El convertidor de frecuencia es una tecnología que debe dominarse al realizar trabajos eléctricos. Su uso para controlar motores es un método común en el control eléctrico; algunos también requieren dominio de su uso.
1.En primer lugar, ¿por qué utilizar un convertidor de frecuencia para controlar un motor?
El motor es una carga inductiva, lo que dificulta el cambio de corriente y producirá un gran cambio en la corriente al arrancar.
El inversor es un dispositivo de control de energía eléctrica que utiliza la función de encendido y apagado de dispositivos semiconductores de potencia para convertir la fuente de alimentación de frecuencia industrial a otra frecuencia. Se compone principalmente de dos circuitos: el circuito principal (módulo rectificador, condensador electrolítico y módulo inversor) y el circuito de control (placa de fuente de alimentación conmutada, placa de circuito de control).
Para reducir la corriente de arranque del motor, especialmente en motores de mayor potencia, cuanto mayor sea la potencia, mayor será la corriente de arranque. Una corriente de arranque excesiva sobrecargará la red eléctrica. El convertidor de frecuencia puede solucionar este problema de arranque y permitir que el motor arranque suavemente sin generar una corriente de arranque excesiva.
Otra función del uso de un convertidor de frecuencia es ajustar la velocidad del motor. En muchos casos, es necesario controlar la velocidad del motor para obtener una mayor eficiencia de producción, y la regulación de la velocidad del convertidor de frecuencia siempre ha sido su principal característica. El convertidor de frecuencia controla la velocidad del motor modificando la frecuencia de la fuente de alimentación.
2.¿Cuáles son los métodos de control del inversor?
Los cinco métodos más utilizados para controlar motores de inversor son los siguientes:
A. Método de control de modulación de ancho de pulso sinusoidal (SPWM)
Se caracteriza por su sencilla estructura de circuito de control, bajo costo, buena resistencia mecánica y capacidad para regular la velocidad de forma uniforme en transmisiones generales. Se utiliza ampliamente en diversos sectores industriales.
Sin embargo, a bajas frecuencias, debido al bajo voltaje de salida, el par se ve significativamente afectado por la caída de voltaje de resistencia del estator, lo que reduce el par de salida máximo.
Además, sus características mecánicas no son tan robustas como las de los motores de CC, y su capacidad de par dinámico y su rendimiento de regulación de velocidad estática no son satisfactorios. Además, el rendimiento del sistema es bajo, la curva de control cambia con la carga, la respuesta de par es lenta, la tasa de utilización del par del motor es baja y el rendimiento disminuye a baja velocidad debido a la resistencia del estator y al efecto de zona muerta del inversor, lo que deteriora la estabilidad. Por lo tanto, se ha estudiado la regulación de velocidad de frecuencia variable con control vectorial.
B. Método de control del vector espacial de voltaje (SVPWM)
Se basa en el efecto de generación global de la forma de onda trifásica, con el propósito de aproximarse a la trayectoria ideal del campo magnético giratorio circular del entrehierro del motor, generando una forma de onda de modulación trifásica a la vez y controlándola en forma de polígono inscrito que se aproxima al círculo.
Tras su uso práctico, se han realizado mejoras, incluyendo la introducción de compensación de frecuencia para eliminar el error de control de velocidad; la estimación de la amplitud del flujo mediante retroalimentación para eliminar la influencia de la resistencia del estator a baja velocidad; y el cierre del bucle de tensión y corriente de salida para mejorar la precisión dinámica y la estabilidad. Sin embargo, debido a la gran cantidad de conexiones del circuito de control y a la falta de ajuste de par, el rendimiento del sistema no se ha mejorado significativamente.
C. Método de control de vectores (CV)
La esencia es equiparar el motor de CA a un motor de CC y controlar de forma independiente la velocidad y el campo magnético. Al controlar el flujo del rotor, la corriente del estator se descompone para obtener las componentes de par y campo magnético, y la transformación de coordenadas se utiliza para lograr un control ortogonal o desacoplado. La introducción del método de control vectorial es trascendental. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, dado que el flujo del rotor es difícil de observar con precisión, las características del sistema se ven considerablemente afectadas por los parámetros del motor, y la transformación de rotación vectorial utilizada en el proceso de control equivalente de un motor de CC es relativamente compleja, lo que dificulta que el efecto de control real logre el resultado de análisis ideal.
D. Método de control directo de par (DTC)
En 1985, el profesor DePenbrock, de la Universidad del Ruhr (Alemania), propuso por primera vez la tecnología de conversión de frecuencia para el control directo del par. Esta tecnología ha solucionado en gran medida las deficiencias del control vectorial mencionado anteriormente y se ha desarrollado rápidamente con novedosas ideas de control, una estructura de sistema concisa y clara, y un excelente rendimiento dinámico y estático.
Actualmente, esta tecnología se ha aplicado con éxito a la tracción de locomotoras eléctricas con transmisión de CA de alta potencia. El control directo de par analiza directamente el modelo matemático de los motores de CA en el sistema de coordenadas del estator y controla el flujo magnético y el par del motor. No requiere equiparar los motores de CA con los de CC, lo que elimina muchos cálculos complejos en la transformación de rotación vectorial; no necesita imitar el control de los motores de CC ni simplificar el modelo matemático de los motores de CA para el desacoplamiento.
E. Método de control CA-CA de matriz
La conversión de frecuencia VVVF, la conversión de frecuencia de control vectorial y la conversión de frecuencia de control directo de par son tipos de conversión de frecuencia CA-CC-CA. Sus desventajas comunes son el bajo factor de potencia de entrada, la alta corriente armónica, el gran condensador de almacenamiento de energía requerido para el circuito de CC y la imposibilidad de realimentar la energía regenerativa a la red eléctrica, es decir, no puede operar en cuatro cuadrantes.
Por esta razón, surgió la conversión de frecuencia matricial CA-CA. Dado que esta tecnología elimina el enlace de CC intermedio, se elimina el costoso y voluminoso condensador electrolítico. Puede alcanzar un factor de potencia de 1, una corriente de entrada sinusoidal y operar en cuatro cuadrantes, con una alta densidad de potencia. Aunque esta tecnología aún no está madura, sigue atrayendo a muchos investigadores para realizar investigaciones exhaustivas. Su esencia no reside en controlar indirectamente la corriente, el flujo magnético ni otras magnitudes, sino en utilizar directamente el par como magnitud controlada para lograrlo.
3. ¿Cómo controla un motor un convertidor de frecuencia? ¿Cómo se conectan ambos?
El cableado del inversor para controlar el motor es relativamente simple, similar al cableado del contactor, con tres líneas de alimentación principales que entran y luego salen del motor, pero las configuraciones son más complicadas y las formas de controlar el inversor también son diferentes.
En primer lugar, en cuanto a los terminales del inversor, si bien existen muchas marcas y diferentes métodos de cableado, los terminales de la mayoría de los inversores no presentan grandes diferencias. Generalmente se dividen en entradas de interruptor de avance y retroceso, que se utilizan para controlar el arranque del motor. Los terminales de retroalimentación se utilizan para informar sobre el estado de funcionamiento del motor.incluyendo frecuencia de operación, velocidad, estado de falla, etc.
Para controlar la velocidad, algunos convertidores de frecuencia utilizan potenciómetros, otros directamente botones, todos ellos controlados mediante cableado físico. Otra opción es usar una red de comunicación. Muchos convertidores de frecuencia ahora admiten control por comunicación. La línea de comunicación permite controlar el arranque y la parada, la rotación hacia adelante y hacia atrás, el ajuste de velocidad, etc., del motor. Al mismo tiempo, la información de retroalimentación también se transmite mediante comunicación.
4.¿Qué sucede con el par de salida de un motor cuando cambia su velocidad de rotación (frecuencia)?
El par de arranque y el par máximo cuando se acciona mediante un convertidor de frecuencia son menores que cuando se acciona directamente mediante una fuente de alimentación.
El motor tiene un gran impacto en el arranque y la aceleración cuando se alimenta con una fuente de alimentación, pero este impacto es menor cuando se alimenta con un convertidor de frecuencia. El arranque directo con una fuente de alimentación genera una corriente de arranque elevada. Al utilizar un convertidor de frecuencia, la tensión y la frecuencia de salida del convertidor se añaden gradualmente al motor, por lo que la corriente de arranque y el impacto son menores. Normalmente, el par generado por el motor disminuye a medida que disminuye la frecuencia (disminuye la velocidad). Los datos reales de esta reducción se explican en algunos manuales de convertidores de frecuencia.
El motor habitual está diseñado y fabricado para una tensión de 50 Hz, y su par nominal también se proporciona dentro de este rango de tensión. Por lo tanto, la regulación de velocidad por debajo de la frecuencia nominal se denomina regulación de velocidad de par constante. (T = Te, P <= Pe)
Cuando la frecuencia de salida del convertidor de frecuencia es mayor a 50 Hz, el par generado por el motor disminuye en una relación lineal inversamente proporcional a la frecuencia.
Cuando el motor funciona a una frecuencia mayor a 50 Hz, se debe considerar el tamaño de la carga del motor para evitar un torque de salida insuficiente.
Por ejemplo, el par generado por el motor a 100 Hz se reduce a aproximadamente la mitad del par generado a 50 Hz.
Por lo tanto, la regulación de velocidad por encima de la frecuencia nominal se denomina regulación de velocidad de potencia constante. (P=Ue*Ie).
5. Aplicación del convertidor de frecuencia por encima de 50 Hz
Para un motor específico, su voltaje nominal y su corriente nominal son constantes.
Por ejemplo, si los valores nominales del inversor y del motor son ambos: 15 kW/380 V/30 A, el motor puede funcionar por encima de 50 Hz.
Cuando la velocidad es de 50 Hz, la tensión de salida del inversor es de 380 V y la corriente de 30 A. En este caso, si la frecuencia de salida se incrementa a 60 Hz, la tensión y la corriente de salida máximas del inversor solo pueden ser de 380 V/30 A. Obviamente, la potencia de salida permanece invariable, por lo que se denomina regulación de velocidad a potencia constante.
¿Cómo es el torque en este momento?
Debido a que P = wT(w; velocidad angular, T: torque), dado que P permanece sin cambios y w aumenta, el torque disminuirá en consecuencia.
También podemos verlo desde otro ángulo:
El voltaje del estator del motor es U=E+I*R (I es la corriente, R es la resistencia electrónica y E es el potencial inducido).
Se puede ver que cuando U e I no cambian, E tampoco cambia.
Y E=k*f*X (k: constante; f: frecuencia; X: flujo magnético), por lo que cuando f cambia de 50–>60Hz, X disminuirá en consecuencia.
Para el motor, T=K*I*X (K: constante; I: corriente; X: flujo magnético), por lo que el par T disminuirá a medida que disminuya el flujo magnético X.
Al mismo tiempo, cuando es inferior a 50 Hz, dado que I*R es muy pequeño, cuando U/f = E/f no cambia, el flujo magnético (X) es constante. El par T es proporcional a la corriente. Por ello, la capacidad de sobrecorriente del inversor se utiliza generalmente para describir su capacidad de sobrecarga (par), y se denomina regulación de velocidad de par constante (la corriente nominal permanece constante -> el par máximo permanece constante).
Conclusión: Cuando la frecuencia de salida del inversor aumenta por encima de 50 Hz, el par de salida del motor disminuirá.
6.Otros factores relacionados con el par de salida
La capacidad de generación de calor y de disipación de calor determinan la capacidad de corriente de salida del inversor, lo que afecta la capacidad de par de salida del inversor.
1. Frecuencia portadora: La corriente nominal marcada en el inversor generalmente garantiza una salida continua a la frecuencia portadora más alta y la temperatura ambiente más alta. Reducir la frecuencia portadora no afecta la corriente del motor. Sin embargo, se reduce la generación de calor de los componentes.
2. Temperatura ambiente: Al igual que el valor de la corriente de protección del inversor, no aumentará cuando se detecte que la temperatura ambiente es relativamente baja.
3. Altitud: El aumento de altitud afecta la disipación de calor y el rendimiento del aislamiento. Generalmente, puede ignorarse por debajo de los 1000 m, y la capacidad puede reducirse en un 5 % por cada 1000 metros de altitud.
7.¿Cuál es la frecuencia apropiada para que un convertidor de frecuencia controle un motor?
En el resumen anterior, hemos aprendido por qué se utiliza el inversor para controlar el motor y también hemos comprendido cómo lo controla. El inversor controla el motor, lo cual se puede resumir de la siguiente manera:
En primer lugar, el inversor controla el voltaje y la frecuencia de arranque del motor para lograr un arranque y una parada suaves;
En segundo lugar, el inversor se utiliza para ajustar la velocidad del motor, y la velocidad del motor se ajusta cambiando la frecuencia.
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Hora de publicación: 09-sep-2024