Conversor de frequência é uma tecnologia que deve ser dominada ao realizar trabalhos elétricos. Usar um conversor de frequência para controlar motores é um método comum em controle elétrico; alguns também exigem proficiência em seu uso.
1. Primeiro, por que usar um conversor de frequência para controlar um motor?
O motor é uma carga indutiva, o que dificulta a variação da corrente e produzirá uma grande variação na corrente na partida.
O inversor é um dispositivo de controle de energia elétrica que utiliza a função liga-desliga de dispositivos semicondutores de potência para converter a fonte de alimentação de frequência industrial para outra frequência. É composto principalmente por dois circuitos: um é o circuito principal (módulo retificador, capacitor eletrolítico e módulo inversor) e o outro é o circuito de controle (placa de alimentação chaveada e placa de circuito de controle).
Para reduzir a corrente de partida do motor, especialmente em motores de maior potência, quanto maior a potência, maior a corrente de partida. Correntes de partida excessivas sobrecarregam a rede de alimentação e distribuição. O conversor de frequência pode resolver esse problema de partida e permitir que o motor dê partida suavemente, sem causar corrente de partida excessiva.
Outra função do uso de um conversor de frequência é ajustar a velocidade do motor. Em muitos casos, é necessário controlar a velocidade do motor para obter melhor eficiência de produção, e a regulação da velocidade do conversor de frequência sempre foi seu maior destaque. O conversor de frequência controla a velocidade do motor alterando a frequência da fonte de alimentação.
2. Quais são os métodos de controle do inversor?
Os cinco métodos mais comumente usados de controle de motores inversores são os seguintes:
A. Método de controle de modulação por largura de pulso sinusoidal (SPWM)
Suas características incluem estrutura de circuito de controle simples, baixo custo, boa dureza mecânica e pode atender aos requisitos de regulação de velocidade suave de transmissões em geral. Tem sido amplamente utilizado em diversos setores da indústria.
Entretanto, em baixas frequências, devido à baixa tensão de saída, o torque é significativamente afetado pela queda de tensão da resistência do estator, o que reduz o torque máximo de saída.
Além disso, suas características mecânicas não são tão robustas quanto as dos motores CC, e sua capacidade de torque dinâmico e desempenho de regulação de velocidade estática não são satisfatórios. Além disso, o desempenho do sistema não é alto, a curva de controle varia com a carga, a resposta de torque é lenta, a taxa de utilização de torque do motor não é alta e o desempenho diminui em baixas velocidades devido à resistência do estator e ao efeito de zona morta do inversor, deteriorando a estabilidade. Portanto, a regulação de velocidade por frequência variável com controle vetorial tem sido estudada.
B. Método de controle vetorial espacial de tensão (SVPWM)
Ele se baseia no efeito geral de geração da forma de onda trifásica, com o objetivo de se aproximar da trajetória ideal do campo magnético rotativo circular do entreferro do motor, gerando uma forma de onda de modulação trifásica por vez e controlando-a na forma de um polígono inscrito que se aproxima do círculo.
Após o uso prático, o sistema foi aprimorado, ou seja, com a introdução de compensação de frequência para eliminar o erro de controle de velocidade; estimativa da amplitude do fluxo por feedback para eliminar a influência da resistência do estator em baixas velocidades; fechamento do circuito de tensão e corrente de saída para melhorar a precisão dinâmica e a estabilidade. No entanto, devido à grande quantidade de conexões no circuito de controle, não foi introduzido nenhum ajuste de torque, o que significa que o desempenho do sistema não foi fundamentalmente aprimorado.
C. Método de controle vetorial (VC)
A essência é tornar o motor CA equivalente a um motor CC e controlar a velocidade e o campo magnético de forma independente. Ao controlar o fluxo do rotor, a corrente do estator é decomposta para obter os componentes de torque e campo magnético, e a transformação de coordenadas é usada para obter o controle ortogonal ou desacoplado. A introdução do método de controle vetorial é de importância histórica. No entanto, em aplicações práticas, como o fluxo do rotor é difícil de observar com precisão, as características do sistema são amplamente afetadas pelos parâmetros do motor, e a transformação de rotação vetorial usada no processo de controle equivalente do motor CC é relativamente complexa, dificultando que o efeito de controle real alcance o resultado ideal da análise.
D. Método de Controle Direto de Torque (DTC)
Em 1985, o Professor DePenbrock, da Universidade do Ruhr, na Alemanha, propôs pela primeira vez a tecnologia de conversão de frequência com controle direto de torque. Essa tecnologia solucionou em grande parte as deficiências do controle vetorial mencionado anteriormente e foi rapidamente desenvolvida com novas ideias de controle, estrutura de sistema concisa e clara, além de excelente desempenho dinâmico e estático.
Atualmente, essa tecnologia tem sido aplicada com sucesso à tração de transmissão CA de alta potência de locomotivas elétricas. O controle direto de torque analisa diretamente o modelo matemático dos motores CA no sistema de coordenadas do estator e controla o fluxo magnético e o torque do motor. Não é necessário equiparar motores CA a motores CC, eliminando assim muitos cálculos complexos na transformação de rotação vetorial; não é necessário imitar o controle de motores CC, nem simplificar o modelo matemático de motores CA para desacoplamento.
E. Método de controle CA-CA de matriz
Conversão de frequência VVVF, conversão de frequência por controle vetorial e conversão de frequência por controle direto de torque são todos tipos de conversão de frequência CA-CC-CA. Suas desvantagens comuns são baixo fator de potência de entrada, alta corrente harmônica, grande capacitor de armazenamento de energia necessário para o circuito CC e a impossibilidade de realimentação da energia regenerativa para a rede elétrica, ou seja, não pode operar em quatro quadrantes.
Por esse motivo, surgiu a conversão de frequência CA-CA matricial. Como a conversão de frequência CA-CA matricial elimina o link CC intermediário, ela elimina o capacitor eletrolítico grande e caro. Ela pode atingir um fator de potência de 1, uma corrente de entrada senoidal e operar em quatro quadrantes, além de possuir alta densidade de potência. Embora essa tecnologia ainda não esteja madura, ela ainda atrai muitos estudiosos para pesquisas aprofundadas. Sua essência não é controlar indiretamente a corrente, o fluxo magnético e outras grandezas, mas sim utilizar diretamente o torque como grandeza controlada para alcançá-lo.
3. Como um conversor de frequência controla um motor? Como os dois são interligados?
A fiação do inversor para controlar o motor é relativamente simples, semelhante à fiação do contator, com três linhas de energia principais entrando e saindo para o motor, mas as configurações são mais complicadas e as maneiras de controlar o inversor também são diferentes.
Em primeiro lugar, quanto ao terminal do inversor, embora existam muitas marcas e diferentes métodos de fiação, os terminais de fiação da maioria dos inversores não são muito diferentes. Geralmente, são divididos em entradas de comutação para frente e para trás, usadas para controlar a partida para frente e para trás do motor. Os terminais de feedback são usados para fornecer feedback sobre o status operacional do motor.incluindo frequência operacional, velocidade, status de falha, etc.
Para o controle da configuração de velocidade, alguns conversores de frequência utilizam potenciômetros, outros utilizam botões diretamente, todos controlados por fiação física. Outra maneira é usar uma rede de comunicação. Muitos conversores de frequência agora suportam controle de comunicação. A linha de comunicação pode ser usada para controlar a partida e a parada, a rotação para frente e para trás, o ajuste de velocidade, etc. do motor. Ao mesmo tempo, as informações de feedback também são transmitidas por meio da comunicação.
4. O que acontece com o torque de saída de um motor quando sua velocidade de rotação (frequência) muda?
O torque de partida e o torque máximo quando acionados por um conversor de frequência são menores do que quando acionados diretamente por uma fonte de alimentação.
O motor tem um grande impacto na partida e na aceleração quando alimentado por uma fonte de alimentação, mas esses impactos são mais fracos quando alimentado por um conversor de frequência. A partida direta com uma fonte de alimentação gerará uma grande corrente de partida. Quando um conversor de frequência é utilizado, a tensão de saída e a frequência do conversor de frequência são gradualmente adicionadas ao motor, de modo que a corrente de partida e o impacto do motor são menores. Normalmente, o torque gerado pelo motor diminui à medida que a frequência diminui (redução da velocidade). Os dados reais da redução serão explicados em alguns manuais de conversores de frequência.
O motor convencional é projetado e fabricado para uma tensão de 50 Hz, e seu torque nominal também é fornecido dentro dessa faixa de tensão. Portanto, a regulação de velocidade abaixo da frequência nominal é chamada de regulação de velocidade com torque constante. (T = Te, P < = Pe)
Quando a frequência de saída do conversor de frequência é maior que 50 Hz, o torque gerado pelo motor diminui em uma relação linear inversamente proporcional à frequência.
Quando o motor opera em uma frequência maior que 50 Hz, o tamanho da carga do motor deve ser considerado para evitar torque de saída insuficiente do motor.
Por exemplo, o torque gerado pelo motor a 100 Hz é reduzido para cerca de 1/2 do torque gerado a 50 Hz.
Portanto, a regulação de velocidade acima da frequência nominal é chamada de regulação de velocidade de potência constante. (P=Ue*Ie).
5. Aplicação do conversor de frequência acima de 50Hz
Para um motor específico, sua tensão nominal e corrente nominal são constantes.
Por exemplo, se os valores nominais do inversor e do motor forem: 15kW/380V/30A, o motor pode operar acima de 50Hz.
Quando a velocidade é de 50 Hz, a tensão de saída do inversor é de 380 V e a corrente é de 30 A. Nesse caso, se a frequência de saída for aumentada para 60 Hz, a tensão e a corrente máximas de saída do inversor podem ser de apenas 380 V/30 A. Obviamente, a potência de saída permanece inalterada, por isso chamamos isso de regulação de velocidade de potência constante.
Como está o torque neste momento?
Como P=wT(w; velocidade angular, T: torque), já que P permanece inalterado e w aumenta, o torque diminuirá de acordo.
Também podemos olhar para isso de outro ângulo:
A tensão do estator do motor é U=E+I*R (I é corrente, R é resistência eletrônica e E é potencial induzido).
Pode-se observar que quando U e I não mudam, E também não muda.
E E=k*f*X (k: constante; f: frequência; X: fluxo magnético), então quando f muda de 50–>60 Hz, X diminuirá de acordo.
Para o motor, T=K*I*X (K: constante; I: corrente; X: fluxo magnético), então o torque T diminuirá à medida que o fluxo magnético X diminuir.
Ao mesmo tempo, quando inferior a 50 Hz, como I*R é muito pequeno, quando U/f = E/f não varia, o fluxo magnético (X) é constante. O torque T é proporcional à corrente. É por isso que a capacidade de sobrecorrente do inversor é geralmente usada para descrever sua capacidade de sobrecarga (torque), sendo chamada de regulação de velocidade de torque constante (corrente nominal permanece inalterada – > torque máximo permanece inalterado).
Conclusão: Quando a frequência de saída do inversor aumenta acima de 50 Hz, o torque de saída do motor diminui.
6. Outros fatores relacionados ao torque de saída
A capacidade de geração e dissipação de calor determinam a capacidade de corrente de saída do inversor, afetando assim a capacidade de torque de saída do inversor.
1. Frequência da portadora: A corrente nominal marcada no inversor é geralmente o valor que garante saída contínua na frequência da portadora mais alta e na temperatura ambiente mais alta. Reduzir a frequência da portadora não afetará a corrente do motor. No entanto, a geração de calor dos componentes será reduzida.
2. Temperatura ambiente: Assim como o valor da corrente de proteção do inversor não será aumentado quando a temperatura ambiente for detectada como relativamente baixa.
3. Altitude: O aumento da altitude afeta a dissipação de calor e o desempenho do isolamento. Geralmente, pode ser ignorado abaixo de 1.000 m, e a capacidade pode ser reduzida em 5% a cada 1.000 metros acima.
7. Qual é a frequência apropriada para um conversor de frequência controlar um motor?
No resumo acima, aprendemos por que o inversor é usado para controlar o motor e também entendemos como o inversor controla o motor. O inversor controla o motor, o que pode ser resumido da seguinte forma:
Primeiro, o inversor controla a tensão de partida e a frequência do motor para obter partida e parada suaves;
Em segundo lugar, o inversor é usado para ajustar a velocidade do motor, e a velocidade do motor é ajustada alterando a frequência.
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Horário da publicação: 09/09/2024