1. Úvod do AC pohonov (meniče s premenlivou frekvenciou) V oblasti moderného priemyselného riadenia a......
ČÍTAJTE VIACPohon s premenlivou frekvenciou (VFD) je elektronický regulátor, ktorý upravuje rýchlosť striedavého elektromotora zmenou frekvencie a napätia dodávanej energie. Namiesto spustenia motora pri pevnej rýchlosti určenej frekvenciou siete – zvyčajne 50 Hz alebo 60 Hz v závislosti od krajiny – umožňuje VFD motor bežať presne takou rýchlosťou, akú aplikácia v danom momente vyžaduje. Táto zdanlivo jednoduchá schopnosť má hlboké dôsledky na spotrebu energie, mechanické opotrebenie, riadenie procesov a prevádzkovú flexibilitu prakticky v každom odvetví, ktoré používa elektromotory.
Aby ste pochopili, prečo je to dôležité, zvážte, či čerpadlo pohybuje tekutinou potrubím. Motor, ktorý beží pri pevných plných otáčkach, poskytuje maximálny prietok bez ohľadu na to, či je skutočne potrebný maximálny prietok. Historicky jediným spôsobom, ako znížiť prietok, bolo čiastočné zatvorenie ventilu – plytvanie energiou, ktorá sa stále spotrebovávala na zatlačenie tekutiny proti obmedzeniu. VFD to rieši jednoduchým spomalením motora, keď je potrebný menší výkon. Pretože spotreba energie pri odstredivej záťaži, ako sú čerpadlá a ventilátory, sa riadi kockovým zákonom, čo znižuje otáčky motora len o málo 20 % znižuje spotrebu energie približne o 49 % . Tento vzťah je hlavným dôvodom, prečo VFD generujú takú rýchlu návratnosť investícií do aplikácií s premenlivým zaťažením.
VFD sú tiež známe pod niekoľkými ďalšími názvami v závislosti od odvetvia a regiónu: pohony s premenlivou rýchlosťou (VSD) , pohony s nastaviteľnou frekvenciou (AFD) , invertorové pohony , a AC pohony všetky odkazujú v podstate na rovnakú technológiu. V niektorých kontextoch sa termín "invertor" používa špecificky - odkaz na konečnú fázu interného procesu konverzie napájania VFD.
Pochopenie toho, čo sa deje vo vnútri a pohon s premenlivou frekvenciou objasňuje, prečo funguje tak, ako má – a prečo existujú určité požiadavky na inštaláciu a ochranu. Proces konverzie prebieha v troch odlišných fázach: usmernenie, filtrovanie DC zbernice a inverzia.
Prichádzajúce striedavé napájanie zo zdroja – či už jednofázového alebo trojfázového – vstupuje do časti usmerňovača ako prvé. Usmerňovač prevádza striedavé napätie na jednosmerné pomocou diódového mostíka alebo pri pokročilejších pohonoch sústavou riadených tyristorov alebo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Štandardný šesťpulzný diódový usmerňovač je najbežnejšou konfiguráciou v priemyselných VFD. Výstupom usmerňovača je pulzujúce jednosmerné napätie, ktoré stále nesie významnú zložku zvlnenia striedavého prúdu.
Pulzujúci jednosmerný prúd z usmerňovača prechádza cez jednosmernú zbernicu - v podstate skupinu veľkých kondenzátorov a niekedy induktorov - ktorá vyhladzuje napätie na stabilnú úroveň jednosmerného prúdu. Táto medziľahlá jednosmerná zbernica je zvyčajne približne 1,35-násobok prichádzajúceho medzifázového RMS napätia : približne 650 – 700 V DC pre napájanie 480 V AC alebo 270 – 310 V DC pre napájanie 230 V AC. Jednosmerná zbernica tiež slúži ako vyrovnávacia pamäť energie, ktorá absorbuje regeneračnú energiu vyrobenú pri spomaľovaní motora. V pohonoch bez brzdového odporu alebo regeneratívneho predného konca sa musí táto energia rozptýliť – preto sú brzdové odpory potrebné v aplikáciách s vysokou zotrvačnosťou, ktoré sa často zastavujú.
Invertorová časť premieňa stabilné jednosmerné napätie späť na syntetický striedavý výstup s premenlivou frekvenciou a amplitúdou. Moderné VFD to dosahujú pomocou spínacích tranzistorov IGBT riadených pulznou šírkovou moduláciou (PWM). IGBT sa zapínajú a vypínajú pri vysokej frekvencii – zvyčajne 2 až 16 kHz — vytvorenie série impulzov, ktorých šírka sa mení vo vzore, ktorý, keď sa integruje v priebehu času, vytvára sínusový tvar vlny požadovanej frekvencie a napätia. Úpravou vzoru PWM môže menič produkovať výstupné frekvencie od takmer nuly až po 400 Hz alebo viac, čo zodpovedá rýchlosti motora od v podstate zastaveného až po niekoľkonásobok základnej rýchlosti. Indukčnosť motora pôsobí ako prirodzený filter, ktorý prevádza sled impulzov PWM na hladký sínusový tok prúdu cez vinutia motora.
Nie všetky VFD sú skonštruované rovnakým spôsobom. Rôzne topológie pohonov sú optimalizované pre špecifické požiadavky aplikácie, výkonové rozsahy a prevádzkové prostredia. Výber nesprávneho typu pre aplikáciu vytvára problémy, ktoré sa nedajú napraviť samotnou úpravou parametrov.
Pohony VSI – ktoré zahŕňajú veľkú väčšinu dnes predávaných univerzálnych VFD – regulujú napätie na zbernici jednosmerného prúdu a využívajú PWM na generovanie striedavého výstupu s premenlivou frekvenciou. Sú všestranné, cenovo výhodné a dostupné v rozsahu výkonu od zlomkových konských síl až po niekoľko megawattov. Pohony VSI sú vhodné pre väčšinu aplikácií čerpadiel, ventilátorov, dopravníkov a kompresorov. Ich primárnym obmedzením je, že produkujú nesínusový výstup, ktorý môže spôsobiť dodatočné zahrievanie vo vinutí motora – obzvlášť dôležité pre staršie motory, ktoré nie sú navrhnuté s menovitými výkonmi meniča.
Pohony CSI regulujú skôr prúd ako napätie na zbernici DC. Sú vo svojej podstate schopné rekuperačného brzdenia – vracania brzdnej energie späť do rozvodnej siete – bez dodatočného hardvéru. Jednotky CSI sa zvyčajne používajú vo vyššie uvedených aplikáciách s vysokým výkonom 500 kW , ako sú veľké kompresory, banské výťahy a priemyselné mlyny, kde ich schopnosť zvládnuť veľmi veľké prúdy motora a regenerovať energiu ekonomicky odôvodňuje ich vyššiu cenu a väčšiu fyzickú stopu.
DTC je skôr riadiacim algoritmom než odlišnou topológiou hardvéru, ale predstavuje zmysluplný rozdiel medzi kategóriami pri výbere pohonu. Namiesto ovládania otáčok motora úpravou výstupnej frekvencie a napätia prostredníctvom pevného vzoru PWM, pohony DTC nepretržite odhadujú tok motora a krútiaci moment v reálnom čase a priamo upravujú prepínanie meniča na riadenie týchto veličín. Výsledkom je extrémne rýchla odozva krútiaceho momentu – implementácia DTC od ABB dosahuje časy odozvy krútiaceho momentu nižšie 2 milisekúnd — a presné riadenie otáčok bez potreby enkodéra na hriadeli motora. Pohony DTC sa používajú v náročných aplikáciách vrátane papierenských strojov, žeriavov a navíjacích zariadení, kde je kritická presnosť krútiaceho momentu a dynamická odozva.
Štandardné VFD rozptyľujú brzdnú energiu ako teplo cez brzdový odpor. Rekuperačné pohony využívajú aktívny predný usmerňovač, ktorý túto energiu dokáže vrátiť do napájacej siete ako použiteľný striedavý prúd. V aplikáciách, kde motor často spomaľuje ťažké bremená – výťahy, testovacie stojany na dynamometri, zjazdové dopravníky – môže namiesto toho predstavovať energia, ktorá by sa plytvala teplom. 15 až 40 % celkovej spotreby energie pohonu , vďaka čomu sú regeneratívne pohony ekonomicky presvedčivé napriek ich vyšším počiatočným nákladom.
| Typ VFD | Typický rozsah výkonu | Kľúčová výhoda | Najlepšia aplikácia |
|---|---|---|---|
| Invertor zdroja napätia (VSI) | 0,1 kW – 2 MW | Cenovo výhodné, všestranné | Čerpadlá, ventilátory, dopravníky, HVAC |
| Invertor aktuálneho zdroja (CSI) | 500 kW – 100 MW | Natívna regenerácia, vysoký výkon | Veľké kompresory, banské kladkostroje |
| Priame riadenie krútiaceho momentu (DTC) | 0,5 kW – 5 MW | Rýchla odozva krútiaceho momentu, nie je potrebný žiadny kódovač | Žeriavy, navíjačky, papierenské stroje |
| Regeneračné aktívne predné rozhranie | 7,5 kW – 1 MW | Vracia brzdnú energiu do siete | Výťahy, skúšobné zariadenia, zjazdové dopravníky |
VFD sa inštalujú v obrovskom rozsahu priemyselných odvetví a aplikácií, ale ich hodnota nie je vo všetkých jednotná. Najsilnejšie prípady nasadenia VFD zdieľajú špecifické charakteristiky: požiadavky na premenlivé zaťaženie, vysoký ročný prevádzkový čas a profily odstredivého alebo premenlivého krútiaceho momentu.
Systémy vykurovania, ventilácie a klimatizácie predstavujú jediný najväčší aplikačný segment pre VFD na celom svete. Ventilátory prívodného vzduchu, ventilátory vratného vzduchu, čerpadlá chladenej vody, čerpadlá kondenzátorovej vody a ventilátory chladiacej veže fungujú ako odstredivé aplikácie s premenlivým zaťažením. Systém HVAC v komerčnej budove len zriedka vyžaduje plnú projektovú kapacitu – prevádzka pri plnom zaťažení môže predstavovať iba 1 až 5 % ročných prevádzkových hodín . VFD na ventilátoroch a čerpadlách HVAC zvyčajne znižujú ročnú spotrebu energie týchto motorov o 30 až 60 % v porovnaní s prevádzkou s pevnou rýchlosťou s klapkou alebo škrtením ventilu. Doba návratnosti pri komerčných modernizáciách HVAC sa bežne pohybuje medzi 1,5 a 3 rokmi.
Mestské rozvody vody používajú VFD na staniciach s pomocnými čerpadlami na udržanie konštantného tlaku v systéme bez ohľadu na výkyvy dopytu počas dňa. Bez pohonov sa čerpadlá s pevnými otáčkami cyklicky zapínajú a vypínajú, aby udržali tlak – vytvárajúce vodné rázy, zrýchlené opotrebovanie ventilov a tlakové prechody, ktoré zaťažujú infraštruktúru potrubia. Čerpadlo riadené VFD, ktoré beží nepretržite pri premenlivej rýchlosti, udržuje stabilnejší tlak, eliminuje vodné rázy a znižuje štarty motora z potenciálne stoviek za deň na nepretržitý prevádzkový cyklus pri nízkych otáčkach. Výrazne profitujú aj dúchadlá na prevzdušňovanie odpadových vôd: prevzdušňovanie predstavuje približne 50 až 60 % z celkového energetického rozpočtu čistiarne odpadových vôd , a VFD control of blowers to match dissolved oxygen demand rather than running at fixed output generates substantial utility savings.
Vo výrobe poskytujú VFD presné riadenie rýchlosti pre dopravníky, miešačky, extrudéry a vretená obrábacích strojov. Dopravník baliacej linky, ktorý beží rýchlosťou presne prispôsobenou výstupnému výkonu procesu zabraňuje hromadeniu produktu a znižuje mechanické namáhanie konštrukcie dopravníka. Skrutky extrudéra riadené VFD umožňujú procesorom nastaviť presné výstupné rýchlosti a reagovať na zmeny viskozity materiálu v reálnom čase. V textilnom priemysle si stroje na spracovanie vlákien vyžadujú koordináciu rýchlosti na viacerých osiach – VFD pripojené k kontrolnému riadiacemu systému udržiavajú presné pomery rýchlosti, ktoré určujú napätie a kvalitu vlákna.
Elektrické ponorné čerpadlá (ESP) používané pri ťažbe ropných vrtov pracujú vo veľmi premenlivých podmienkach, pretože tlak v nádrži a zloženie kvapaliny sa počas životnosti vrtu mení. VFD riadenie ESP umožňuje nepretržitú optimalizáciu výroby namiesto prijímania výstupu s pevnou rýchlosťou, ktorý môže prečerpať alebo podčerpať v porovnaní s prítokom do zásobníka. Na potrubných kompresorových staniciach umožňujú pohony s premenlivou rýchlosťou na plynových kompresoroch presné udržiavanie výtlačného tlaku pri rôznych vstupných podmienkach a požiadavkách na prietok – nahrádzajú mechanické škrtenie, ktoré plytvá kompresnou energiou a zvyšuje náklady na údržbu ventilov.
Obchodný prípad pre investíciu VFD by sa mal pred nákupom kvantifikovať, nie predpokladať. Výpočet je jednoduchý pre odstredivé zaťaženie a vyžaduje len niekoľko známych hodnôt: menovitý výkon motora, ročné prevádzkové hodiny, priemerný profil zaťaženia a miestne náklady na elektrinu.
Pre odstredivé čerpadlo alebo ventilátor zákony afinity presne opisujú vzťah medzi rýchlosťou a spotrebou energie:
Ako spracovaný príklad: motor odstredivého čerpadla s výkonom 75 kW, ktorý beží 6 000 hodín ročne pri priemernej rýchlosti 80 %, spotrebuje približne 75 × (0,8)³ × 6 000 = 230 400 kWh za rok , v porovnaní s 75 × 6 000 = 450 000 kWh za rok pri pevnej plnej rýchlosti. Pri sadzbe elektriny 0,10 USD/kWh je ročná úspora približne 21 960 dolárov . Ak inštalácia VFD stojí 8 000 USD, jednoduchá doba návratnosti je menej ako 4,5 mesiaca – návratnosť, ktorej sa v priemyselnom prostredí nevyrovná takmer žiadna iná kapitálová investícia.
Pre zaťaženia s konštantným krútiacim momentom, ako sú dopravníky a objemové čerpadlá, neplatí kubický vzťah – výkon sa lineárnejšie mení s rýchlosťou. VFD stále prinášajú hodnotu v týchto aplikáciách prostredníctvom mäkkého štartu, presnosti procesu a zníženého mechanického opotrebovania, ale výpočet úspory energie musí odrážať skutočnú charakteristiku zaťaženia a nie predpokladať odstredivé správanie.
Výber meniča s premenlivou frekvenciou zahŕňa viac než len dodržanie menovitého výkonu motora v kilowattoch alebo konských silách. Pohon špecifikovaný správne pre danú aplikáciu bude spoľahlivo fungovať desiatky rokov; jeden nesprávne špecifikovaný môže predčasne zlyhať, pri normálnej prevádzke sa môže pokaziť alebo spôsobiť poškodenie motora. Pred objednaním by ste mali potvrdiť nasledujúce parametre.
Vždy nastavte veľkosť VFD podľa jeho veľkosti menovitý výstupný prúd v ampéroch nielen kilowattmi alebo konskými silami. Typový štítok motora pri plnom zaťažení (FLA) musí klesnúť na alebo pod menovitý trvalý výstupný prúd VFD. Pri aplikáciách s vysokými požiadavkami na rozbehový krútiaci moment alebo častými cyklami zrýchľovania sa pozrite na menovitý prúd preťaženia meniča – zvyčajne vyjadrený ako percento nepretržitého menovitého prúdu počas definovaného trvania, ako napr. 150 % počas 60 sekúnd . Aplikácie vyžadujúce veľmi vysoký počiatočný krútiaci moment (drviče, naložené dopravníky) môžu vyžadovať pohon určený pre ťažký pracovný cyklus so 150–200 % preťažením, a nie pre normálny pracovný cyklus.
Potvrďte dostupné napájacie napätie a počet fáz v mieste inštalácie: jednofázové 120 V, jednofázové 230 V, trojfázové 230 V, trojfázové 460/480 V alebo trojfázové 575/600 V sú najbežnejšie v severoamerických inštaláciách. Európske a ázijské inštalácie využívajú prevažne trojfázové napätie 400 V alebo 415 V. Jednofázové vstupné pohony sú dostupné do cca 4 kW (5 k) — nad touto úrovňou výkonu je potrebné trojfázové napájanie. Prevádzka trojfázového VFD z jednofázového napájania pripojením iba dvoch vstupných svoriek je možná ako dočasné opatrenie, ale vedie k výraznému zvlneniu jednosmernej zbernice, zníženiu výstupnej kapacity a zrýchlenej degradácii kondenzátora – neodporúča sa to z dlhodobého hľadiska.
Hodnoty krytu VFD musia zodpovedať inštalačnému prostrediu. Kryty IP20 alebo NEMA 1 (vetrané, bezpečné pre prsty) sú vhodné pre čisté elektrické miestnosti s riadenou klímou. IP54 alebo NEMA 12 (prachotesné, odolné voči striekajúcej vode) je potrebné pre priemyselné podlahy s nečistotami prenášanými vzduchom. IP55 alebo NEMA 4 (odolné voči umývaniu) sa vyžaduje v potravinárskom, farmaceutickom a vonkajšom prostredí, kde môže byť pohon vystavený priamemu postriekaniu vodou. Inštalácia meniča IP20 v prašnom alebo mokrom prostredí je jednou z najčastejších príčin predčasného zlyhania meniča – rozdiel v nákladoch medzi menovitými krytmi je zanedbateľný v porovnaní s nákladmi na výmenu meniča a prestojmi vo výrobe.
Dlhé káble motora medzi VFD a motorom vytvárajú javy odrazu napätia na svorkách motora – rýchlo rastúce napäťové impulzy PWM sa odrážajú od diskontinuity impedancie kábla a motora a môžu produkovať špičkové napätie na svorkách motora výrazne prevyšujúce napätie jednosmernej zbernice meniča. Ako všeobecné vodítko, keď dĺžky kábla motora prekročia 50 metrov (približne 150 stôp) , medzi menič a motor by mal byť nainštalovaný výstupný dV/dt filter alebo sínusový filter na ochranu izolácie vinutia motora. Toto je obzvlášť dôležité pre staršie motory, ktoré nie sú určené na prevádzku s meničom, ktoré majú tenšiu izoláciu vinutia ako moderné konštrukcie s meničom.
Dokonca aj dobre špecifikované a správne nainštalované disky sa stretávajú s prevádzkovými problémami. Väčšina porúch je opakovateľná a diagnostikovateľná z protokolu histórie porúch meniča v kombinácii so znalosťou podmienok aplikácie v čase poruchy.
Nadprúdové vypnutia sa vyskytujú, keď motor odoberá viac prúdu, ako je prahová hodnota nadprúdu meniča – zvyčajne nastavená na 150 – 200 % menovitého prúdu. Najčastejšími príčinami sú časy akceleračnej rampy nastavené príliš krátko pre zotrvačnosť pripojeného zaťaženia, mechanické viazanie alebo zablokovanie v poháňanom zariadení, nesprávne parametre motora naprogramované v pohone alebo zlyhaný motor so skratovanými závitmi vinutia odoberajúcimi nadmerný prúd. Skontrolujte časovú pečiatku protokolu porúch v porovnaní s procesnými podmienkami, overte nastavenia akceleračnej rampy v porovnaní so skutočnými požiadavkami na zotrvačnosť záťaže a potvrďte, že parametre na štítku motora sú správne zadané v nastavení pohonu.
Keď motor spomaľuje, funguje ako generátor, ktorý tlačí energiu späť do jednosmernej zbernice VFD. Ak je rýchlosť spomalenia vyššia, než dokážu absorbovať kondenzátory jednosmernej zbernice alebo sa môže rozptýliť brzdový odpor, napätie jednosmernej zbernice stúpa, až kým menič nevypne prepätie. Nápravou je zvyčajne predĺženie doby spomalenia, overenie, či je nainštalovaný a funkčný brzdný odpor primeranej veľkosti, alebo upgrade na rekuperačný pohon, ak je častou rýchlou spomaľovaním záťaží s vysokou zotrvačnosťou prirodzená požiadavka aplikácie.
VFD generujú teplo zo spínacích strát v invertorovom stupni IGBT – zvyčajne 3 až 5 % menovitého priepustného výkonu ako teplo. Toto teplo musí odvádzať chladiaci systém meniča, ktorý pozostáva z vnútorných chladičov a ventilátorov s núteným obehom vzduchu. Poruchy prehriatia naznačujú, že vnútorná teplota meniča prekročila bezpečnú prevádzkovú hranicu. Bežné príčiny zahŕňajú zablokované vetracie otvory alebo rebrá chladiča zanesené prachom, okolitá teplota v kryte presahujúca menovité maximum disku (zvyčajne 40–50 °C), nedostatočné vetranie v utesnenom kryte alebo zlyhaný vnútorný chladiaci ventilátor. Pravidelné čistenie rebier chladiča a overovanie dostatočnosti vetrania krytu zabráni väčšine porúch spôsobených nadmernou teplotou.
Vypnutie zemnej poruchy indikuje prúd tečúci z jednej alebo viacerých fáz motora do zeme – najčastejšie cez zhoršenú izoláciu vinutia motora alebo poškodený motorový kábel. Pretože výstup VFD obsahuje vysokofrekvenčné komponenty PWM, zvodový prúd cez kapacitu kábla k zemi je prirodzený a zvyšuje sa s dĺžkou kábla. Pohony nastavené s veľmi citlivými prahovými hodnotami zemného spojenia môžu spôsobiť nepríjemné spustenie tohto zvodového prúdu v inštaláciách s dlhými káblami motora. Ak poruchu uzemnenia nemožno korelovať so skutočným zlyhaním izolácie, skontrolujte nastavenie citlivosti meniča na poruchu uzemnenia a overte izolačný odpor motora pomocou megohmetra (minimálne 1 MΩ pri 500 V DC je štandardná akceptačná hranica pre motory v prevádzke VFD).
Väčšina problémov s VFD v teréne – rušivé vypnutia, predčasné poruchy, rušenie s blízkymi zariadeniami – vedie skôr k chybám inštalácie než k poruchám pohonu. Dodržiavanie stanovených pokynov na inštaláciu eliminuje väčšinu týchto problémov skôr, ako sa vyskytnú.