¿Cómo elegir el convertidor de frecuencia para el motor?

La regulación de velocidad de frecuencia variable de motores asíncronos se ha utilizado ampliamente. Hay muchos tipos de diseños de inversores. Para promocionar sus productos, los proveedores de convertidores de frecuencia promueven vigorosamente sus propias ventajas, mientras que las desventajas de otros productos son deslumbrantes. Los usuarios de convertidores de frecuencia suelen hacer muchas preguntas sobre cómo aplicar y comparar soluciones de forma razonable. Los desarrolladores de convertidores de frecuencia suelen hacer preguntas sobre el posicionamiento y las perspectivas del producto al demostrar soluciones. Basándose en mis muchos años de experiencia en este campo, al autor le gustaría compartir sus puntos de vista sobre las siguientes cuestiones.

Diversos productos deben tener sus propias ventajas y desventajas siempre que consigan una posición firme en el mercado. El mercado es despiadado. Si todas son deficiencias, el producto será eliminado. Si todas son ventajas, otras serán eliminadas. El autor espera utilizar este foro para generar debates, deshacerse del revuelo comercial y devolver las cosas a su verdadero color. Las siguientes son opiniones personales y son sólo de referencia. Algunos de los precios involucrados se utilizan para comparar planes, no precios de compra reales y no involucran actividades comerciales.

(1) Niveles de voltaje razonables para la regulación de velocidad de ahorro de energía de alta potencia

El uso de regulación de velocidad de frecuencia variable para ventiladores y bombas de agua de potencia grande y media puede ahorrar una gran cantidad de energía eléctrica. energía, con la mayor parte de la potencia en el rango de 0,2-2 MW. En la actualidad, la mayoría de nuestros motores de más de 200 KW son de media tensión, con un nivel de tensión de 10 KV, y un pequeño número son de 6 KV. Elegir una conversión de frecuencia "directa" de 10 KV no es razonable desde un punto de vista técnico y económico. Todas las conversiones de frecuencia "directas" no son verdaderas conversiones de frecuencia directa. Hay un transformador en el lado de entrada, por lo que no es necesario que el motor y el inversor sean consistentes con el voltaje de la red. Este artículo analiza los niveles de voltaje razonables para diferentes segmentos de energía.

(2) Control vectorial y control directo de par en sistemas de control de velocidad de altas prestaciones.

El control vectorial en sistemas de control de velocidad de alto rendimiento se inventó a finales de los años 1970, se comercializó en los años 1980 y todavía lo utilizan la mayoría de las empresas en la actualidad. El par directo se inventó a finales de los años 1980, fue adoptado por algunas empresas, se comercializó a principios de los años 1990 y se promocionó ampliamente como una tecnología de nueva generación. Este artículo presenta las opiniones del autor sobre estos dos sistemas.

(3) Sistemas con sensor de velocidad (posición) y sin sensor de velocidad (posición).

En las etapas iniciales de desarrollo de los sistemas de control vectorial y control directo de par, es necesario instalar sensores (codificadores) de velocidad (posición). En algunos casos resulta difícil instalar un codificador, por lo que se desarrolló un sistema sin sensores de velocidad (posición). Aunque no es tan bueno como el anterior, es peor que el sistema de lazo abierto V/f. Alguna publicidad ahora afirma que el rendimiento de arranque a baja velocidad del sistema sin codificador ha alcanzado el nivel del sistema con codificador, lo cual es ambiguo. Este artículo analiza cuándo instalar un codificador y cuándo no.

2 Niveles de voltaje razonables para transmisiones de alta potencia con ajuste de velocidad y ahorro de energía

El uso de regulación de velocidad de frecuencia variable para bombas de agua y ventiladores de potencia grandes y medianos puede ahorrar mucho energía eléctrica, con la mayor parte de la potencia en el rango de 200-2000KW. Nuestros motores de CA existentes son de 200 KW, de bajo voltaje de 380 V por debajo de 200 KW, de voltaje medio por encima de 200 KW: 3 KV, 6 KV, 10 KV. Desde la perspectiva de reducir las pérdidas en las líneas, el departamento de energía espera aumentar el voltaje de suministro. Se canceló 3KV, se está eliminando 6KV, se está promoviendo vigorosamente 10KV y es posible que se actualice a 20KV en el futuro. A partir de la configuración simplificada, los usuarios naturalmente plantearon requisitos, con la esperanza de que los motores y transformadores de más de 200 KW también puedan usar 10 KV. Desafortunadamente, este requisito razonable es técnicamente difícil de lograr y económicamente costoso porque:

A. Los motores de 10 kV no son difíciles de fabricar, pero a medida que aumenta el voltaje, aumenta el nivel de aislamiento y el peso y el precio del motor también aumentan. Tomemos como ejemplo el motor de 560 KW de 4 polos de la serie YJS: 380 V pesa 3,6 T y cuesta 110.000;

B. Limitado por el voltaje de los dispositivos electrónicos de potencia y el dv/dt permitido del motor, el inversor de 10KV debe ser multinivel y multidispositivo conectado en serie. Esto da como resultado circuitos complejos, precios elevados y poca confiabilidad. Si se utiliza un dispositivo IGBT de 1700V en un inversor de 10KV, se requieren 10 strings y 120 dispositivos trifásicos. Si utiliza dispositivos de 3300 V, aún necesitará 5 series de dispositivos de 60 V, que es una cantidad enorme. Por otro lado, la corriente es pequeña y la capacidad actual del dispositivo no se puede utilizar por completo.

Tomando 560KW como ejemplo, la corriente del motor de 10KV es solo de aproximadamente 40A. Ahora la corriente del IGBT de 1700V ha alcanzado los 2400A y la corriente del dispositivo de 3300V ha alcanzado los 1600A. Es extremadamente irrazonable conectar una gran cantidad de dispositivos de corriente pequeños en serie sin usarlos. Dispositivos de alta corriente. Incluso si la potencia del motor alcanza los 2000 KV, la corriente es sólo de unos 140 A, lo que sigue siendo muy pequeño.

Para aislar el nivel, mejorar la forma de onda de la corriente de entrada y reducir los armónicos, todos los "convertidores directos" de media tensión no son verdaderos convertidores directos y están equipados con transformadores de entrada en el lado de entrada. Este acuerdo no cambiará en el corto plazo. Dado que hay un transformador en el lado de entrada, dado que el voltaje del inversor y el motor es el mismo que el voltaje de la red, no hay necesidad de usar 10KV y 6KV, por lo que existe un problema de niveles razonables de voltaje del inversor y el motor. . Además, en el pasado, la demarcación de voltaje medio y bajo de 200 KW para motores se determinaba cuando el motor se arrancaba directamente. La corriente de arranque era de 7 a 8 veces la corriente nominal, la capacidad del transformador de potencia de 10 KV/380 V era de 2000 KVA. la impedancia de cortocircuito fue de aproximadamente el 6% y el motor arrancó a 380 V. La caída de voltaje del bus está limitada a aproximadamente el 5%. Si el transformador amplifica la corriente de cortocircuito, el interruptor de bajo voltaje no puede resistirla. Después de ajustar la velocidad del convertidor de frecuencia, la corriente de arranque se limita al valor nominal y las condiciones límite de voltaje medio y bajo también deben cambiar en consecuencia. En la actualidad, la capacidad de los motores de bajo voltaje de 660 V ha alcanzado los 1000-1200 KW, lo que también proporciona una base para discutir niveles de voltaje razonables.

El punto de partida de este artículo es analizar niveles de voltaje razonables:

A. El inversor de bajo voltaje utiliza IGBT de 1200 V o 1700 V, la corriente nominal del dispositivo es inferior a 1800 A. -2400A, y el número de conexiones paralelas no es más de 2. Es problemático realizar múltiples conexiones en paralelo. Es mejor cambiar a una conexión en serie de varios niveles y una conversión de frecuencia de voltaje medio.

b Hay muchos tipos de dispositivos y niveles de voltaje utilizados en la conversión de frecuencia de voltaje medio, y las soluciones de circuito correspondientes también son diferentes. Este artículo se basa en los productos más populares actualmente en el mercado, que son el esquema de multiplexación de alimentación de CC (serie de puente H) (SDM) basado en IGBT de 1700 V y esquema de tres niveles IGBT o IGCT o IEGT basado en 3300 V, 4500 V, 6000 V. IGBT (THL).

La literatura [1] analiza niveles de voltaje razonables, por lo que no entraré en detalles aquí. Solo enumero los siguientes puntos:

Para la regulación de la velocidad de conversión de frecuencia por debajo de 800-1200 kw, se debe seleccionar un nivel de voltaje de 380 V o 660 V. El circuito es simple, la tecnología es madura, la confiabilidad es alta, el dv/dt es pequeño y el precio es bajo. Tomando como ejemplo un motor de 560 KW, hay alrededor de 500.000 inversores de bajo voltaje de 630 KW 660 V 660 V y alrededor de 900.000 inversores de voltaje medio de 2300 V con la misma capacidad. Hay varios métodos de implementación: bajo-bajo, bajo-alto, alto-. bajo, alto -Bajo-Alto. Debido a que el precio de los motores y transformadores es mucho menor que el de los inversores, es razonable reemplazarlos.

b La conversión de frecuencia de media tensión se puede utilizar para regular la velocidad por encima de 1000-1500 kw.

Los inversores de media tensión extranjeros tienen varios niveles de tensión: 1,1 kV, 2,3 kV, 3 kV y 4,2 kV, 6 kV, que están determinados principalmente por el nivel de tensión de los dispositivos electrónicos de potencia. Cuando el equipo de THL no está conectado en serie y el puente de SDM no está conectado en serie, la relación entre el voltaje del equipo y el voltaje del inversor se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1 Relación entre el voltaje del equipo y el voltaje del inversor sin conexión en serie

Tensión del equipo (V) 1700 3300 4500 6000

Tensión del inversor (KV) 1,1 2,3 3 4.2

El voltaje máximo actual del dispositivo es 6000V y el voltaje máximo del inversor es 4.2KV, sin conexión en serie. Los inversores de 6KV deben conectarse en serie, el circuito es complejo, hay muchos componentes y la confiabilidad se ve afectada. Los inversores de 6KV rara vez se fabrican en el extranjero y los inversores de 10KV básicamente no se fabrican. En principio, SDM se conecta en serie a través de unidades de puente H. El voltaje de salida del inversor no está limitado por el voltaje del dispositivo y puede ser mayor. Sin embargo, el costo de aumentar el voltaje es una gran cantidad de dispositivos y una confiabilidad reducida. Para un inversor con la misma potencia de salida, el costo de usar más unidades con mayor voltaje en serie es mayor que el costo de usar unidades con menor voltaje, menos unidades y mayor corriente. Es decir, si la corriente del dispositivo lo permite. El nivel de voltaje debe ser lo más bajo posible.

Muchas aplicaciones requieren una función de bypass, es decir, cuando el inversor falla, el motor será puenteado y conectado directamente a la red eléctrica para trabajar a una velocidad constante.

Para reducir el costo del inversor, cómo puentear el motor cuando el voltaje es menor que el voltaje de la red es un problema que debe resolverse. Este problema se puede solucionar. Con respecto a los diferentes métodos de derivación del inversor, la derivación del inversor se refiere a conectar el motor directamente a la red y trabajar a una velocidad constante cuando falla el inversor. Si el voltaje del motor es consistente con el voltaje de la red, la derivación no es un problema. Para reducir el costo del inversor, el tema que se discutirá aquí es cómo evitarlo cuando el voltaje del motor es menor que el voltaje de la red.

Si se utiliza la conversión de frecuencia de bajo voltaje, el voltaje de CA de entrada del convertidor de frecuencia es el mismo que el voltaje de salida nominal, y el motor puede pasar por alto el convertidor de frecuencia y conectarse directamente al voltaje de bajo voltaje. Fuente de alimentación de 380V o 660V.

Si se utiliza la conversión de frecuencia de media tensión THL, los dos lados secundarios del convertidor de frecuencia de entrada se pueden conectar en serie para suministrar energía al motor, como se muestra en la Figura 1. Cuando los tres interruptores están conectados a "1", el inversor funciona; cuando los tres interruptores están conectados a "2", se desvían y los dos conjuntos de voltajes de línea del lado secundario que entran al transformador son iguales a 1,5 Vm/2. respectivamente (Vm es el voltaje de entrada nominal del motor), la diferencia es 300. El voltaje después de conectarlos en serie es 1,5 VM cos 150 = 1,01 VM, que es exactamente la fuente de alimentación.

Si se utiliza un inversor SDM, hay demasiados lados secundarios de entrada al inversor y es imposible puentear el inversor cambiando el cableado. Sólo se puede puentear la unidad defectuosa. La salida de la unidad defectuosa se cortocircuitará a través de los contactos y los IGBT de la unidad se bloquearán. En el diseño de este inversor se tienen en cuenta las condiciones de funcionamiento de la unidad de bypass. Si es necesario puentear el convertidor de frecuencia, solo se puede agregar un transformador reductor de respaldo, lo cual es razonable cuando hay varios convertidores de frecuencia conectados a una red eléctrica.

Al diseñar el canal de fibra, se debe prestar atención a comprobar el par de arranque cuando el motor se arranca directamente. Por ejemplo, la impedancia de cortocircuito del transformador es del 6%, la capacidad es 1,1 veces la capacidad del inversor, la corriente de arranque del motor es 7 veces, el voltaje de arranque del motor es 0,72 Vm, el par de arranque es 0,52 veces el par de arranque nominal , que debe ser mayor que el par de carga. Si el par de arranque no es suficiente, sólo puede aumentar la capacidad del transformador o elegir un transformador de impedancia de cortocircuito pequeño.

Control vectorial y control directo de par en sistemas de control de velocidad de alto rendimiento

La tarea del sistema de control de velocidad es controlar la velocidad, y la velocidad cambia según el par. El rendimiento del sistema de control de velocidad depende de la calidad del control del par. Las tareas del control vectorial (VC) y el control directo de par (DTC) son lograr un control de par de alto rendimiento y sus partes de regulación de velocidad son las mismas.

El par de un motor asíncrono es igual al producto vectorial del vector de flujo por el vector de corriente del estator. El enlace de flujo no se puede medir directamente y debe calcularse a través del voltaje del estator, la corriente y los parámetros del motor.

Debido a que el voltaje y la corriente del estator son cantidades de CA, son más problemáticos de manejar. Por lo tanto, en el sistema de control VC, con la ayuda de la transformación de coordenadas, se convierten en cantidades de CC en el sistema de coordenadas dq, y las cantidades de control calculadas se transforman nuevamente al sistema de coordenadas de CA para generar señales PWM. Para obtener un buen rendimiento tanto a alta como a baja velocidad, se deben utilizar modelos tanto de tensión como de corriente, lo que implica muchos parámetros del motor.

En el sistema DTC, la corriente alterna se utiliza directamente para calcular el par y el enlace de flujo, y luego los dos controladores de correa a banda del par y el enlace de flujo generan señales PWM, eliminando la necesidad de transformación de coordenadas. . En los primeros días del desarrollo del DTC, no se consideraban las condiciones de funcionamiento a baja velocidad y, basándose en el enlace del flujo del estator, solo estaba involucrado un parámetro del motor. Por lo tanto, los proveedores de DTC promovieron enérgicamente que el cálculo del DTC fuera simple e involucrara la menor cantidad de parámetros del motor. y tiene alta precisión. De hecho, después de considerar las condiciones de funcionamiento a baja velocidad, el DTC también debe introducir un modelo actual y utilizar el flujo del rotor, que implica tantos parámetros del motor como VC, por lo que la precisión es la misma. DTC no tiene transformación de coordenadas y la fórmula de cálculo es simple. Sin embargo, para lograr el control de la banda, se debe calcular varias veces dentro de un ciclo de conmutación, lo que requiere una velocidad de cálculo rápida. Tomando como ejemplo la serie ACS600 de ABB, su ciclo de cálculo es de 25 μs. El valor promedio del voltaje y la corriente dentro de un ciclo de conmutación se mide en VC y luego se calcula un ciclo. El requisito de velocidad de cálculo es bajo. Tomando como ejemplo la serie 6SE70 de Siemens, su ciclo de cálculo es de 400μs, una diferencia de 16 veces. El cálculo de la transformación vectorial no es más que una suma cuatro por dos, lo cual no es nada dadas las capacidades de los procesadores actuales. Además, el flujo del estator no es una patente de DTC. Algunos sistemas VC también se basan en el flujo del estator.

A juzgar por las muestras del producto, el tiempo de respuesta del control de par del ACS600 (DTC) es de 5 ms y el tiempo de respuesta del 6SE70 (VC) es de 5 ms, lo cual es insoportable para la rápida respuesta de la maquinaria.

Algunas personas piensan que DTC utiliza el control de banda a banda de la amplitud del flujo para obtener un campo magnético aproximadamente circular. Las fluctuaciones en la amplitud del flujo causarán fluctuaciones de torque, mientras que VC es un control continuo y el. amplitud del flujo Sin cambios, sin ondulaciones del par. Esta visión también es incorrecta. Debido a la existencia de control de banda de torque en DTC, el torque promedio no fluctuará debido a cambios en el enlace de flujo y solo afecta la forma de onda actual. Para VC, dado que el inversor funciona en modo PWM, es incontrolable y discontinuo dentro de un ciclo de conmutación, y también hay problemas con la ondulación de la corriente y la ondulación del par. La ondulación del par del 6SE70 es del 2%.

En resumen, el autor cree que no existe una diferencia esencial entre los dos sistemas, pero toman caminos diferentes a la hora de conseguir el control del par. No hay duda de quién es mejor que el otro o quién sustituye al otro. otro.

4 Sistemas con sensor de velocidad (posición) y sin sensor de velocidad (posición).

En las etapas iniciales de desarrollo de sistemas de control vectorial y control directo de par, es necesario instalar un codificador en el eje del motor para medir la señal de velocidad (posición). En algunos casos resulta difícil instalar un codificador, por lo que se desarrolló un sistema sin sensores de velocidad. Los sistemas sin sensores de velocidad son un tema candente ahora y existen muchos métodos, pero todos se basan en el mismo principio: el método del modelo de voltaje y corriente.

El modelo de voltaje utiliza menos parámetros del motor. Cuando la velocidad de rotación es superior al 5-10% (alta velocidad), la precisión del cálculo es mayor. Cuando es inferior al 5-10% (baja velocidad), el error de cálculo es mayor porque el voltaje es demasiado pequeño. El modelo actual utiliza muchos parámetros del motor, especialmente afectados por los cambios en la resistencia del rotor, y el error de cálculo es ligeramente mayor, pero este error no tiene nada que ver con la velocidad. En sistemas con sensores de velocidad, el modelo de voltaje se usa a altas velocidades y la precisión del control es alta; el modelo actual se usa a bajas velocidades y, aunque la precisión no es tan buena como a altas velocidades, aún puede funcionar normalmente. En el sistema sin sensor de velocidad, la velocidad y la velocidad angular a alta velocidad se identifican comparando los resultados del cálculo del modelo de voltaje y corriente, por lo que el sistema de sensor de velocidad solo puede alcanzar el nivel a baja velocidad, debido a la imprecisión; Modelo de voltaje, no hay referencia, no se puede identificar, el sistema solo puede abandonar el control vectorial y trabajar en bucle abierto. Los sistemas de control vectorial sin sensores de velocidad actualmente en el mercado son todos sistemas de circuito abierto de baja velocidad con bajo rendimiento. Solo son adecuados para ocasiones en las que no hay condiciones de funcionamiento a baja velocidad a largo plazo y la precisión de la regulación de velocidad a alta velocidad no es alta.

Algunas empresas afirman que sus sistemas de control vectorial sin sensores de velocidad pueden producir el par máximo cuando están parados, lo cual es cierto, pero también es propaganda. Porque en estado estacionario, se sabe que la velocidad es cero y no es necesario identificarla, pero una vez que gira, correr a baja velocidad durante mucho tiempo no funcionará.

El rendimiento del inversor serie 6SE70 con y sin encoder se muestra en la Tabla 2.

6 Conclusiones

1) No es razonable utilizar una "conversión de frecuencia directa" de 6kv10kv para la regulación de velocidad de ahorro de energía de alta potencia. Se debe seleccionar un nivel de voltaje razonable en función de la potencia. . Los inversores de alta potencia utilizan alto voltaje, intentan utilizar dispositivos de alta corriente y reducen la cantidad de dispositivos conectados en serie.

2) El control vectorial y el control directo del par tienen cada uno sus propias ventajas y desventajas, pero diferentes empresas toman caminos diferentes. No hay duda de quién es mejor que quién o quién reemplaza a quién.

3) El sistema sin sensor de velocidad solo es adecuado para ocasiones en las que no existen condiciones de trabajo a baja velocidad a largo plazo y bajos requisitos de rendimiento a altas velocidades.

4) La situación actual en China es que el nivel de voltaje de 380v representa una gran parte de los motores con niveles de potencia de 200 kW-315 kW.

5) Las ventajas y desventajas de VC y DTC son ampliamente publicitadas. Que discutan.

6) Considere la racionalidad de la selección del nivel de voltaje de conversión de frecuencia desde la perspectiva del rendimiento del costo. Por debajo de 315 kW, puede elegir 380 V, 250-800 kW puede elegir 660 V y por encima de 500 kW, puede elegir 6 kV de alto. -Conversión de alta frecuencia o 6kv, 10kv alto-bajo -Conversión de alta frecuencia.

7) Alto - Los precios altos de los productos son altos. Los productos alto-bajo-alto ocupan la posición de los transformadores, con un consumo de energía ligeramente mayor, pero buena confiabilidad y buenos precios.