Zunächst einmal: Warum einen Frequenzumrichter zur Steuerung eines Motors verwenden?

Lassen Sie uns zunächst diese beiden Geräte kurz verstehen.

Der Motor ist eine induktive Last, die die Stromänderung behindert und beim Starten eine große Stromänderung erzeugt.

Der Frequenzumrichter ist ein Leistungssteuergerät, das die Ein-Aus-Funktion des Leistungshalbleitergeräts nutzt, um die Netzfrequenz der Stromversorgung in eine andere Frequenz umzuwandeln. Es besteht hauptsächlich aus zwei Teilen des Stromkreises, einem ist der Hauptstromkreis (Gleichrichtermodul, Elektrolytkondensator und Wechselrichtermodul) und der andere ist der Steuerstromkreis (Schaltnetzteilplatine, Steuerplatine).

Um den Anlaufstrom des Motors zu reduzieren, insbesondere bei einem Motor mit höherer Leistung, gilt: Je größer die Leistung, desto größer der Anlaufstrom. Ein zu hoher Anlaufstrom stellt eine größere Belastung für das Stromversorgungs- und Verteilungsnetz dar, und der Frequenzumrichter kann dieses Anlaufproblem lösen, sodass der Motor reibungslos startet, ohne einen zu hohen Anlaufstrom zu verursachen.

Eine weitere Funktion des Frequenzumrichters besteht darin, die Drehzahl des Motors anzupassen. In vielen Fällen ist es notwendig, die Drehzahl des Motors zu steuern, um eine bessere Produktionseffizienz zu erreichen, und die Drehzahlregelung des Frequenzumrichters war schon immer das größte Highlight. Der Frequenzumrichter kann die Frequenz der Stromversorgung ändern, um den Zweck der Steuerung der Motordrehzahl zu erreichen.

Welche Methoden zur Wechselrichtersteuerung gibt es?

Die fünf häufigsten Arten, wie ein Wechselrichter einen Motor steuert, sind folgende:

Die Ausgangsspannung der Niederspannungs-Universalfrequenzumwandlung beträgt 380–650 V, die Ausgangsleistung beträgt 0.75–400 kW und die Arbeitsfrequenz beträgt 0–400 Hz. Sein Hauptstromkreis verwendet einen AC-DC-AC-Stromkreis. Seine Kontrollmethode hat die folgenden vier Generationen durchlaufen.

1U/f=C-Steuermethode mit sinusförmiger Pulsweitenmodulation (SPWM).

Es zeichnet sich durch eine einfache Steuerkreisstruktur, niedrige Kosten sowie gute mechanische Eigenschaften und Härte aus, die die Anforderungen einer gleichmäßigen Geschwindigkeitsregelung allgemeiner Getriebe erfüllen können, und wird in verschiedenen Industriebereichen häufig eingesetzt.

Wenn diese Steuermethode jedoch aufgrund der niedrigen Ausgangsspannung bei niedriger Frequenz erfolgt, wird das Drehmoment erheblich durch den Spannungsabfall des Statorwiderstands beeinflusst, was das maximale Ausgangsdrehmoment verringert.

Darüber hinaus sind seine mechanischen Eigenschaften nicht so hart wie bei Gleichstrommotoren, und die dynamische Drehmomentfähigkeit und die Leistung der statischen Geschwindigkeitsregelung sind nicht zufriedenstellend, die Systemleistung ist nicht hoch, die Steuerkurve ändert sich mit der Laständerung und die Drehmomentreaktion ist langsam und der Motor dreht sich. Die Drehmomentausnutzungsrate ist nicht hoch und die Leistung nimmt aufgrund des Vorhandenseins des Statorwiderstands und des Totzoneneffekts des Wechselrichters bei niedriger Drehzahl ab, und die Stabilität wird schlecht. Aus diesem Grund haben die Menschen eine Geschwindigkeitsregelung für die Frequenzumwandlung mit Vektorsteuerung entwickelt.

Steuermodus für Spannungsraumvektoren (SVPWM)

Es basiert auf der Prämisse des Gesamterzeugungseffekts der dreiphasigen Wellenform und zielt darauf ab, sich der idealen kreisförmigen rotierenden Magnetfeldbahn des Motorluftspalts anzunähern. Es erzeugt jeweils eine dreiphasige Modulationswellenform und steuert diese so, dass ein eingeschriebenes Polygon einem Kreis nahekommt.

Nach der praktischen Anwendung wurde es verbessert, das heißt, die Einführung der Frequenzkompensation kann den Fehler der Geschwindigkeitsregelung beseitigen; Die Größe der Flusskopplung kann durch Rückkopplung geschätzt werden, um den Einfluss des Statorwiderstands bei niedriger Drehzahl zu eliminieren. Ausgangsspannung und -strom werden im geschlossenen Regelkreis geregelt, um die dynamische Genauigkeit und Stabilität zu verbessern. Allerdings gibt es viele Verbindungen im Steuerkreis und es wird keine Drehmomentanpassung eingeführt, sodass die Systemleistung nicht grundlegend verbessert wurde.

Vector Control (VC) -Modus

Die Praxis der Geschwindigkeitsregelung mit Vektorsteuerung und Frequenzumwandlung besteht darin, die Statorströme Ia, Ib und Ic des Asynchronmotors im dreiphasigen Koordinatensystem in einen äquivalenten Wechselstrom Ia1Ib1 im zweiphasigen stationären Koordinatensystem über drei Phasen umzuwandeln -Zweiphasenumwandlung und dann durch entsprechend der Orientierungsrotationstransformation des Rotormagnetfeldes entspricht es dem Gleichstrom Im1 und It1 im synchron rotierenden Koordinatensystem (Im1 entspricht dem Erregerstrom des Gleichstrommotors; It1 entspricht dem Ankerstrom (proportional zum Drehmoment) und imitiert dann den Gleichstrommotor. Bei der Steuermethode wird die Steuergröße des Gleichstrommotors erhalten und die Steuerung des Asynchronmotors durch die entsprechende Koordinatenumkehrtransformation realisiert.

Sein Wesen besteht darin, dass der Wechselstrommotor einem Gleichstrommotor entspricht und die beiden Komponenten Geschwindigkeit und Magnetfeld unabhängig voneinander gesteuert werden. Durch die Steuerung der Rotorflussverknüpfung und die anschließende Zerlegung des Statorstroms, um die beiden Komponenten Drehmoment und Magnetfeld zu erhalten, kann die Koordinatentransformation die Quadratur- oder Entkopplungssteuerung realisieren. Der Vorschlag der Vektorkontrollmethode hat epochale Bedeutung. In praktischen Anwendungen werden die Systemeigenschaften jedoch aufgrund der Schwierigkeit, die Rotorflussverknüpfung genau zu beobachten, stark von den Motorparametern beeinflusst, und die im äquivalenten Gleichstrommotorsteuerungsprozess verwendete Vektorrotationstransformation ist komplizierter, was es schwierig macht die tatsächliche steuerung wirkung zu erreichen ideale analyse. Ergebnis.

DTC-Modus (Direct Torque Control)

Im Jahr 1985 schlug Professor DePenbrock von der Ruhr-Universität in Deutschland erstmals die Frequenzumwandlungstechnologie mit direkter Drehmomentsteuerung vor. Diese Technologie löst weitgehend die oben genannten Mängel der Vektorsteuerung und hat sich mit neuartigen Steuerungsideen, einer einfachen und klaren Systemstruktur sowie einer hervorragenden dynamischen und statischen Leistung schnell weiterentwickelt.

Derzeit wird diese Technologie erfolgreich auf die Hochleistungs-Wechselstromübertragung der Traktion von Elektrolokomotiven angewendet. Die direkte Drehmomentregelung analysiert direkt das mathematische Modell des Wechselstrommotors im Statorkoordinatensystem und steuert die Flussverknüpfung und das Drehmoment des Motors. Der Wechselstrommotor muss nicht mit einem Gleichstrommotor gleichgesetzt werden, wodurch viele komplizierte Berechnungen bei der Vektorrotationstransformation eingespart werden. Es muss weder die Steuerung des Gleichstrommotors simuliert werden, noch muss das mathematische Modell des Wechselstrommotors zur Entkopplung vereinfacht werden.

Matrix-AC-AC-Steuerungsmodus

VVVF-Frequenzumwandlung, Vektorsteuerungsfrequenzumwandlung und direkte Drehmomentsteuerungsfrequenzumwandlung sind allesamt AC-DC-AC-Frequenzumwandlungen. Ihre gemeinsamen Nachteile sind ein niedriger Eingangsleistungsfaktor, ein großer Oberschwingungsstrom, große Energiespeicherkondensatoren für Gleichstromkreise und die fehlende Rückspeisung regenerativer Energie ins Netz, d. h. ein Vierquadrantenbetrieb ist nicht möglich.

Aus diesem Grund entstand die Matrix-AC-AC-Frequenzumwandlung. Da bei der Matrix-Wechselstrom-Wechselstrom-Frequenzumwandlung der Zwischen-Gleichstromzwischenkreis entfällt, entfallen die sperrigen und teuren Elektrolytkondensatoren. Es kann realisiert werden, dass der Leistungsfaktor l ist, der Eingangsstrom sinusförmig ist und in vier Quadranten laufen kann und die Leistungsdichte des Systems hoch ist. Obwohl die Technologie noch nicht ausgereift ist, lockt sie dennoch viele Wissenschaftler zu eingehender Forschung. Sein Wesen besteht nicht darin, den Strom, die Flussverknüpfung usw. indirekt zu steuern, sondern das Drehmoment direkt als gesteuerte Größe zu realisieren.

Die spezifische Methode ist:

Steuern Sie die Statorflussverknüpfung und führen Sie den Beobachter der Statorflussverknüpfung ein, um den geschwindigkeitssensorlosen Modus zu realisieren;

Die automatische Identifizierung (ID) basiert auf dem präzisen mathematischen Motormodell, um die Motorparameter automatisch zu identifizieren.

Berechnen Sie den tatsächlichen Wert, der der Statorimpedanz, der Gegeninduktivität, dem magnetischen Sättigungsfaktor, der Trägheit usw. entspricht. Berechnen Sie das tatsächliche Drehmoment, die Statorflussverknüpfung und die Rotorgeschwindigkeit für eine Echtzeitsteuerung.

Realisieren Sie die Band-Band-Steuerung. Gemäß der Band-Band-Steuerung der Flussverknüpfung und des Drehmoments werden PWM-Signale erzeugt, um den Schaltzustand des Wechselrichters zu steuern.

Die Matrix-AC-AC-Frequenzumwandlung verfügt über eine schnelle Drehmomentreaktion (<2 ms), eine hohe Drehzahlgenauigkeit (±2 %, keine PG-Rückmeldung) und eine hohe Drehmomentgenauigkeit (<+3 %); Es verfügt außerdem über ein hohes Startgeschwindigkeitsdrehmoment und eine hohe Drehmomentgenauigkeit, insbesondere bei niedriger Geschwindigkeit (einschließlich 0-Geschwindigkeit) und kann ein Drehmoment von 150 % bis 200 % abgeben.

Wie steuert ein Wechselrichter einen Motor? Wie sind die beiden verkabelt?

Die Verkabelung des Wechselrichters zur Steuerung des Motors ist relativ einfach, ähnlich der Verkabelung des Schützes. Die drei Hauptstromversorgungsleitungen gehen in den Motor hinein und wieder hinaus.

Werfen wir zunächst einen Blick auf die Anschlüsse des Wechselrichters. Obwohl es viele Marken und unterschiedliche Verkabelungsmethoden gibt, unterscheiden sich die meisten Anschlüsse des Wechselrichters nicht allzu sehr. Es ist im Allgemeinen in Vorwärts- und Rückwärtsschaltereingänge unterteilt, die zur Steuerung der Vorwärts- und Rückwärtsdrehung vieler Motoren verwendet werden. Der Feedback-Anschluss dient zur Rückmeldung des Laufstatus des Motors, einschließlich der Lauffrequenz, Geschwindigkeit, Fehlerstatus usw. Zur Steuerung des Drehzahlsollwerts verwenden einige Frequenzumrichter Potentiometer, während andere direkt Tasten verwenden.

Die Steuerung erfolgt über physische Verkabelung, eine andere Möglichkeit besteht darin, über das Kommunikationsnetzwerk zu gehen. Viele Wechselrichter unterstützen mittlerweile die Kommunikationssteuerung. Über diese Kommunikationsleitung kann der Motor so gesteuert werden, dass er startet und stoppt, vorwärts und rückwärts fährt, die Geschwindigkeit einstellt usw., und gleichzeitig werden Feedback-Informationen auch über die Kommunikation übertragen.

Was passiert mit dem Ausgangsdrehmoment eines Motors, wenn sich seine Drehzahl (Frequenz) ändert?

Das Anlaufdrehmoment und das maximale Drehmoment bei Antrieb über einen Frequenzumrichter sind kleiner als bei direktem Antrieb über ein handelsübliches Frequenznetzteil.

Wenn der Motor von einer Netzfrequenzquelle gespeist wird, sind die Stöße beim Starten und Beschleunigen sehr groß, wenn der Motor jedoch von einem Frequenzumrichter gespeist wird, sind diese Stöße schwächer. Beim Direktstart mit Netzfrequenz wird ein großer Anlaufstrom erzeugt. Bei Verwendung eines Frequenzumrichters werden die Ausgangsspannung und die Frequenz des Frequenzumrichters schrittweise zum Motor addiert, sodass der Anlaufstrom und die Auswirkungen des Motors geringer sind.

Im Allgemeinen nimmt das vom Motor erzeugte Drehmoment mit abnehmender Frequenz (abnehmender Drehzahl) ab. Die reduzierten Ist-Daten werden in manchen Wechselrichterhandbüchern erläutert.

Durch die Verwendung des Frequenzumrichters, der durch einen magnetischen Flussvektor gesteuert wird, wird der Mangel an Drehmoment bei niedriger Drehzahl des Motors verbessert, und der Motor kann auch im niedrigen Drehzahlbereich ausreichend Drehmoment abgeben.

Wenn der Frequenzumrichter auf eine Frequenz über 50 Hz eingestellt wird, verringert sich das Ausgangsdrehmoment des Motors.

Der übliche Motor ist für die Spannung von 50 Hz ausgelegt und gefertigt, und sein Nenndrehmoment wird auch innerhalb dieses Spannungsbereichs angegeben. Daher wird die Drehzahlregelung unterhalb der Nennfrequenz als Drehzahlregelung mit konstantem Drehmoment bezeichnet. (T=Te, P<=Pe)

Wenn die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters größer als 50 Hz ist, nimmt das vom Motor erzeugte Drehmoment in einem linearen Verhältnis ab, das umgekehrt proportional zur Frequenz ist.

Wenn der Motor mit einer Frequenz von mehr als 50 Hz läuft, muss die Belastung des Motors berücksichtigt werden, um ein unzureichendes Motorausgangsdrehmoment zu verhindern.

Beispielsweise wird das vom Motor bei 100 Hz erzeugte Drehmoment auf etwa die Hälfte des bei 1 Hz erzeugten Drehmoments reduziert.

Daher wird die Drehzahlregelung oberhalb der Nennfrequenz als Drehzahlregelung mit konstanter Leistung bezeichnet. (P=Ue*Ie)

Anwendung eines Frequenzumrichters über 50 Hz

Wie wir alle wissen, sind die Nennspannung und der Nennstrom eines bestimmten Motors konstant.

Beispielsweise betragen die Nennwerte des Wechselrichters und des Motors beide: 15 kW/380 V/30 A, und der Motor kann über 50 Hz arbeiten.

Bei einer Drehzahl von 50 Hz beträgt die Ausgangsspannung des Wechselrichters 380 V und der Strom 30 A. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Ausgangsfrequenz auf 60 Hz erhöht wird, können die maximale Ausgangsspannung und der maximale Ausgangsstrom des Wechselrichters nur 380 V/30 A betragen. Offensichtlich bleibt die Ausgangsleistung unverändert, weshalb wir von einer Drehzahlregelung mit konstanter Leistung sprechen.

Wie ist die Drehmomentsituation derzeit?

Da P=wT(w; Winkelgeschwindigkeit, T: Drehmoment), da P unverändert bleibt und w zunimmt, nimmt das Drehmoment entsprechend ab.

Wir können es auch aus einem anderen Blickwinkel betrachten:

Motorstatorspannung U=E+I*R (I ist Strom, R ist elektronischer Widerstand, E ist induziertes Potenzial)

Es ist ersichtlich, dass E ebenfalls unverändert bleibt, wenn U und I unverändert bleiben.

Und E=k*f*X (k: Konstante; f: Frequenz; X: magnetischer Fluss). Wenn sich also f von 50–>60 Hz ändert, nimmt X entsprechend ab

Für den Motor gilt T=K*I*X (K: Konstante; I: Strom; X: Fluss), sodass das Drehmoment T mit abnehmendem Fluss X abnimmt

Gleichzeitig ist der magnetische Fluss (X) konstant, wenn er weniger als 50 Hz beträgt, da I*R sehr klein ist und U/f=E/f konstant ist. Das Drehmoment T ist proportional zum Strom. Aus diesem Grund wird die Überlastfähigkeit (Drehmomentkapazität) des Wechselrichters normalerweise durch seine Überstromkapazität beschrieben und man spricht von einer Drehzahlregelung mit konstantem Drehmoment (der Nennstrom ändert sich nicht –> das maximale Drehmoment ändert sich nicht).

Fazit: Wenn die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters über 50 Hz ansteigt, nimmt das Ausgangsdrehmoment des Motors ab

Andere Faktoren im Zusammenhang mit dem Ausgangsdrehmoment

Die Wärmeerzeugungs- und Wärmeableitungsfähigkeit bestimmen die Ausgangsstromfähigkeit des Wechselrichters und wirken sich somit auf die Ausgangsdrehmomentfähigkeit des Wechselrichters aus.

Trägerfrequenz: Im Allgemeinen basiert der Nennstrom des Wechselrichters auf der höchsten Trägerfrequenz, die eine kontinuierliche Leistung bei höchster Umgebungstemperatur gewährleisten kann. Eine Reduzierung der Taktfrequenz hat keinen Einfluss auf den Motorstrom. Aber die Erwärmung von Bauteilen wird reduziert.

Umgebungstemperatur: Nur weil erkannt wird, dass die Umgebungstemperatur relativ niedrig ist, wird der Schutzstromwert des Wechselrichters nicht erhöht.

Höhe: Mit zunehmender Höhe wirkt sich dies sowohl auf die Wärmeableitung als auch auf die Isolationsleistung aus. Unterhalb von 1000 m kann dies im Allgemeinen vernachlässigt werden, darüber reicht es aus, die Kapazität alle 5 m um 1000 % zu reduzieren.

Wie hoch ist die geeignete Frequenz für den Frequenzumrichter zur Steuerung des Motors?

In der obigen Anordnung haben wir erfahren, warum der Wechselrichter zur Steuerung des Motors verwendet wird und wie der Wechselrichter den Motor steuert. Der Frequenzumrichter steuert den Motor und lässt sich in zwei Punkten zusammenfassen: Erstens steuert der Frequenzumrichter die Startspannung und -frequenz des Motors. sorgt für sanften Start und sanften Stopp; Zweitens verwenden Sie den Frequenzumrichter, um die Drehzahl des Motors anzupassen, und passen Sie die Drehzahl des Motors durch Ändern der Frequenz an.