Unitatea de frecvență variabilă explicată: cum funcționează și când aveți de fapt nevoie de una

Ce face de fapt o unitate cu frecvență variabilă

Un variator de frecvență (VFD) este un controler electronic care ajustează viteza unui motor electric de curent alternativ variind frecvența și tensiunea puterii furnizate acestuia. În loc să ruleze un motor la o viteză fixă ​​determinată de frecvența liniei - de obicei 50 Hz sau 60 Hz, în funcție de țară - un VFD permite motorului să funcționeze exact la viteza pe care o cere aplicația la un moment dat. Această capacitate aparent simplă are implicații profunde pentru consumul de energie, uzura mecanică, controlul procesului și flexibilitatea operațională în aproape fiecare industrie care utilizează motoare electrice.

Pentru a înțelege de ce contează acest lucru, luați în considerare o pompă care mișcă fluidul printr-o țeavă. Un motor care funcționează la turație maximă fixă ​​oferă debit maxim, indiferent dacă debitul maxim este într-adevăr necesar. Din punct de vedere istoric, singura modalitate de a reduce debitul a fost închiderea parțială a unei supape - irosind energia care era încă consumată pentru a împinge fluidul împotriva restricției. Un VFD rezolvă acest lucru prin simpla încetinire a motorului atunci când este necesară o putere mai mică. Deoarece consumul de energie la sarcini centrifuge precum pompele și ventilatoarele respectă legea cubului, reducând viteza motorului doar cu 20% reduce consumul de energie cu aproximativ 49% . Această relație este principalul motiv pentru care VFD-urile generează profituri atât de rapide ale investiției în aplicații cu sarcină variabilă.

VFD-urile sunt cunoscute și sub mai multe alte nume, în funcție de industrie și regiune: unități de viteză variabilă (VSD) , unități de frecvență reglabile (AFD) , acționări cu invertor , și Unități de curent alternativ toate se referă în esență la aceeași tehnologie. În unele contexte, termenul „invertor” este folosit în mod specific - o referire la etapa finală a procesului intern de conversie a puterii VFD.

Cum funcționează un VFD intern: Procesul de conversie a puterii în trei etape

Înțelegerea a ceea ce se întâmplă în interiorul unui unitatea de frecvență variabilă clarifică de ce funcționează așa cum face — și de ce există anumite cerințe de instalare și protecție. Procesul de conversie are loc în trei etape distincte: rectificare, filtrare magistrală DC și inversare.

Etapa 1: Redresorul

Alimentarea AC de intrare de la sursă – fie monofazată sau trifazată – intră mai întâi în secțiunea redresorului. Redresorul convertește tensiunea de curent alternativ în tensiune de curent continuu folosind o punte de diode sau, în unitățile mai avansate, un set de tiristoare controlate sau IGBT-uri (Insulated Gate Bipolar Tranzistors). Un redresor standard cu diode cu șase impulsuri este cea mai comună configurație în VFD-urile industriale. Ieșirea redresorului este o tensiune DC pulsatorie care încă poartă o componentă de ondulare AC semnificativă.

Etapa 2: Autobuzul DC

DC-ul pulsatoriu de la redresor trece printr-o magistrală DC - în esență o bancă de condensatoare mari și uneori inductori - care netezește tensiunea la un nivel stabil de DC. Această magistrală DC intermediară este de obicei la aproximativ 1,35 ori mai mare decât tensiunea RMS de la linie la linie : aproximativ 650–700 V DC pentru o sursă de 480 V AC sau 270–310 V DC pentru o sursă de 230 V AC. Autobuzul de curent continuu servește și ca un tampon de stocare a energiei, absorbind energia regenerativă produsă atunci când motorul decelerează. În acționările fără rezistență de frânare sau front regenerativ, această energie trebuie disipată - motiv pentru care rezistențele de frânare sunt necesare în aplicațiile cu sarcini cu inerție mare care se opresc frecvent.

Etapa 3: Invertorul

Secțiunea invertorului convertește tensiunea de curent continuu stabilă înapoi într-o ieșire sintetică de curent alternativ cu frecvență și amplitudine variabile. VFD-urile moderne realizează acest lucru utilizând tranzistori de comutare IGBT controlați prin modulare în lățime a impulsurilor (PWM). IGBT-urile pornesc și se opresc la frecvență înaltă - de obicei 2 până la 16 kHz — crearea unei serii de impulsuri a căror lățime variază într-un model care, atunci când este integrat în timp, produce o formă de undă sinusoidală cu frecvența și tensiunea dorite. Prin ajustarea modelului PWM, unitatea poate produce frecvențe de ieșire de la aproape zero până la 400 Hz sau mai mult, corespunzătoare vitezei motorului de la oprit în mod esențial până la de câteva ori viteza de bază. Inductanța motorului acționează ca un filtru natural, transformând trenul de impulsuri PWM într-un flux lin de curent sinusoidal prin înfășurările motorului.

Tipuri de unități de frecvență variabilă și unde este utilizat fiecare

Nu toate VFD-urile sunt proiectate în același mod. Diferite topologii de unități sunt optimizate pentru cerințe specifice aplicației, intervale de putere și medii operaționale. Selectarea tipului greșit pentru aplicație creează probleme care nu pot fi corectate doar prin ajustarea parametrilor.

Unități cu invertor de sursă de tensiune (VSI).

Unitățile VSI – care includ marea majoritate a VFD-urilor de uz general vândute astăzi – reglează tensiunea pe magistrala DC și utilizează PWM pentru a genera o ieșire de curent alternativ cu frecvență variabilă. Sunt versatile, eficiente din punct de vedere al costurilor și disponibile într-o gamă de putere de la fracțiune de cai putere până la câțiva megawați. Variațiile VSI sunt potrivite pentru majoritatea aplicațiilor cu pompe, ventilatoare, transportoare și compresoare. Limitarea lor principală este că produc o ieșire nesinusoidală care poate provoca încălzire suplimentară în înfășurările motorului - relevant în special pentru motoarele mai vechi care nu sunt proiectate cu valori nominale de funcționare a invertorului.

Unități cu invertor sursă de curent (CSI).

Unitățile CSI reglează curentul mai degrabă decât tensiunea pe magistrala DC. Ele sunt în mod inerent capabile de frânare regenerativă - returnând energia de frânare înapoi la rețeaua de alimentare - fără hardware suplimentar. Unitățile CSI sunt utilizate de obicei în aplicațiile de mare putere de mai sus 500 kW , cum ar fi compresoarele mari, palanele miniere și morile industriale, unde capacitatea lor de a gestiona curenți foarte mari de motor și de a regenera puterea din punct de vedere economic justifică costul mai mare și amprenta fizică mai mare.

Unități cu control direct al cuplului (DTC).

DTC este mai degrabă un algoritm de control decât o topologie hardware distinctă, dar reprezintă o distincție semnificativă de categorie în selecția unității. În loc să controleze viteza motorului prin ajustarea frecvenței de ieșire și a tensiunii printr-un model PWM fix, unitățile DTC estimează continuu fluxul și cuplul motorului în timp real și ajustează direct comutarea invertorului pentru a controla aceste cantități. Rezultatul este un răspuns extrem de rapid la cuplu — implementarea DTC de la ABB realizează timpi de răspuns la cuplu sub 2 milisecunde — și control precis al vitezei fără a fi nevoie de un codificator pe arborele motorului. Unitățile DTC sunt utilizate în aplicații solicitante, inclusiv mașini de hârtie, macarale și echipamente de bobinare, unde precizia cuplului și răspunsul dinamic sunt critice.

VFD regenerative

VFD-urile standard disipă energia de frânare sub formă de căldură printr-un rezistor de frânare. Unitățile regenerative folosesc un redresor front-end activ care poate returna această energie la rețeaua de alimentare ca putere AC utilizabilă. În aplicațiile în care motorul decelerează frecvent sarcini grele - ascensoare, standuri de testare dinamometre, transportoare în vale - energia care ar fi irosită ca căldură poate reprezenta în schimb 15 până la 40% din consumul total de energie de transmisie , făcând unitățile regenerative atractive din punct de vedere economic, în ciuda costului lor inițial mai mare.

Aplicații din lumea reală: Unde unitățile de viteză variabilă oferă cea mai mare valoare

VFD-urile sunt instalate într-o gamă enormă de industrii și aplicații, dar valoarea lor nu este uniformă în toate. Cele mai puternice cazuri pentru implementarea VFD au caracteristici specifice: cerere de sarcină variabilă, ore mari de funcționare anuale și profiluri de sarcină centrifugă sau cu cuplu variabil.

Sisteme HVAC: ventilatoare și pompe

Sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat reprezintă cel mai mare segment de aplicații pentru VFD la nivel global. Ventilatoarele de alimentare cu aer, ventilatoarele de retur, pompele de apă răcită, pompele de apă din condensator și ventilatoarele turnului de răcire funcționează toate ca aplicații centrifuge cu sarcină variabilă. Sistemul HVAC al unei clădiri comerciale necesită rareori capacitate de proiectare completă - funcționarea la sarcină maximă poate reprezenta doar 1 până la 5% din orele anuale de funcționare . VFD-urile de pe ventilatoarele și pompele HVAC reduc de obicei consumul anual de energie pentru acele motoare 30 până la 60% în comparație cu funcționarea cu viteză fixă cu clapetă sau clapetă. Perioadele de amortizare în modernizările HVAC comerciale se încadrează de obicei între 1,5 și 3 ani.

Tratarea apei si a apelor uzate

Sistemele municipale de distribuție a apei utilizează VFD pe stațiile de pompare de rapel pentru a menține presiunea constantă a sistemului, indiferent de fluctuațiile cererii de-a lungul zilei. Fără acționări, pompele cu viteză fixă ​​se pornesc și se opresc pentru a menține presiunea - creând ciocan de berbec, uzură accelerată a supapelor și tranzitorii de presiune care stresează infrastructura conductelor. O pompă controlată de VFD care funcționează continuu la turație variabilă menține o presiune mai stabilă, elimină loviturile de ariete și reduce pornirile motorului de la potențial sute pe zi la un ciclu continuu de funcționare cu viteză mică. Ventilatoarele de aerare a apelor uzate beneficiaza si ele in mod semnificativ: aerarea reprezinta aproximativ 50 până la 60% din bugetul energetic total al unei stații de tratare a apelor uzate , și VFD control of blowers to match dissolved oxygen demand rather than running at fixed output generates substantial utility savings.

Industriile de fabricație și proces

În producție, VFD-urile oferă un control precis al vitezei pentru transportoare, mixere, extrudere și axuri de mașini-unelte. Un transportor pe linia de ambalare care funcționează la o viteză potrivită exact cu ieșirea procesului din amonte evită acumularea produsului și reduce stresul mecanic asupra structurii transportorului. Șuruburile extruderului controlate de VFD permit procesoarelor să formeze rate exacte de ieșire și să răspundă la schimbările de viscozitate a materialului în timp real. În industria textilă, mașinile de prelucrare a fibrelor necesită coordonarea vitezei pe mai multe axe - VFD-urile conectate la un sistem de control de supraveghere mențin rapoartele precise de viteză care determină tensiunea și calitatea fibrelor.

Extracție de petrol și gaze și conducte

Pompele electrice submersibile (ESP) utilizate în producția de sonde de petrol funcționează în condiții foarte variabile, deoarece presiunea rezervorului și compoziția fluidului se modifică de-a lungul duratei de viață a sondei. Controlul VFD al ESP-urilor permite ca producția să fie optimizată în mod continuu, mai degrabă decât să accepte o ieșire cu viteză fixă ​​care poate pompa supra sau sub pompa în raport cu debitul din rezervor. La stațiile de compresoare din conducte, variatoarele de viteză ale compresoarelor de gaz permit menținerea precisă a presiunii de refulare în condiții variabile de admisie și cerințe de debit - înlocuind claperea mecanică care irosește energia de compresie și crește costurile de întreținere a supapelor.

Calcule de economii de energie: Cum să estimați rentabilitatea investiției VFD înainte de a cumpăra

Cazul de afaceri pentru o investiție VFD ar trebui cuantificat înainte de cumpărare, nu presupus. Calculul este simplu pentru sarcini centrifuge și necesită doar câteva valori cunoscute: puterea nominală a motorului, orele anuale de funcționare, profilul mediu de sarcină și costul electric local.

Pentru o pompă centrifugă sau un ventilator, legile de afinitate descriu relația dintre viteză și consumul de putere:

• Debitul variază liniar cu viteza: reducerea vitezei cu 20% reduce debitul cu 20%.
• Presiunea variază cu pătrat a vitezei: reducerea vitezei cu 20% reduce presiunea cu 36%.
• Puterea variază în funcție de cub de viteză: reducerea vitezei cu 20% reduce consumul de energie cu aproximativ 49%.

Ca exemplu lucrat: un motor de pompă centrifugă de 75 kW care funcționează 6.000 de ore pe an la o viteză medie de 80% consumă aproximativ 75 × (0,8)³ × 6.000 = 230.400 kWh pe an , comparativ cu 75 × 6.000 = 450.000 kWh pe an la viteză maximă fixă. La o rată a energiei electrice de 0,10 USD/kWh, economiile anuale sunt de aproximativ 21.960 USD . Dacă instalarea VFD-ului costă 8.000 USD, perioada simplă de rambursare este sub 4,5 luni - o rentabilitate pe care aproape nicio altă investiție de capital nu o poate egala în mediile industriale.

Pentru sarcinile cu cuplu constant, cum ar fi transportoarele și pompele volumetrice, relația cubică nu se aplică - puterea crește mai liniar cu viteza. VFD-urile încă oferă valoare în aceste aplicații prin pornire ușoară, precizie a procesului și uzură mecanică redusă, dar calculul economiilor de energie trebuie să reflecte caracteristica reală a sarcinii, mai degrabă decât să presupună un comportament centrifugal.

Parametri cheie de specificat la selectarea unui VFD

Selectarea unui variator de frecvență implică mai mult decât potrivirea valorii nominale a kilowaților sau cailor putere a motorului. O unitate specificată corect pentru aplicație va funcționa fiabil timp de zeci de ani; unul specificat incorect poate eșua prematur, poate declanșa defecțiuni în condiții normale de funcționare sau poate cauza deteriorarea motorului. Următorii parametri trebuie confirmați înainte de a comanda.

Evaluarea curentă în raport cu puterea nominală

Dimensiune întotdeauna un VFD după el curent nominal de ieșire în amperi , nu doar prin kilowați sau cai putere. Amperajul la sarcină completă (FLA) de pe plăcuța de identificare a motorului trebuie să scadă la sau sub valoarea nominală a curentului de ieșire continuu al VFD-ului. Pentru aplicații cu cereri mari de cuplu de pornire sau cicluri frecvente de accelerare, uitați-vă la valoarea nominală a curentului de suprasarcină a convertizorului - de obicei exprimată ca procent din valoarea nominală continuă pentru o durată definită, cum ar fi 150% timp de 60 de secunde . Aplicațiile care necesită un cuplu de pornire foarte mare (concasoare, transportoare încărcate) pot avea nevoie de un sistem de antrenare evaluat pentru cicluri de lucru grele cu suprasarcină de 150–200%, mai degrabă decât ciclul de funcționare normal.

Tensiune de intrare și fază

Confirmați tensiunea de alimentare disponibilă și numărul de faze la punctul de instalare: monofazat 120V, monofazat 230V, trifazat 230V, trifazat 460/480V sau trifazat 575/600V sunt cele mai comune în instalațiile din America de Nord. Instalațiile europene și asiatice folosesc predominant 400V sau 415V trifazat. Unitățile de intrare monofazate sunt disponibile până la aproximativ 4 kW (5 CP) — peste acest nivel de putere, este necesară alimentarea trifazată. Operarea unui VFD trifazat de la sursa monofazată prin conectarea doar a două terminale de intrare este posibilă ca măsură temporară, dar are ca rezultat o ondulare semnificativă a magistralei DC, o capacitate de ieșire redusă și o degradare accelerată a condensatorului - nu este o practică recomandată pe termen lung.

Evaluarea carcasei și mediu

Valorile nominale ale carcasei VFD trebuie să se potrivească cu mediul de instalare. Carcasele IP20 sau NEMA 1 (aerisite, sigure pentru degete) sunt adecvate pentru încăperile electrice curate, cu climatizare controlată. IP54 sau NEMA 12 (etanș la praf, rezistent la stropire) este necesar pentru podelele industriale cu contaminanți din aer. IP55 sau NEMA 4 (rezistent la spălare) este necesar în aplicațiile de prelucrare a alimentelor, farmaceutice și în aer liber, unde unitatea poate fi expusă la pulverizarea directă a apei. Instalarea unei unități IP20 într-un mediu prăfuit sau umed este una dintre cele mai frecvente cauze ale defecțiunii premature a unității — diferența de cost între valorile nominale ale carcasei este neglijabilă în comparație cu costul înlocuirii unității și cu timpul de oprire a producției.

Lungimea cablului motorului și filtrarea ieșirii

Cablurile lungi ale motorului dintre un VFD și motor creează fenomene de reflexie a tensiunii la bornele motorului - impulsurile de tensiune PWM cu creștere rapidă reflectă discontinuitatea impedanței cablului-motor și pot produce tensiuni de vârf la bornele motorului, depășind semnificativ tensiunea magistralei DC a convertizorului. Ca un ghid general, atunci când lungimea cablului motorului depășește 50 de metri (aproximativ 150 de picioare) , trebuie instalat un filtru dV/dt de ieșire sau un filtru de undă sinusoidală între unitate și motor pentru a proteja izolația înfășurării motorului. Acest lucru este deosebit de important pentru motoarele mai vechi care nu sunt evaluate pentru serviciul invertor, care au o izolație mai subțire a înfășurării decât modelele moderne cu invertor.

Probleme comune VFD și cum să le depanați

Chiar și unitățile bine specificate și instalate corect întâmpină probleme de funcționare. Majoritatea defecțiunilor sunt repetabile și diagnosticabile din istoricul defecțiunilor unității, combinat cu cunoașterea condițiilor de aplicare la momentul defecțiunii.

Defecțiuni la supracurent

Declanșările la supracurent apar atunci când motorul consumă mai mult curent decât pragul de supracurent al convertizorului - setat de obicei la 150-200% din curentul nominal. Cele mai frecvente cauze sunt timpii de rampă de accelerație setați prea scurt pentru inerția de sarcină conectată, blocarea mecanică sau blocarea echipamentului antrenat, parametrii incorecți ai motorului programați în unitate sau un motor defect cu spirele înfășurării în scurtcircuit care atrag curent în exces. Verificați marcajul de timp al jurnalului de defecțiuni în raport cu condițiile procesului, verificați setările rampei de accelerație față de cerințele reale de inerție ale sarcinii și confirmați că parametrii de pe plăcuța de identificare a motorului sunt introduși corect în configurarea convertizorului.

Defecțiuni de supratensiune la decelerare

Când un motor decelerează, acesta acționează ca un generator, împingând energia înapoi în magistrala DC a VFD-ului. Dacă viteza de decelerare este mai rapidă decât poate absorbi condensatorii magistralei DC sau rezistența de frânare se poate disipa, tensiunea magistralei DC crește până când convertizorul se declanșează la supratensiune. Soluția este, de obicei, de a prelungi timpul rampei de decelerare, de a verifica dacă o rezistență de frânare de dimensiuni adecvate este instalată și funcțională sau de a trece la o unitate regenerativă dacă decelerația rapidă frecventă a sarcinilor cu inerție mare este o cerință inerentă a aplicației.

Defecțiuni de supratemperatură

VFD-urile generează căldură din pierderile de comutare în stadiul invertorului IGBT - de obicei 3 până la 5% din puterea de transfer nominală ca căldură. Această căldură trebuie îndepărtată de sistemul de răcire al unității, care constă din radiatoare interne și ventilatoare de răcire cu aer forțat. Defecțiunile de supratemperatura indică faptul că temperatura internă a unității a depășit pragul de funcționare sigur. Cauzele obișnuite includ orificiile de ventilație blocate sau aripioarele radiatorului înfundate cu praf, temperatura ambientală în carcasă care depășește valoarea maximă nominală a unității (de obicei 40–50°C), ventilație insuficientă într-o carcasă etanșă sau un ventilator de răcire intern defect. Curățarea regulată a aripioarelor radiatorului și verificarea adecvării ventilației carcasei previne majoritatea defecțiunilor de supratemperatura.

Declanșări de eroare la pământ

Declanșările de defecțiune la pământ indică curentul care curge de la una sau mai multe faze ale motorului la masă - cel mai frecvent prin izolarea înfășurării motorului degradată sau prin deteriorarea cablului motorului. Deoarece ieșirea VFD conține componente PWM de înaltă frecvență, curentul de scurgere prin capacitatea cablului la masă este inerent și crește odată cu lungimea cablului. Unitățile setate cu praguri de eroare la pământ foarte sensibile pot declanșa neplăcut pe acest curent de scurgere în instalațiile cu cabluri lungi de motor. Dacă o declanșare a erorii de împământare nu poate fi corelată cu defecțiunea reală a izolației, verificați setarea sensibilității la eroarea la pământ a unității și verificați rezistența izolației motorului cu un megaohmmetru (minim 1 MΩ la 500V DC este un prag standard de acceptare pentru motoarele în serviciu VFD).

Cele mai bune practici de instalare a VFD care previn majoritatea problemelor de teren

Majoritatea problemelor de teren VFD - declanșări neplăcute, defecțiuni premature, interferențe cu echipamentele din apropiere - se regăsesc mai degrabă la erori de instalare decât la defecte ale unității. Respectarea ghidurilor de instalare stabilite elimină majoritatea acestor probleme înainte ca acestea să apară.

• Folosiți cablu de motor ecranat. Cablul ecranat cu ecranul împământat la ambele capete conține curenții în modul comun de înaltă frecvență generați de comutarea PWM și îi împiedică să radieze în cablarea semnalului adiacent sau sistemele de control. Cablul de motor neecranat în instalațiile VFD este cea mai comună cauză a plângerilor de interferență electromagnetică (EMI) în mediile industriale.
• Separați cablurile motorului de cablurile de control și semnal. Direcționați cablurile motorului într-un conduct sau un suport de cabluri dedicat, separat fizic de cablurile de instrumente, cablurile de semnal analogic și cablurile magistralei de comunicație. O separare de cel puțin 300 mm (12 inchi) este minimul; traversarea la 90 de grade este acceptabilă acolo unde separarea fizică nu poate fi menținută.
• Instalați reactoare de linie sau filtre de intrare pe unități mari. Acționările de peste aproximativ 15 kW consumă curent nesinusoidal din sursă, care introduce distorsiuni armonice în sistemul de alimentare - potențial provocând supraîncălzirea transformatoarelor și condensatoarelor și interferând cu alte echipamente sensibile. Un reactor de linie de impedanță de 3–5% pe intrarea convertizorului reduce substanțial injecția de armonici și oferă, de asemenea, protecție împotriva tranzitorilor de tensiune de alimentare.
• Păstrați spațiu liber adecvat în jurul unității pentru fluxul de aer. Majoritatea producătorilor de unități specifică distanțe minime deasupra, dedesubt și pe părțile laterale ale unității pentru un management termic adecvat. Ignorarea acestor distanțe într-un aspect aglomerat de panouri creează puncte fierbinți care accelerează îmbătrânirea condensatorului și reduc fiabilitatea IGBT.
• Nu instalați contactori de izolare între ieșirea VFD și motor care se deschid sub sarcină. Deschiderea unui contactor în timp ce VFD-ul furnizează curent creează un arc de înaltă tensiune și o supratensiune care poate distruge instantaneu IGBT-urile de ieșire. Dacă este necesară izolarea motorului pentru siguranță, comandați întotdeauna convertizorului să treacă la viteza zero înainte de a deschide orice contactor de pe partea de ieșire.
• Puneți în funcțiune unitatea cu motorul decuplat de sarcină, acolo unde este posibil. Pornirea motorului singur la început permite verificarea parametrilor și confirmarea direcției de rotație fără riscul de a deteriora echipamentul antrenat dacă rotirea este incorectă sau dacă o defecțiune provoacă o oprire necontrolată.