ตัวแปลงความถี่ - ประเภท, หลักการทำงาน, โครงร่างการเชื่อมต่อ

โรเตอร์ของมอเตอร์ไฟฟ้าขับเคลื่อนด้วยแรงที่เกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่หมุนอยู่ภายในขดลวดสเตเตอร์ ความเร็วมักจะถูกกำหนดโดยความถี่อุตสาหกรรมของกริดไฟฟ้า

ค่ามาตรฐานที่ 50 เฮิรตซ์แสดงถึงช่วงเวลาการสั่น 50 ช่วงในหนึ่งวินาที ในหนึ่งนาที จำนวนจะเพิ่มขึ้น 60 เท่า และเท่ากับ 50×60 = 3,000 รอบ โรเตอร์หมุนเป็นจำนวนครั้งเท่ากันภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้

หากคุณเปลี่ยนค่าความถี่หลักที่ใช้กับสเตเตอร์ คุณจะสามารถปรับความเร็วของการหมุนของโรเตอร์และไดรฟ์ที่เชื่อมต่ออยู่ได้ หลักการนี้เป็นพื้นฐานของการควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้า

ประเภทของตัวแปลงความถี่

ตามการออกแบบ ตัวแปลงความถี่คือ:

1. ประเภทการเหนี่ยวนำ

2. อิเล็กทรอนิกส์.

ผลิตมอเตอร์แบบอะซิงโครนัส ตามรูปแบบที่มีโรเตอร์เฟส และเริ่มต้นในโหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นตัวแทนของประเภทแรก ในระหว่างการใช้งานมีประสิทธิภาพต่ำและมีประสิทธิภาพต่ำดังนั้นจึงไม่พบการใช้งานที่กว้างขวางในการผลิตและใช้น้อยมาก

วิธีการแปลงความถี่อิเล็กทรอนิกส์ช่วยให้การควบคุมความเร็วของทั้งเครื่องอะซิงโครนัสและซิงโครนัสเป็นไปอย่างราบรื่น ในกรณีนี้ สามารถใช้หลักการควบคุมหนึ่งในสองหลัก:

1. ตามลักษณะที่กำหนดไว้ล่วงหน้าของการพึ่งพาความเร็วในการหมุนกับความถี่ (V / f)

2. วิธีการควบคุมเวกเตอร์

วิธีแรกเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดและไม่สมบูรณ์แบบ และวิธีที่สองใช้เพื่อควบคุมความเร็วในการหมุนของอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่สำคัญได้อย่างแม่นยำ

คุณสมบัติของการควบคุมเวกเตอร์การแปลงความถี่

ความแตกต่างระหว่างวิธีนี้คือการโต้ตอบ อิทธิพลของอุปกรณ์ควบคุมคอนเวอร์เตอร์บน «สเปซเวคเตอร์» ของฟลักซ์แม่เหล็กที่หมุนด้วยความถี่ของสนามโรเตอร์

อัลกอริทึมสำหรับตัวแปลงในการทำงานตามหลักการนี้สร้างขึ้นในสองวิธี:

1. การควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์

2. การควบคุมการไหล

วิธีแรกขึ้นอยู่กับการพิจารณาการพึ่งพาการสลับลำดับ การปรับความกว้างพัลส์ (PWM) อินเวอร์เตอร์สำหรับอัลกอริทึมที่ตั้งไว้ล่วงหน้า ในกรณีนี้ แอมพลิจูดและความถี่ของแรงดันเอาต์พุตคอนเวอร์เตอร์จะถูกควบคุมโดยกระแสสลิปและโหลด แต่ไม่ใช้ค่าป้อนกลับความเร็วโรเตอร์

วิธีนี้ใช้เมื่อควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้าหลายตัวที่ต่อขนานกับตัวแปลงความถี่การควบคุมฟลักซ์เกี่ยวข้องกับการตรวจสอบกระแสการทำงานภายในมอเตอร์ด้วยการสลายตัวเป็นส่วนประกอบที่ใช้งานและเกิดปฏิกิริยา และทำการปรับเปลี่ยนการทำงานของคอนเวอร์เตอร์เพื่อตั้งค่าแอมพลิจูด ความถี่ และมุมสำหรับเวกเตอร์แรงดันเอาต์พุต

สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงความแม่นยำของเครื่องยนต์และเพิ่มขีด จำกัด ของการปรับแต่ง การใช้การควบคุมการไหลขยายขีดความสามารถของไดรฟ์ที่ทำงานด้วยความเร็วต่ำพร้อมโหลดไดนามิกสูง เช่น รอกเครนหรือเครื่องม้วนอุตสาหกรรม

การใช้เทคโนโลยีเวกเตอร์ช่วยให้สามารถควบคุมแรงบิดไดนามิกได้ มอเตอร์แบบอะซิงโครนัสสามเฟส. 

วงจรสมมูล

วงจรไฟฟ้าแบบง่ายพื้นฐานของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามารถแสดงได้ดังนี้

แรงดันไฟฟ้า u1 ถูกนำไปใช้กับขดลวดสเตเตอร์ ซึ่งมีความต้านทานแบบแอกทีฟ R1 และความต้านทานแบบเหนี่ยวนำ X1 มันเอาชนะความต้านทานของช่องว่างอากาศ Xv เปลี่ยนเป็นขดลวดของโรเตอร์ทำให้เกิดกระแสที่เอาชนะความต้านทานของมัน

วงจรสมมูลของวงจรเวกเตอร์

โครงสร้างช่วยให้เข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้นในมอเตอร์เหนี่ยวนำ

พลังงานของกระแสสเตเตอร์แบ่งออกเป็นสองส่วน:

• iµ — พาร์ติชันที่ก่อตัวเป็นโฟลว์

• iw — ส่วนประกอบสร้างช่วงเวลา

ในกรณีนี้ โรเตอร์มีความต้านทานแบบแอกทีฟ R2 / s ที่ขึ้นกับสลิป

สำหรับการควบคุมแบบไร้เซนเซอร์ จะมีการวัดสิ่งต่อไปนี้:

• แรงดันไฟฟ้า u1;

• i1 ปัจจุบัน

ตามค่าที่พวกเขาคำนวณ:

• iµ — ส่วนประกอบของการไหลที่ก่อให้เกิดการไหล

• iw — แรงบิดสร้างมูลค่า

อัลกอริทึมการคำนวณรวมถึงวงจรสมมูลอิเล็กทรอนิกส์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำที่มีตัวควบคุมกระแส ซึ่งคำนึงถึงสภาวะความอิ่มตัวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและการสูญเสียพลังงานแม่เหล็กในเหล็ก

ส่วนประกอบทั้งสองของเวกเตอร์ปัจจุบันซึ่งแตกต่างกันในมุมและแอมพลิจูด หมุนไปพร้อมกับระบบพิกัดของโรเตอร์ และกลายเป็นระบบการวางแนวของสเตเตอร์ที่อยู่นิ่ง

ตามหลักการนี้ พารามิเตอร์ของตัวแปลงความถี่จะถูกปรับตามโหลดของมอเตอร์เหนี่ยวนำ

หลักการทำงานของตัวแปลงความถี่

อุปกรณ์นี้ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าอินเวอร์เตอร์ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงสองครั้งในรูปคลื่นของแหล่งจ่ายไฟหลัก

ในขั้นต้น แรงดันไฟฟ้าอุตสาหกรรมจะถูกป้อนเข้าวงจรเรียงกระแสด้วยไดโอดทรงพลังที่กำจัดฮาร์มอนิกไซน์แต่ปล่อยให้สัญญาณกระเพื่อม สำหรับการถอดตัวเก็บประจุจะมีตัวเหนี่ยวนำ (ตัวกรอง LC) ซึ่งให้รูปทรงที่มั่นคงและเรียบกับแรงดันไฟฟ้าที่แก้ไขแล้ว

จากนั้นสัญญาณจะไปยังอินพุตของตัวแปลงความถี่ ซึ่งเป็นวงจรบริดจ์สามเฟส 6 เฟส ทรานซิสเตอร์กำลัง ซีรีย์ IGBT หรือ MOSFET พร้อมไดโอดป้องกันแรงดันไฟกลับขั้ว ไทริสเตอร์ที่ใช้ก่อนหน้านี้สำหรับจุดประสงค์เหล่านี้ไม่มีความเร็วเพียงพอและทำงานโดยมีการรบกวนมาก

ในการเปิดโหมด "เบรก" ของมอเตอร์ สามารถติดตั้งทรานซิสเตอร์ควบคุมพร้อมตัวต้านทานที่ทรงพลังซึ่งกระจายพลังงานในวงจร เทคนิคนี้ช่วยให้สามารถถอดแรงดันไฟฟ้าที่สร้างโดยมอเตอร์ออกได้ เพื่อป้องกันตัวเก็บประจุตัวกรองจากการชาร์จไฟเกินและความเสียหาย

วิธีการควบคุมความถี่เวกเตอร์ของตัวแปลงช่วยให้คุณสร้างวงจรที่ทำการควบคุมสัญญาณจากระบบ ACS โดยอัตโนมัติ ระบบการจัดการใช้สำหรับสิ่งนี้:

1. แอมพลิจูด;

2. PWM (การจำลองความกว้างพัลส์)

วิธีการควบคุมแอมพลิจูดขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันอินพุต และ PWM ขึ้นอยู่กับอัลกอริทึมสำหรับการสลับทรานซิสเตอร์กำลังที่แรงดันอินพุตคงที่

ด้วยการควบคุม PWM ช่วงเวลาของการมอดูเลตสัญญาณจะถูกสร้างขึ้นเมื่อขดลวดสเตเตอร์เชื่อมต่ออย่างเข้มงวดกับขั้วบวกและขั้วลบของวงจรเรียงกระแส

เนื่องจากความถี่สัญญาณนาฬิกาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าค่อนข้างสูง จากนั้นในขดลวดของมอเตอร์ไฟฟ้าซึ่งมีความต้านทานแบบเหนี่ยวนำ พวกมันจะถูกทำให้เรียบเป็นคลื่นไซน์ปกติ

วิธีการควบคุม PWM กำจัดการสูญเสียพลังงานได้สูงสุด และให้ประสิทธิภาพการแปลงสูงเนื่องจากการควบคุมความถี่และแอมพลิจูดพร้อมกัน มีวางจำหน่ายแล้วเนื่องจากการพัฒนาเทคโนโลยีการควบคุมไทริสเตอร์แบบล็อคด้วยพลังงาน GTO ซีรีส์หรือแบรนด์ไบโพลาร์ของทรานซิสเตอร์ IGBT แบบเกทแบบมีฉนวน

หลักการรวมการควบคุมมอเตอร์สามเฟสแสดงอยู่ในรูปภาพ

IGBT แต่ละตัวในหกตัวเชื่อมต่อในวงจรตรงข้ามขนานกับไดโอดกระแสย้อนกลับของมันเอง ในกรณีนี้ กระแสแอคทีฟของมอเตอร์เหนี่ยวนำจะผ่านวงจรไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว และส่วนประกอบปฏิกิริยาของมันจะถูกส่งผ่านไดโอด

เพื่อขจัดอิทธิพลของสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าภายนอกที่มีต่อการทำงานของอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ วงจรของตัวแปลงความถี่สามารถรวม ตัวกรองลดเสียงรบกวนการชำระบัญชี:

• การรบกวนทางวิทยุ

• การปล่อยกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากอุปกรณ์การทำงาน

สิ่งเหล่านี้ส่งสัญญาณโดยคอนโทรลเลอร์และใช้สายไฟที่มีฉนวนป้องกันระหว่างมอเตอร์และขั้วเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์เพื่อลดการกระแทก

เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของการทำงานของมอเตอร์แบบอะซิงโครนัส วงจรควบคุมของตัวแปลงความถี่ประกอบด้วย:

• อินพุตการสื่อสารพร้อมความสามารถในการเชื่อมต่อขั้นสูง

• ตัวควบคุมในตัว

• การ์ดหน่วยความจำ;

• ซอฟต์แวร์;

• จอแสดงผล LED ที่ให้ข้อมูลแสดงพารามิเตอร์เอาต์พุตหลัก

• ตัวสับเบรกและตัวกรอง EMC ในตัว

• ระบบระบายความร้อนของวงจรขึ้นอยู่กับการเป่าด้วยพัดลมของทรัพยากรที่เพิ่มขึ้น

• ฟังก์ชั่นการทำความร้อนเครื่องยนต์ด้วยกระแสตรงและความเป็นไปได้อื่น ๆ

ไดอะแกรมการเดินสายการทำงาน

ตัวแปลงความถี่ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำงานกับเครือข่ายเฟสเดียวหรือสามเฟส อย่างไรก็ตามหากมีแหล่งอุตสาหกรรมกระแสตรงที่มีแรงดันไฟฟ้า 220 โวลต์ก็สามารถใช้พลังงานจากอินเวอร์เตอร์ได้

รุ่นสามเฟสได้รับการออกแบบมาสำหรับแรงดันไฟหลัก 380 โวลต์และป้อนให้กับมอเตอร์ไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์เฟสเดียวใช้พลังงาน 220 โวลต์และจ่ายเอาต์พุตสามเฟสตามช่วงเวลา

โครงร่างการเชื่อมต่อของตัวแปลงความถี่เข้ากับมอเตอร์สามารถดำเนินการได้ตามโครงร่าง:

• ดาว;

• สามเหลี่ยม.

ขดลวดของมอเตอร์ประกอบเป็น "ดาว" สำหรับตัวแปลงที่ป้อนโดยเครือข่ายสามเฟส 380 โวลต์

ตามรูปแบบ "เดลต้า" ขดลวดมอเตอร์จะประกอบขึ้นเมื่อตัวแปลงไฟฟ้าเชื่อมต่อกับเครือข่าย 220 โวลต์เฟสเดียว

เมื่อเลือกวิธีการเชื่อมต่อมอเตอร์ไฟฟ้าเข้ากับตัวแปลงความถี่ คุณต้องใส่ใจกับอัตราส่วนกำลังที่มอเตอร์กำลังทำงานอยู่สามารถสร้างได้ในทุกโหมด รวมถึงการสตาร์ทที่โหลดช้าด้วยความสามารถของอินเวอร์เตอร์

เป็นไปไม่ได้ที่จะโอเวอร์โหลดตัวแปลงความถี่อย่างต่อเนื่อง และพลังงานสำรองเพียงเล็กน้อยจะช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานในระยะยาวและปราศจากปัญหา