Μετατροπείς συχνότητας (VFD) είναι απαραίτητα εξαρτήματα στα συστήματα ελέγχου κινητήρων, που χρησιμοποιούνται ευρέως για τη ρύθμιση της ταχύτητας, της ροπής και της λειτουργίας των ηλεκτρικών κινητήρων. Η κατανόηση της ταξινόμησης των VFD είναι σημαντική για την επιλογή του σωστού συστήματος με βάση την απόδοση, την αποδοτικότητα και τις απαιτήσεις εφαρμογής. Σε αυτήν την ανάρτηση ιστολογίου, θα αναλύσουμε τους διαφορετικούς τύπους VFD και τα μοναδικά χαρακτηριστικά τους, βοηθώντας σας να λάβετε μια τεκμηριωμένη απόφαση όταν επιλέγετε την καλύτερη λύση για τις ανάγκες ελέγχου κινητήρα σας.

1. Ταξινόμηση των VFD με τη μέθοδο μετατροπής συχνότητας

(1) AC-DC-AC VFD

Ο VFD AC-DC-AC (γνωστό και ως έμμεσο VFD) Λειτουργεί μετατρέποντας την είσοδο AC από το δίκτυο σε DC μέσω ενός ανορθωτή. Αυτή η τάση DC μετατρέπεται στη συνέχεια ξανά σε AC μέσω ενός μετατροπέα, προσφέροντας έλεγχο τόσο της συχνότητας όσο και της τάσης. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται ευρέως λόγω της ευελιξίας της στη διαχείριση ενός ευρέος φάσματος ταχυτήτων κινητήρα και επιπέδων τάσης. Η βασική αρχή φαίνεται στο Σχήμα 1-1.

Σχήμα 1-1 VFD AC-DC-AC

(2) AC-AC VFD

Ο AC-AC VFD (άμεσο VFD) είναι πιο αποτελεσματικό σε ορισμένες περιπτώσεις, καθώς μετατρέπει απευθείας την ισχύ AC σε έξοδο AC με μεταβλητή συχνότητα και τάση. Η βασική αρχή του VFD AC-AC φαίνεται στο Σχήμα 1-2. Το σύστημα αποτελείται από δύο σετ ανορθωτών θυρίστορ συνδεδεμένων σε αντίστροφη παράλληλη σύνδεση. Το θετικό και το αντίστροφο σετ εναλλάσσονται περιοδικά, παρέχοντας μια εναλλασσόμενη τάση εξόδου uo στο φορτίο.

Σχήμα 1-2 AC-AC VFD

Πίνακας 1-1 Σύγκριση κύριων χαρακτηριστικών μεταξύ VFD AC-AC και VFD AC-DC-AC

2. Ταξινόμηση των VFD ανά σχεδιασμό κύριου κυκλώματος

(1) VFD τύπου τάσης

Το κύριο κύκλωμα ενός VFD τύπου τάσης φαίνεται στο Σχήμα 1-3. Σε αυτόν τον τύπο VFD, Το κύκλωμα ανορθωτή παράγει την τάση DC που απαιτείται για την αντιστροφήΜετά το φιλτράρισμα από μεγάλους πυκνωτές στην ενδιάμεση σύνδεση συνεχούς ρεύματος, λαμβάνεται η έξοδος. Λόγω του μεγάλου φίλτρου πυκνωτή, η κυματομορφή τάσης συνεχούς ρεύματος είναι σχετικά επίπεδη και, σε ιδανική περίπτωση, μπορεί να αντιμετωπιστεί ως πηγή τάσης με μηδενική εσωτερική αντίσταση. Η κυματομορφή τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος εξόδου ενός VFD τύπου τάσης είναι συνήθως ένα τετραγωνικό ή κλιμακωτό κύμα, που χρησιμοποιούνται συνήθως σε γενικά VFD που δεν απαιτούν αντίστροφη λειτουργία ή γρήγορη επιτάχυνση/επιβράδυνση.

Σχήμα 1-3 Κύριο κύκλωμα ενός VFD τύπου τάσης

(2) VFD τύπου ρεύματος

Το κύριο κύκλωμα ενός VFD τύπου ρεύματος φαίνεται στο Σχήμα 1-4. Το χαρακτηριστικό του είναι η χρήση μεγάλων επαγωγέων στην ενδιάμεση σύνδεση DC για φιλτράρισμαΗ κυματομορφή συνεχούς ρεύματος είναι σχετικά επίπεδη λόγω του επαγωγέα. Επομένως, η εσωτερική σύνθετη αντίσταση της πηγής συνεχούς ρεύματος είναι υψηλή και μπορεί να προσεγγιστεί ως πηγή ρεύματος. Η κυματομορφή εναλλασσόμενου ρεύματος εξόδου είναι συνήθως ένα τετραγωνικό ή κλιμακωτό κύμα. Το κύριο πλεονέκτημα των VFD τύπου ρεύματος είναι ότι επιτρέπουν τη λειτουργία τεσσάρων τεταρτημορίων, επιτρέποντας την ανατροφοδότηση ενέργειας στην πηγή ισχύος. Είναι επίσης πιο εύκολο να τα χειριστείτε σε περιπτώσεις βραχυκυκλώματος φορτίου, καθιστώντας τα... κατάλληλο για συχνά αναστρέψιμα ή μεγάλης χωρητικότητας VFD.

Σχήμα 1-4 Κύριο κύκλωμα ενός VFD τύπου ρεύματος

Μια σύγκριση των κύριων χαρακτηριστικών μεταξύ των VFD τύπου ρεύματος και τύπου τάσης παρουσιάζεται στον Πίνακα 1-2.

3. Ταξινόμηση των VFD ανά μέθοδο ρύθμισης τάσης

(1) PAM VFD (Διαμόρφωση Πλάτους Παλμού)

Διαμόρφωση πλάτους παλμού (PAM) είναι μια μέθοδος που ρυθμίζει την έξοδο μεταβάλλοντας το πλάτος της τάσης U_ρε ή πηγή ρεύματος I_ρε Σε αυτήν τη μέθοδο, ο μετατροπέας ρυθμίζει μόνο τη συχνότητα εξόδου, ενώ το τμήμα του ανορθωτή ελέγχει την τάση ή το ρεύμα εξόδου. Όταν εφαρμόζεται ρύθμιση τάσης, η κυματομορφή τάσης εξόδου του VFD φαίνεται στο Σχήμα 1-5.
Το κύριο κύκλωμα ενός VFD ελεγχόμενο από PAM φαίνεται στο Σχήμα 1-5α.

Το PAM χρησιμοποιείται σε VFD με μεταβλητή τάση ενδιάμεσου κυκλώματος. Κατά τον έλεγχο της συχνότητας, η συχνότητα της τάσης εξόδου ρυθμίζεται αλλάζοντας τον κύκλο λειτουργίας του μετατροπέα. Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου λειτουργίας, οι συσκευές μεταγωγής ισχύος ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται πολλές φορές. Δεδομένου ότι η υλοποίηση κυκλώματος του PAM είναι σχετικά πολύπλοκη, απαιτώντας ταυτόχρονο έλεγχο τόσο του ανορθωτή όσο και του μετατροπέα, και επειδή η μέση τάση DC μετά την ανόρθωση του θυρίστορ δεν έχει γραμμική σχέση με τη γωνία μετατόπισης φάσης, ο συντονισμός της ανόρθωσης και της αντιστροφής γίνεται αρκετά δύσκολος. Για αυτούς τους λόγους, αυτή η μέθοδος διαμόρφωσης γενικά δεν υιοθετείται.

(2) PWM και SPWM VFD (Διαμόρφωση πλάτους παλμού και Διαμόρφωση πλάτους ημιτονοειδούς παλμού)

Διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM) παράγει πολλαπλούς παλμούς μέσα σε έναν κύκλο της κυματομορφής εξόδου, προσεγγίζοντας μια ημιτονοειδή κυματομορφή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ομαλότερη έξοδος με λιγότερες αρμονικέςΤο κύριο κύκλωμα ενός VFD ελεγχόμενο από PWM φαίνεται στο Σχήμα 1-5β. Το PWM μπορεί να ταξινομηθεί περαιτέρω σε PWM σταθερού πλάτους παλμού και PWM ημιτονοειδούς κύματος (SPWM).

Σχήμα 1-5 Κύριο κύκλωμα ελέγχου PAM και PWM με κυματομορφή τάσης εξόδου
α) Κύριο κύκλωμα ελέγχου PAM β) Κύριο κύκλωμα ελέγχου PWM

4. Οπτικά συστήματα μέτρησης (VFD) που ταξινομούνται με βάση τη μέθοδο ελέγχου

Όταν ένας επαγωγικός κινητήρας ρυθμίζεται με ένα VFD, το VFD μπορεί να ελέγχει την τάση τροφοδοσίας, το ρεύμα και τη συχνότητα ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του κινητήρα. Η απόδοση, τα χαρακτηριστικά και η εφαρμογή των VFD ποικίλλουν ανάλογα με τη μέθοδο ελέγχου που χρησιμοποιείται. Επομένως, τα VFD μπορούν επίσης να ταξινομηθούν με βάση τη μέθοδο ελέγχου.

(1) Έλεγχος U/f VFD (Έλεγχος VVVF)

Η μέθοδος ελέγχου U/f, γνωστή και ως Έλεγχος VVVF (Μεταβλητή Τάση Μεταβλητή Συχνότητα), περιλαμβάνει τον έλεγχο τόσο η τάση όσο και η συχνότητα εξόδου του VFD να διατηρήσει ένα σταθερός λόγος U/fΑυτή η μέθοδος επιτρέπει σταθερή ροπή κάτω από τη βασική συχνότητα και σταθερή ισχύ πάνω από τη βασική συχνότητα. Το κόστος κυκλώματος ελέγχου των VFD ελέγχου U/f είναι σχετικά χαμηλό, καθιστώντας τα κατάλληλα για VFD γενικής χρήσης με λιγότερο αυστηρές απαιτήσεις ακρίβειας.

(2) Έλεγχος συχνότητας ολίσθησης VFD

Ο έλεγχος συχνότητας ολίσθησης αποτελεί βελτίωση σε σχέση με τον έλεγχο U/f. Στα VFD που χρησιμοποιούν αυτήν τη μέθοδο, ο μετατροπέας σχηματίζει ένα σύστημα ελέγχου κλειστού βρόχου με ανάδραση ταχύτητας με τον κινητήρα και έναν αισθητήρα ταχύτητας. Η συχνότητα εξόδου του μετατροπέα ρυθμίζεται αυτόματα από την πραγματική ταχύτητα του κινητήρα και τη συχνότητα ολίσθησης, επιτρέποντας τον έλεγχο της ροπής εξόδου κατά τη ρύθμιση της ταχύτητας. Αυτή η μέθοδος ελέγχου είναι έλεγχος κλειστού βρόχου, επομένως, σε σύγκριση με τη μέθοδο ελέγχου U/f, μπορεί να διατηρήσει υψηλότερη ακρίβεια ταχύτητας και καλύτερα χαρακτηριστικά ροπής ακόμη και όταν υπάρχουν σημαντικές αλλαγές φορτίου. Ωστόσο, επειδή αυτή η μέθοδος ελέγχου απαιτεί την εγκατάσταση ενός αισθητήρα ταχύτητας στον κινητήρα και η ολίσθηση πρέπει να ρυθμιστεί με βάση τα χαρακτηριστικά του κινητήρα, η ευελιξία της είναι σχετικά χαμηλή.

(3) VFD ελέγχου διανύσματος

Η αρχή του διανυσματικού ελέγχου είναι η ανάλυση του ρεύματος του στάτη ενός επαγωγικού κινητήρα AC σε δύο συνιστώσες: το ρεύμα μαγνήτισης (που παράγει ροή) και το ρεύμα που παράγει ροπή. Και τα δύο συνιστώσες ελέγχονται ξεχωριστά. Ο διανυσματικός έλεγχος βελτιώνει σημαντικά τη δυναμική απόδοση και επιτρέπει τον ακριβέστερο έλεγχο ροπής, καθιστώντας τον συγκρίσιμο με τα συστήματα ελέγχου ταχύτητας κινητήρα συνεχούς ρεύματος. VFD ελέγχου διανύσματος χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές ελέγχου ακριβείας.

5. Ταξινόμηση των VFD ανά εφαρμογή

(1) Γενικής χρήσης VFD

Γενικής χρήσης VFD μπορούν να ρυθμίσουν την ταχύτητα των τυπικών επαγωγικών κινητήρων. Μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο τύπους: χαμηλού κόστους απλές VFD γενικής χρήσης και υψηλής απόδοσης πολυλειτουργικά VFD γενικής χρήσης.

Τα απλά VFD έχουν σχεδιαστεί για σκοπούς εξοικονόμησης ενέργειας και χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές όπως αντλίες και ανεμιστήρες, όπου οι απαιτήσεις απόδοσης ελέγχου ταχύτητας δεν είναι υψηλές. Προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως συμπαγές μέγεθος και χαμηλότερο κόστος.

Τα υψηλής απόδοσης πολυλειτουργικά VFD έχουν σχεδιαστεί για να καλύπτουν διάφορες ανάγκες, με πιο προηγμένα χαρακτηριστικά υλικού και λογισμικού. Είναι κατάλληλα για εφαρμογές όπως μεταφορικοί ιμάντες, ανυψωτήρες, εργαλειομηχανές και ηλεκτρικά οχήματα, όπου απαιτούνται υψηλότερες επιδόσεις και λειτουργικότητα.

(2) Υψηλής απόδοσης αποκλειστικό VFD

Τα υψηλής απόδοσης ειδικά διαμορφωμένα VFD υιοθετούν διανυσματικό έλεγχο για να παρέχουν απόδοση που ανταγωνίζεται ή και υπερβαίνει αυτήν των συστημάτων ελέγχου ταχύτητας κινητήρων DC. Αυτά τα VFD σχεδιάζονται συνήθως για συγκεκριμένους κλάδους, όπως η μεταλλουργία, οι μηχανές CNC και οι ανελκυστήρες, όπου η απόδοση και η οικονομική αποδοτικότητα πρέπει να βελτιστοποιηθούν.

(3) VFD υψηλής συχνότητας

Τα VFD υψηλής συχνότητας χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο κινητήρων υψηλής ταχύτητας σε εφαρμογές που απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια, όπως σε μηχανουργικές κατεργασίες υψηλής τεχνολογίας.

(4) Μονοφασικό και Τριφασικό VFD

Τέλος, τα VFD διατίθενται τόσο σε μονοφασική όσο και σε τριφασική έκδοση, ανάλογα με τον τύπο του κινητήρα που έχουν σχεδιαστεί να ελέγχουν. Η κύρια διαφορά έγκειται στον σχεδιασμό του κυκλώματος, με τα τριφασικά VFD να προσφέρουν μεγαλύτερη απόδοση για εφαρμογές υψηλής χωρητικότητας.

Για τη δομή του κυκλώματος και την αρχή λειτουργίας των VFD, ανατρέξτε στο Βασικά στοιχεία VFD γενικής χρήσης: Δομή και αρχή λειτουργίας.

Σύναψη:

Η κατανόηση των διαφορετικών κατηγοριοποιήσεων και χαρακτηριστικών των VFD είναι ζωτικής σημασίας για την επιλογή της σωστής λύσης ελέγχου κινητήρα. Είτε ψάχνετε για ένα οικονομικά αποδοτικό VFD για γενική χρήση είτε για έναν κινητήρα υψηλής απόδοσης για ακριβή έλεγχο, υπάρχει ένα ευρύ φάσμα VFD που έχουν σχεδιαστεί για να καλύπτουν συγκεκριμένες ανάγκες. Λαμβάνοντας υπόψη παράγοντες όπως οι μέθοδοι μετατροπής συχνότητας, οι τεχνικές ρύθμισης τάσης, οι μέθοδοι ελέγχου και οι απαιτήσεις εφαρμογής, μπορείτε να κάνετε μια ενημερωμένη επιλογή που διασφαλίζει βέλτιστη απόδοση και ενεργειακή απόδοση για τα συστήματα κινητήρα σας.