VFD (Variable Frequency Drive): Definícia, pracovný princíp a aplikácie

Pohon s premenlivou frekvenciou alebo VFD je elektronické zariadenie používané na riadenie rýchlosti a krútiaceho momentu striedavého motora. Mení frekvenciu a napätie dodávané do motora tak, aby motor mohol pracovať podľa skutočných požiadaviek stroja.

V mnohých priemyselných systémoch nemusia motory nepretržite bežať na plné otáčky. Čerpadlá môžu potrebovať udržiavať rôzne prietoky, ventilátory môžu reagovať na meniace sa požiadavky na vzduch a dopravníky môžu vyžadovať riadené zrýchlenie. VFD umožňuje motoru prispôsobiť svoj výkon procesu namiesto prevádzky pri jednej pevnej rýchlosti.

IFIND poskytuje VFD riešenia pre čerpadlá, ventilátory, stroje, výťahy, textilné zariadenia, tlačové systémy a ďalšie priemyselné aplikácie.

Čo je VFD?

VFD je skratka pre Variable Frequency Drive. Bežne sa nazýva aj striedavý pohon, pohon s nastaviteľnou frekvenciou, pohon s premenlivou rýchlosťou alebo frekvenčný menič.

Tieto výrazy sa vo všeobecnosti vzťahujú na zariadenia, ktoré menia frekvenciu elektrickej energie dodávanej do striedavého motora. Keďže rýchlosť motora súvisí s napájacou frekvenciou, zmena výstupnej frekvencie umožňuje meniču upraviť rýchlosť motora.

Synchrónnu rýchlosť striedavého motora možno odhadnúť pomocou tohto vzorca:

Synchrónna rýchlosť = 120 × frekvencia ÷ počet pólov motora

Napríklad zvýšenie výstupnej frekvencie vo všeobecnosti zvyšuje rýchlosť motora, zatiaľ čo zníženie frekvencie znižuje rýchlosť. V indukčnom motore je skutočná rýchlosť o niečo nižšia ako synchrónna rýchlosť z dôvodu sklzu.

VFD riadi aj ďalšie prevádzkové parametre, vrátane:

• Výstupné napätie

• Prúd motora

• Zrýchľovanie a spomaľovanie

• Štartovací moment

• Brzdenie

• Ochrana proti preťaženiu

• Monitorovanie porúch

Príslušné funkcie závisia od modelu VFD a požiadaviek aplikácie.

Ako funguje VFD?

Typický VFD má štyri hlavné časti:

1. Vstupný usmerňovač striedavého prúdu

2. DC prepojenie

3. Stupeň spínania meniča

4. Systém riadenia a spätnej väzby

Usmerňovač vstupu AC

VFD najskôr prijíma striedavý prúd z elektrického zdroja. Vstup môže byť jednofázový alebo trojfázový, v závislosti od konštrukcie pohonu.

Usmerňovač premieňa prichádzajúce striedavé napätie na jednosmerné napätie. V mnohých priemyselných VFD usmerňovač používa polovodičové diódy. Niektoré pokročilé konštrukcie používajú riadené spínacie zariadenia na zlepšenie vstupného výkonu.

Stupeň usmerňovača ovplyvňuje vstupný prúd VFD, zapínacie správanie a harmonické charakteristiky.

DC Link

Usmernené napätie potom vstupuje do medziobvodu. Táto časť vo všeobecnosti zahŕňa kondenzátory a môže zahŕňať aj jednosmernú tlmivku alebo tlmivku.

Kondenzátory vyhladzujú usmernené napätie a poskytujú stabilnú jednosmernú zbernicu pre invertorový stupeň. Jednosmerné prepojenie tiež oddeľuje priebeh vstupného výkonu od výstupného, ​​čo umožňuje VFD vytvoriť nový výstup s iným napätím a frekvenciou.

Stupeň spínania meniča

Invertorový stupeň premieňa jednosmerné napätie späť na striedavý prúd. Používa vysokorýchlostné polovodičové spínače, ako sú IGBT, na generovanie riadeného výstupu pre motor.

Napätie na spínacích svorkách sa vytvára skôr ako séria impulzov než ako dokonalá sínusová vlna. Vinutia motora prirodzene vyhladzujú prúd, čo umožňuje motoru vytvárať rotačné magnetické pole a mechanický krútiaci moment.

Systém kontroly a spätnej väzby

Riadiaci systém určuje, koľko napätia, frekvencie a prúdu motor potrebuje. Príkaz rýchlosti môže pochádzať z klávesnice, analógového signálu, PLC, PID regulátora alebo priemyselnej komunikačnej siete.

VFD nepretržite monitoruje prevádzkové podmienky, ako sú:

• Výstupný prúd

• Napätie DC zbernice

• Rýchlosť motora

• Teplota pohonu

• Stav preťaženia

• Strata fázy

• Podmienky skratu

Ak menič zistí nebezpečný stav, môže znížiť výkon alebo zastaviť motor.

Čo je PWM vo VFD?

Modulácia šírky impulzu alebo PWM je bežnou metódou používanou na generovanie výstupu s premenlivou frekvenciou VFD.

Spínacie zariadenia zapínajú a vypínajú DC zbernicu vysokou rýchlosťou. Zmenou šírky a časovania týchto napäťových impulzov vytvára VFD priemerné výstupné napätie, ktoré sleduje požadovaný tvar vlny.

PWM umožňuje meniču riadiť frekvenciu a napätie motora pomocou kompaktného elektronického obvodu. Proces spínania však môže spôsobiť aj elektromagnetické rušenie, hluk motora a dodatočný tlak na izoláciu motora.

Nosná frekvencia by sa preto mala zvoliť podľa motora, dĺžky kábla, prevádzkového prostredia a požiadaviek aplikácie. Vyššia spínacia frekvencia môže znížiť počuteľný šum, ale môže tiež zvýšiť straty pohonu a elektromagnetické rušenie.

Metódy riadenia VFD

Ovládanie V/F

U/F riadenie, tiež nazývané skalárne riadenie alebo riadenie voltov na hertz, udržiava vhodný vzťah medzi napätím a frekvenciou.

Keď sa výstupná frekvencia zníži, zodpovedajúcim spôsobom sa zníži aj napätie. To pomáha udržiavať vhodný magnetický tok v motore.

Ovládanie V/F je pomerne jednoduché a často sa používa na:

• Fanúšikovia

• Odstredivé čerpadlá

• Základné dopravníky

• Stroje na všeobecné použitie

Je vhodný, keď aplikácia nevyžaduje veľmi presnú odozvu otáčok alebo krútiaceho momentu.

Bezsenzorové vektorové ovládanie

Bezsenzorové vektorové riadenie odhaduje tok motora a krútiaci moment bez použitia fyzického kódovača.

V porovnaní so základným ovládaním V/F môže poskytnúť:

• Lepší krútiaci moment pri nízkych otáčkach

• Rýchlejšia odozva

• Vylepšená regulácia záťaže

• Stabilnejšia prevádzka motora

Presné údaje na typovom štítku motora sú dôležité pre bezsenzorové vektorové riadenie. Niektoré pohony tiež používajú proces automatického ladenia na odhad odporu motora a indukčnosti.

Vektorové riadenie s uzavretou slučkou

Vektorové riadenie s uzavretou slučkou využíva spätnú väzbu z enkodéra alebo iného snímača rýchlosti. VFD porovnáva prikázané otáčky so skutočnými otáčkami motora a podľa toho upravuje výstup.

Táto metóda je vhodná pre aplikácie, ktoré vyžadujú:

• Presná regulácia rýchlosti

• Vysoký rozbehový krútiaci moment

• Presné zastavenie

• Stabilná prevádzka pri nízkych otáčkach

• Časté zmeny zaťaženia alebo smeru

Medzi typické príklady patria výťahy, žeriavy, navíjacie stroje, obrábacie stroje a vysokovýkonné tlačové zariadenia.

Ďalšie informácie o rozdieloch medzi ovládaním U/F a vektorovým ovládaním nájdete v časti Vedenie vektorového invertoru V/F.

Hlavné výhody používania VFD

Nastaviteľná rýchlosť motora

VFD umožňuje motoru bežať rýchlosťou, ktorú proces vyžaduje. To môže znížiť potrebu mechanického škrtenia, obtokových systémov, radenia prevodových stupňov alebo iných metód riadenia rýchlosti.

Riadené spustenie a zastavenie

VFD môže počas štartovania postupne zvyšovať frekvenciu motora. To znižuje štartovací prúd a mechanické otrasy v porovnaní s priamym štartovaním.

Počas zastavenia môže menič použiť naprogramovanú spomalenú rampu, jednosmerné brzdenie alebo brzdný odpor v závislosti od zaťaženia a aplikácie.

Úspora energie

VFD môžu znížiť spotrebu energie, keď motor nemusí bežať na plné otáčky. Toto je obzvlášť dôležité pre záťaže s premenlivým krútiacim momentom, ako sú odstredivé čerpadlá a ventilátory.

Úspora energie však nie je automatická. Výsledok závisí od prevádzkových hodín, profilu zaťaženia, účinnosti motora, strát pohonu a požadovaného výkonu procesu. Ministerstvo energetiky USA poskytuje ďalšie usmernenia týkajúce sa účinnosť pohonu s nastaviteľnou rýchlosťou pri čiastočnom zaťažení.

Znížené mechanické namáhanie

Riadené zrýchľovanie a spomaľovanie môže znížiť stres na:

• Spojky

• Pásy

• Prevodovky

• Hriadele

• Ventily

• Čerpacie systémy

Vo vodných systémoch môže postupné zrýchľovanie pomôcť obmedziť náhle zmeny tlaku a vodné rázy.

Ochrana motora

VFD môže monitorovať prúd, preťaženie, teplotu, stratu fázy a ďalšie podmienky. To dáva riadiacemu systému spôsob, ako zastaviť motor alebo vydať poruchový signál, keď sa prevádzkové podmienky stanú nebezpečnými.

Bežné aplikácie VFD

Čerpadlá a vodné systémy

VFD sa široko používajú na zásobovanie vodou, zavlažovanie, cirkuláciu, čistenie odpadových vôd a procesné čerpanie.

Pohon môže upraviť rýchlosť čerpadla tak, aby sa udržal požadovaný tlak alebo prietok. Pred výberom VFD by mali inžinieri skontrolovať krivku čerpadla, celkovú dopravnú výšku, prúd motora, minimálnu prevádzkovú rýchlosť a riziko chodu nasucho.

Ventilátory a HVAC systémy

Ventilátory často pracujú pri meniacich sa požiadavkách na prúdenie vzduchu. VFD môže nastaviť rýchlosť ventilátora podľa teploty, tlaku alebo požiadavky na ventiláciu.

Bežné aplikácie zahŕňajú vzduchotechnické jednotky, odsávacie ventilátory, chladiace veže a priemyselné ventilačné zariadenia.

Dopravníky a manipulácia s materiálom

Dopravníky môžu vyžadovať riadený štart, nastaviteľnú rýchlosť výroby alebo synchronizáciu s iným strojom.

VFD môže pomôcť znížiť otrasy pásu a udržať hladší pohyb materiálu. V prípade ťažkých dopravníkov by mal byť výber založený skôr na počiatočnom momente a požiadavkách na preťaženie než na výkone motora.

Obrábacie stroje

Obrábacie stroje môžu vyžadovať široký rozsah otáčok, vysoký krútiaci moment pri nízkych otáčkach a presnú reguláciu rýchlosti.

Vektorové riadenie alebo riadenie v uzavretej slučke môže byť vhodnejšie ako základné riadenie V/F, keď je dôležitá odozva vretena a rezný výkon.

Textilné a tlačiarenské zariadenia

Textilné a tlačiarenské stroje často vyžadujú stabilnú rýchlosť, plynulé zrýchlenie, kontrolu napätia a synchronizáciu medzi rôznymi sekciami.

VFD môžu spolupracovať s PLC a inými pohonmi na koordináciu valcov, podávačov, navíjačov a transportných mechanizmov.

Výťahy a žeriavy

Aplikácie výťahov a žeriavov môžu vyžadovať vysoký rozbehový moment, presné zastavenie, kontrolované brzdenie a časté zmeny smeru zaťaženia.

Tieto systémy vyžadujú starostlivú koordináciu medzi VFD, motorom, kódovačom, mechanickou brzdou, bezpečnostným obvodom a núdzovým operačným systémom.

Ako vybrať VFD

Výber VFD by mal brať do úvahy skôr celý systém zaťaženia motora než samotný výkon motora.

Údaje o motore

Nasledujúce informácie by mali byť potvrdené z typového štítku motora:

• Menovitý výkon

• Menovité napätie

• Menovitý prúd

• Menovitá frekvencia

• Menovitá rýchlosť

• Fáza motora

• Spôsob pripojenia

• Trieda izolácie

• Spôsob chladenia

Menovitý prúd je obzvlášť dôležitý, pretože motory s rovnakým výkonom môžu mať rôzne požiadavky na prúd.

Typ zaťaženia

Zistite, či je zaťaženie:

• Variabilný krútiaci moment

• Konštantný krútiaci moment

• Veľké zaťaženie alebo vysoké preťaženie

Ventilátory a odstredivé čerpadlá sú zvyčajne zaťažené premenlivým krútiacim momentom. Dopravníky, miešačky, extrudéry, kompresory a zdvíhacie zariadenia môžu vyžadovať stály krútiaci moment alebo náročnú prevádzku.

Požiadavky na rýchlosť a krútiaci moment

Skontrolujte požadovanú minimálnu a maximálnu rýchlosť, rozbehový moment, čas zrýchlenia, čas spomalenia a trvanie preťaženia.

Pohon, ktorý je vhodný na bežnú prevádzku, nemusí byť vhodný na časté štarty, náhle zmeny zaťaženia alebo zariadenia s vysokou zotrvačnosťou.

Požiadavky na brzdenie

Zaťaženia s vysokou zotrvačnosťou môžu počas spomaľovania vracať energiu do VFD. Ak táto energia spôsobí zvýšenie napätia jednosmernej zbernice, systém môže potrebovať brzdný odpor, brzdnú jednotku alebo rekuperačný pohon.

Prevádzkové prostredie

Mali by sa zvážiť požiadavky na teplotu, vlhkosť, prach, korozívne plyny, vibrácie, nadmorskú výšku a kryt.

Požadovaná úroveň ochrany môže byť odlišná pre čistú rozvodnú skriňu a prašnú strojovňu.

VFD vs. Soft Starter

VFD a softštartér môžu znížiť napätie pri štartovaní, ale vykonávajú rôzne funkcie.

Ak si proces vyžaduje plynulé nastavovanie rýchlosti, zvyčajne je vhodnejší VFD. Ak motor potrebuje iba znížený štartovací prúd a potom beží na plné otáčky, môže postačovať softštartér.

Základná inštalácia a uvedenie do prevádzky

Správna inštalácia a uvedenie do prevádzky sú nevyhnutné pre spoľahlivú prevádzku VFD.

Medzi dôležité body patrí:

• Presne zadajte údaje na typovom štítku motora.

• Použite vhodnú ochranu vstupu a zariadenie na odpojenie.

• Správne uzemnite pohon, motor a tienenie kábla.

• Motorové káble uchovávajte oddelene od riadiacich a komunikačných káblov.

• Skontrolujte povolenú dĺžku kábla motora.

• Zabezpečte dostatočné vetranie okolo VFD.

• Správne nastavte minimálnu a maximálnu frekvenciu.

• Potvrďte nastavenia zrýchlenia, spomalenia, prúdového limitu a zastavenia.

• Pred uvedením do prevádzky pri plnom zaťažení otestujte smer motora a prevádzku pri nízkych otáčkach.

Ak sa použije vektorové riadenie, môže sa vyžadovať postup automatického ladenia. Zvolená metóda automatického ladenia musí byť vhodná pre mechanický stav stroja.

Často kladené otázky

Čo znamená VFD?

VFD je skratka pre Variable Frequency Drive. Je to elektronické zariadenie, ktoré riadi frekvenciu a napätie dodávané do striedavého motora.

Je VFD to isté ako frekvenčný menič?

Pri riadení priemyselných motorov sa na opis podobných zariadení často používajú VFD, frekvenčný menič, striedavý pohon a pohon s nastaviteľnou frekvenciou.

Dôležitými faktormi sú napätie meniča, prúd, spôsob ovládania, kompatibilita motora a menovitý výkon.

Môže VFD ovládať jednofázový motor?

Väčšina štandardných VFD je navrhnutá pre trojfázové indukčné motory alebo kompatibilné motory s permanentnými magnetmi.

Niektoré špecializované modely akceptujú jednofázový vstup a poskytujú trojfázový výstup. Avšak štandardný VFD by nemal byť pripojený k jednofázovému kondenzátorovému štartovaciemu motoru, pokiaľ výrobca neschváli konfiguráciu.

Znižuje VFD vždy spotrebu energie?

Nie. Úspora energie závisí od profilu zaťaženia a prevádzkových podmienok.

Najväčšie úspory sú zvyčajne k dispozícii, keď čerpadlo alebo ventilátor môžu pracovať pod plnými otáčkami po dlhú dobu. Ak musí motor nepretržite bežať na plné otáčky, prínos úspory energie môže byť obmedzený.

Ako si vyberiem správnu veľkosť VFD?

Začnite s menovitým prúdom motora, napätím, fázou, výkonom, rýchlosťou a frekvenciou.

Potom vyhodnoťte typ zaťaženia, rozbehový moment, požiadavku na preťaženie, brzdnú energiu, prevádzkové prostredie a požadovaný spôsob ovládania. Pohon by sa mal vyberať podľa skutočnej aplikačnej úlohy a nie samotného výkonu motora.

Môže VFD spustiť motor nad jeho menovitú frekvenciu?

Je to možné, ale najprv je potrebné skontrolovať mechanický limit otáčok motora, chladenie, ložiská, izoláciu, záťažový moment a výstupné napätie meniča.

Nad základnou frekvenciou môže motor pracovať so zníženým dostupným krútiacim momentom. Vždy by sa mali dodržiavať limity výrobcu motora a zariadenia.

Aký je rozdiel medzi VFD a VSD?

VSD znamená Variable Speed ​​Drive, zatiaľ čo VFD znamená Variable Frequency Drive.

VSD je širší pojem, ktorý môže zahŕňať rôzne technológie na riadenie otáčok motora. V mnohých priemyselných aplikáciách je VSD VFD, takže pojmy sa často používajú zameniteľne.

Záver

VFD konvertuje elektrickú energiu s pevnou frekvenciou na výstup s nastaviteľnou frekvenciou na ovládanie striedavých motorov. Jeho usmerňovač, jednosmerný medziobvod, invertorový stupeň a riadiaci systém spolupracujú na regulácii rýchlosti motora, krútiaceho momentu, zrýchlenia, brzdenia a ochrany.

Správny VFD by sa mal zvoliť podľa motora, typu zaťaženia, rozsahu otáčok, požiadaviek na preťaženie, potreby brzdenia a prostredia inštalácie.

Pri správnom výbere a uvedení do prevádzky môže VFD zlepšiť riadenie procesu, znížiť mechanické namáhanie a znížiť spotrebu energie vo vhodných aplikáciách s premenlivou rýchlosťou.

Potrebujete pomoc s výberom VFD?

Podeľte sa o svoje hodnotenie motora, typ zaťaženia, rozsah otáčok a prevádzkové podmienky s tímom IFIND. Môžeme pomôcť vyhodnotiť vhodnú metódu riadenia VFD a konfiguráciu pre vašu aplikáciu.

Diskutujte o svojej aplikácii VFD