s Flying Capacitor
UPS s diodovým upínáním a H-můstkem
Poznámka: aby se zabránilo přetížení článku, zde se řeší pouze harmonické kmitočty produkované zdroji napětí pomocí pulzní šířkové modulace.
Vzhledem k tomu, že modulace šířky impulzů funguje na principu „všechno nebo nic“, vytváří v proudu harmonické odcházející na úrovni měniče, ale také na úrovni usměrňovače. Do střídače lze snadno instalovat filtry, které napájí motor sinusovým proudem. Pokud má frekvenční měnič nízké zatížení ve srovnání s velikostí elektrické sítě, jsou účinky harmonických přiváděných do sítě přijatelné. Kromě toho harmonické kmity způsobené některými jednofázovými elektrickými zařízeními, jako jsou počítače nebo televizory, částečně kompenzují harmonické kmity způsobené třífázovými usměrňovači, přičemž jejich pátá a sedmá harmonická jsou ve fázové opozici. Když se však zatížení frekvenčních měničů příliš zvýší, harmonické kmity, které vytvářejí, významně narušují tvar vlny elektrické sítě, což má důsledky pro kvalitu elektřiny dodávané ostatním uživatelům sítě. Mezi platné IEC a IEEE standardy nastaveny limity. U posledně jmenovaného standard 519 stanoví, že žádná harmonická nesmí překročit 3% hodnoty základního proudu , zatímco míra harmonického zkreslení nesmí překročit 5%.
Kvůli vířivým proudům mají tyto harmonické během celé své životnosti negativní účinky na elektrické ztráty elektrických součástí, například elektrických transformátorů , kondenzátorových baterií nebo motorů. Navíc kapacity přítomné v síti mohou zesílit určité harmonické na nepřijatelnou úroveň. Ze všech těchto důvodů může být od uživatelů pohonů s proměnnými otáčkami vyžadováno, aby instalovali filtry na straně usměrňovače svým dodavatelem elektřiny, aby se snížilo množství harmonických. Někdy jsou filtry instalovány v rozvodně, což umožňuje centralizovanou správu harmonických vytvářených velkým počtem komponent. Řešení může být také použití spojení hvězda-trojúhelník nebo hvězda-cikcak v transformátorech , zejména u instalací s vysokým výkonem.
Je také možné nahradit diodový můstkový usměrňovač za ten, který používá obousměrné IGBT, jako v měniči. Usměrňovač je pak čtyři kvadranty. V kombinaci s vhodnou vstupní cívkou pak proud na straně sítě obsahuje několik harmonických. Výhodou této sestavy je také to, že brzdný odpor je nadbytečný, usměrňovač je schopen vracet energii do sítě. To zvyšuje jeho účinnost, pokud se motor často zastaví.
Lze také použít pasivní nebo aktivní filtry. V prvním případě se LC filtry používají k vyřazení různých frekvencí odpovídajících různým harmonickým produkovaným převodníkem.
Přenosové vedení připojení měniče k motoru není neutrální pro tento systém. Impedance druhého se liší od impedance motoru, takže na vstupu motoru je jev odrazu. Konkrétně se může objevit přepětí až dvojnásobku stejnosměrného napětí meziobvodu, tj. 3,1násobku jmenovitého napětí vedení. Mohlo by dojít k poškození izolace vedení motoru a vinutí. Obvykle mají takové rozměry, aby vydržely takové namáhání. Z tohoto důvodu musí být délka přenosového vedení omezena. Řešení problému je snížení frekvence, instalace dV / dt nebo low-pass filtru a použití vhodných motorů. Je však třeba poznamenat, že snížení frekvence pod 6 kHz vede k významnému zvýšení šumu. Volba frekvence je výsledkem kompromisu mezi hlukem, topením, dielektrickým napětím, proudem ložiska motoru, pravidelností a dalšími faktory.
Pulzní šířková modulace systematicky vytváří vysokofrekvenční společné napětí a proud, které poškozují vinutí motoru. Pokud tyto proudy skutečně najdou vodivou cestu skrz vinutí, nastane jev elektroeroze , který je opotřebuje. U velkých motorů je tato cesta zajištěna parazitními kapacitami vinutí. Nesprávné uzemnění statoru motoru může vést ke vzniku proudu z rotoru na zem. K tomuto jevu jsou také náchylné malé, špatně uzemněné motory.
Existují tři typy řešení: lepší kabel a lepší uzemnění, zrušení proudů ve vinutí, filtrování a útlum proudů v běžném režimu. První řešení lze implementovat pomocí stíněných nebo symetrických geometrických kabelů k napájení motoru, instalací kartáčů k uzemnění rotoru nebo pomocí vodivého maziva k mazání ložisek. Proudy lze zrušit pomocí ložisek z izolačních materiálů nebo pomocí elektrostaticky stíněných motorů. Použití tříúrovňového střídače nebo maticového převodníku místo dvouúrovňových střídačů také umožňuje omezit proudy v běžném režimu.
Kromě toho mohou tyto vysokofrekvenční proudy interferovat s jinými signály v instalaci. I když je stíněné, je vhodné udržovat kabely pro přenos výkonu měniče rychlosti alespoň 50 cm od kabelů pro přenos signálu.
Asynchronní motory běží rychlostí sítě bez jejich skluzu. Když se používají jako generátor, jejich rychlost je rychlost sítě plus jejich skluzu. Vyrobená energie může být rozptýlena v rezistoru nebo pomocí brzdného střídače. V tomto případě musí být pro odpory použit chladicí systém.
Tuto brzdnou techniku lze použít ve všech provozních otáčkách motoru (jak ke zpomalení nákladu, tak k jeho zastavení) a ve všech aplikacích (jak zátěže s kinetickou energií, tak zátěže s potenciální energií, jako jsou zátěže a klesající dopravníky).
Aby se zabránilo ztrátě energie způsobené rozptylem tepla, je možné vrátit energii do elektrické sítě. Poté je nutné použít dražší čtyřkvadrantový převodník.
Čtyři kvadrantové usměrňovače mají schopnost rekuperovat energii z brzdění motorem a přenášet ji do sítě.
Cyklokonvertory, Scherbius, maticové obvody a zdroje proudu mají inherentní schopnost vracet energii ze zátěže do vedení, zatímco invertory zdroje napětí k tomu potřebují další převodník.
Vzhledem k tomu, že náklady na tento dodatečný měnič jsou vysoké, je nutné, aby náklady na rekuperovanou energii byly dostatečně vysoké, nebo aby motor musel často startovat a zastavovat, aby to ospravedlnil. Je rovněž oprávněné, pokud je požadována regulace rychlosti brzdění, například u jeřábu.