วิธีการควบคุมมอเตอร์ด้วยเครื่องแปลงความถี่

ตัวแปลงความถี่เป็นเทคโนโลยีที่ต้องมีความชำนาญในการทำงานด้านไฟฟ้า การใช้ตัวแปลงความถี่เพื่อควบคุมมอเตอร์เป็นวิธีการทั่วไปในการควบคุมไฟฟ้า บางอย่างยังต้องอาศัยความชำนาญในการใช้งานด้วย

1.ประการแรก เหตุใดจึงต้องใช้ตัวแปลงความถี่ในการควบคุมมอเตอร์?

มอเตอร์เป็นโหลดเหนี่ยวนำซึ่งขัดขวางการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าและจะทำให้กระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงอย่างมากเมื่อเริ่มต้นทำงาน

อินเวอร์เตอร์เป็นอุปกรณ์ควบคุมพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ฟังก์ชันเปิด-ปิดของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าเพื่อแปลงแหล่งจ่ายไฟความถี่อุตสาหกรรมเป็นความถี่อื่น โดยประกอบด้วยวงจรหลัก 2 วงจร วงจรหนึ่งเป็นวงจรหลัก (โมดูลเรกติไฟเออร์ ตัวเก็บประจุไฟฟ้า และโมดูลอินเวอร์เตอร์) และอีกวงจรหนึ่งเป็นวงจรควบคุม (บอร์ดจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง บอร์ดวงจรควบคุม)

เพื่อลดกระแสเริ่มต้นของมอเตอร์ โดยเฉพาะมอเตอร์ที่มีกำลังสูง ยิ่งมีกำลังมาก กระแสเริ่มต้นก็จะยิ่งมาก กระแสเริ่มต้นที่มากเกินไปจะทำให้แหล่งจ่ายไฟและเครือข่ายการจ่ายไฟมีภาระมากขึ้น ตัวแปลงความถี่สามารถแก้ปัญหาการเริ่มสตาร์ทนี้ได้ และช่วยให้มอเตอร์สตาร์ทได้อย่างราบรื่นโดยไม่ทำให้เกิดกระแสเริ่มต้นมากเกินไป

ฟังก์ชั่นอื่นของการใช้ตัวแปลงความถี่คือการปรับความเร็วของมอเตอร์ ในหลายกรณีจำเป็นต้องควบคุมความเร็วของมอเตอร์เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการผลิตที่ดีขึ้นและการควบคุมความเร็วของตัวแปลงความถี่ถือเป็นจุดเด่นที่สุดเสมอมา ตัวแปลงความถี่ควบคุมความเร็วของมอเตอร์โดยการเปลี่ยนความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ

2.วิธีการควบคุมอินเวอร์เตอร์มีอะไรบ้าง?

ห้าวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการควบคุมมอเตอร์อินเวอร์เตอร์มีดังต่อไปนี้:

A. วิธีการควบคุมการปรับความกว้างพัลส์ไซน์ (SPWM)

ลักษณะเด่นของวงจรควบคุมคือโครงสร้างวงจรควบคุมที่เรียบง่าย ต้นทุนต่ำ ความแข็งทางกลที่ดี และสามารถตอบสนองความต้องการการควบคุมความเร็วที่ราบรื่นของระบบส่งกำลังทั่วไปได้ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขาของอุตสาหกรรม

อย่างไรก็ตาม ที่ความถี่ต่ำ เนื่องจากแรงดันเอาต์พุตต่ำ แรงบิดจึงได้รับผลกระทบอย่างมากจากแรงดันตกของความต้านทานสเตเตอร์ ซึ่งทำให้แรงบิดเอาต์พุตสูงสุดลดลง

นอกจากนี้ ลักษณะทางกลของมันไม่แข็งแกร่งเท่ากับมอเตอร์ DC และความสามารถในการรับแรงบิดแบบไดนามิกและประสิทธิภาพการควบคุมความเร็วแบบคงที่นั้นไม่น่าพอใจ นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของระบบยังไม่สูง เส้นโค้งการควบคุมจะเปลี่ยนแปลงไปตามโหลด การตอบสนองแรงบิดจะช้า อัตราการใช้แรงบิดของมอเตอร์ไม่สูง และประสิทธิภาพจะลดลงที่ความเร็วต่ำเนื่องจากมีความต้านทานของสเตเตอร์และเอฟเฟกต์โซนตายของอินเวอร์เตอร์ และความเสถียรก็ลดลง ดังนั้น ผู้คนจึงได้ศึกษาการควบคุมความเร็วความถี่แปรผันของการควบคุมเวกเตอร์

B. วิธีการควบคุมเวกเตอร์พื้นที่แรงดันไฟฟ้า (SVPWM)

โดยอาศัยผลการสร้างโดยรวมของรูปคลื่นสามเฟส โดยมีจุดประสงค์เพื่อเข้าใกล้เส้นทางสนามแม่เหล็กหมุนแบบวงกลมในอุดมคติของช่องว่างอากาศของมอเตอร์ สร้างรูปคลื่นการมอดูเลตสามเฟสในแต่ละครั้ง และควบคุมในลักษณะของรูปหลายเหลี่ยมจารึกที่ประมาณค่าเป็นวงกลม

หลังจากใช้งานจริงแล้ว ได้มีการปรับปรุงแล้ว นั่นคือ การนำการชดเชยความถี่มาใช้เพื่อขจัดข้อผิดพลาดของการควบคุมความเร็ว การประเมินแอมพลิจูดของฟลักซ์ผ่านข้อเสนอแนะเพื่อขจัดอิทธิพลของความต้านทานของสเตเตอร์ที่ความเร็วต่ำ การปิดวงจรแรงดันเอาต์พุตและกระแสเพื่อปรับปรุงความแม่นยำและเสถียรภาพแบบไดนามิก อย่างไรก็ตาม มีการเชื่อมโยงวงจรควบคุมจำนวนมาก และไม่มีการปรับแรงบิด ดังนั้นประสิทธิภาพของระบบจึงไม่ได้รับการปรับปรุงโดยพื้นฐาน

C. วิธีการควบคุมเวกเตอร์ (VC)

สาระสำคัญคือการทำให้มอเตอร์ AC เทียบเท่ากับมอเตอร์ DC และควบคุมความเร็วและสนามแม่เหล็กอย่างอิสระ โดยการควบคุมฟลักซ์โรเตอร์ กระแสสเตเตอร์จะถูกแยกส่วนเพื่อให้ได้แรงบิดและส่วนประกอบของสนามแม่เหล็ก และใช้การแปลงพิกัดเพื่อให้ได้การควบคุมแบบตั้งฉากหรือแยกส่วน การนำวิธีการควบคุมเวกเตอร์มาใช้มีความสำคัญอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง เนื่องจากฟลักซ์โรเตอร์สังเกตได้ยาก ลักษณะของระบบจึงได้รับผลกระทบอย่างมากจากพารามิเตอร์ของมอเตอร์ และการแปลงการหมุนของเวกเตอร์ที่ใช้ในกระบวนการควบคุมมอเตอร์ DC ที่เทียบเท่านั้นค่อนข้างซับซ้อน ทำให้ยากต่อการควบคุมจริงที่จะบรรลุผลการวิเคราะห์ที่เหมาะสม

D. วิธีการควบคุมแรงบิดโดยตรง (DTC)

ในปี 1985 ศาสตราจารย์ DePenbrock จากมหาวิทยาลัย Ruhr ในประเทศเยอรมนีได้เสนอเทคโนโลยีการแปลงความถี่ควบคุมแรงบิดโดยตรงเป็นคนแรก เทคโนโลยีนี้ได้แก้ไขข้อบกพร่องของการควบคุมเวกเตอร์ที่กล่าวถึงข้างต้นได้เป็นส่วนใหญ่ และได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วด้วยแนวคิดการควบคุมใหม่ๆ โครงสร้างระบบที่กระชับและชัดเจน และประสิทธิภาพแบบไดนามิกและแบบสถิตที่ยอดเยี่ยม

ปัจจุบันเทคโนโลยีนี้ได้รับการนำไปใช้อย่างประสบความสำเร็จในการส่งกำลังกระแสสลับกำลังสูงของหัวรถจักรไฟฟ้า การควบคุมแรงบิดโดยตรงจะวิเคราะห์แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของมอเตอร์กระแสสลับในระบบพิกัดสเตเตอร์โดยตรง และควบคุมฟลักซ์แม่เหล็กและแรงบิดของมอเตอร์ ไม่จำเป็นต้องทำให้มอเตอร์กระแสสลับเทียบเท่ากับมอเตอร์กระแสตรง จึงไม่ต้องคำนวณที่ซับซ้อนมากมายในการแปลงการหมุนของเวกเตอร์ ไม่จำเป็นต้องเลียนแบบการควบคุมมอเตอร์กระแสตรง และไม่จำเป็นต้องลดความซับซ้อนของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของมอเตอร์กระแสสลับสำหรับการแยกส่วน

E. วิธีการควบคุมแบบ Matrix AC-AC

การแปลงความถี่ VVVF การแปลงความถี่ควบคุมเวกเตอร์ และการแปลงความถี่ควบคุมแรงบิดโดยตรง ล้วนเป็นการแปลงความถี่ AC-DC-AC ข้อเสียทั่วไปคือ ค่าตัวประกอบกำลังอินพุตต่ำ กระแสฮาร์มอนิกสูง ตัวเก็บประจุเก็บพลังงานขนาดใหญ่ที่จำเป็นสำหรับวงจร DC และไม่สามารถป้อนพลังงานที่สร้างใหม่กลับเข้าสู่กริดไฟฟ้าได้ นั่นคือ ไม่สามารถทำงานในสี่ควอดแรนต์ได้

ด้วยเหตุนี้ การแปลงความถี่แบบเมทริกซ์ AC-AC จึงเกิดขึ้น เนื่องจากการแปลงความถี่แบบเมทริกซ์ AC-AC ขจัดลิงก์ DC กลาง จึงขจัดตัวเก็บประจุไฟฟ้าขนาดใหญ่และราคาแพงออกไป ตัวเก็บประจุไฟฟ้าสามารถบรรลุค่ากำลังไฟฟ้า 1 กระแสอินพุตแบบไซน์ และสามารถทำงานได้ในสี่ควอดแรนต์ และระบบมีความหนาแน่นของพลังงานสูง แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะยังไม่สมบูรณ์ แต่ยังคงดึงดูดนักวิชาการจำนวนมากให้ทำการวิจัยเชิงลึก สาระสำคัญของเทคโนโลยีนี้ไม่ได้อยู่ที่การควบคุมกระแส ฟลักซ์แม่เหล็ก และปริมาณอื่นๆ ทางอ้อม แต่คือการใช้แรงบิดโดยตรงเป็นปริมาณที่ควบคุมได้เพื่อให้บรรลุเป้าหมายดังกล่าว

3.ตัวแปลงความถี่ควบคุมมอเตอร์อย่างไร? ทั้งสองเชื่อมต่อกันอย่างไร?

การเดินสายของอินเวอร์เตอร์เพื่อควบคุมมอเตอร์นั้นค่อนข้างเรียบง่าย คล้ายกับการเดินสายของคอนแทคเตอร์ โดยมีสายไฟหลักสามเส้นเข้าและออกไปยังมอเตอร์ แต่การตั้งค่าจะซับซ้อนกว่า และวิธีการควบคุมอินเวอร์เตอร์ก็แตกต่างกันอีกด้วย

ประการแรก สำหรับขั้วต่ออินเวอร์เตอร์ แม้ว่าจะมีหลายยี่ห้อและวิธีการเดินสายที่แตกต่างกัน แต่ขั้วต่อสายไฟของอินเวอร์เตอร์ส่วนใหญ่ก็ไม่ได้แตกต่างกันมากนัก โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นอินพุตสวิตช์เดินหน้าและถอยหลัง ใช้เพื่อควบคุมการสตาร์ทมอเตอร์เดินหน้าและถอยหลัง ขั้วต่อป้อนกลับใช้เพื่อป้อนกลับสถานะการทำงานของมอเตอร์รวมถึงความถี่ในการทำงาน, ความเร็ว, สถานะความผิดพลาด ฯลฯ

สำหรับการควบคุมการตั้งค่าความเร็ว ตัวแปลงความถี่บางตัวใช้โพเทนชิออมิเตอร์ บางตัวใช้ปุ่มโดยตรง ซึ่งทั้งหมดควบคุมผ่านสายไฟจริง อีกวิธีหนึ่งคือการใช้เครือข่ายการสื่อสาร ปัจจุบันตัวแปลงความถี่หลายตัวรองรับการควบคุมการสื่อสาร สายการสื่อสารสามารถใช้เพื่อควบคุมการเริ่มและหยุด การหมุนไปข้างหน้าและถอยหลัง การปรับความเร็ว ฯลฯ ของมอเตอร์ ในเวลาเดียวกัน ข้อมูลข้อเสนอแนะจะถูกส่งผ่านการสื่อสารด้วย

4.จะเกิดอะไรขึ้นกับแรงบิดขาออกของมอเตอร์เมื่อความเร็วในการหมุน (ความถี่) เปลี่ยนแปลง

แรงบิดเริ่มต้นและแรงบิดสูงสุดเมื่อขับเคลื่อนด้วยตัวแปลงความถี่จะมีค่าน้อยกว่าเมื่อขับเคลื่อนโดยตรงโดยแหล่งจ่ายไฟ

มอเตอร์จะมีแรงสตาร์ทและแรงเร่งสูงเมื่อใช้แหล่งจ่ายไฟ แต่แรงสตาร์ทเหล่านี้จะอ่อนลงเมื่อใช้ตัวแปลงความถี่ การสตาร์ทตรงด้วยแหล่งจ่ายไฟจะสร้างกระแสสตาร์ทขนาดใหญ่ เมื่อใช้ตัวแปลงความถี่ แรงดันเอาต์พุตและความถี่ของตัวแปลงความถี่จะถูกเพิ่มเข้าไปในมอเตอร์ทีละน้อย ทำให้กระแสสตาร์ทและแรงกระทบของมอเตอร์ลดลง โดยปกติ แรงบิดที่สร้างโดยมอเตอร์จะลดลงเมื่อความถี่ลดลง (ความเร็วลดลง) ข้อมูลจริงของการลดความเร็วจะอธิบายไว้ในคู่มือตัวแปลงความถี่บางรุ่น

มอเตอร์ทั่วไปได้รับการออกแบบและผลิตขึ้นสำหรับแรงดันไฟฟ้า 50 เฮิรตซ์ และแรงบิดที่กำหนดยังอยู่ในช่วงแรงดันไฟฟ้านี้ด้วย ดังนั้น การควบคุมความเร็วที่ต่ำกว่าความถี่ที่กำหนดจึงเรียกว่าการควบคุมความเร็วด้วยแรงบิดคงที่ (T=Te, P<=Pe)

เมื่อความถี่ขาออกของตัวแปลงความถี่สูงกว่า 50Hz แรงบิดที่สร้างโดยมอเตอร์จะลดลงในความสัมพันธ์เชิงเส้นผกผันกับความถี่

เมื่อมอเตอร์ทำงานที่ความถี่สูงกว่า 50Hz จะต้องพิจารณาขนาดของโหลดมอเตอร์เพื่อป้องกันไม่ให้แรงบิดเอาต์พุตของมอเตอร์ไม่เพียงพอ

ตัวอย่างเช่น แรงบิดที่สร้างโดยมอเตอร์ที่ 100Hz จะลดลงเหลือประมาณ 1/2 ของแรงบิดที่สร้างที่ 50Hz

ดังนั้น การควบคุมความเร็วที่สูงกว่าความถี่ที่กำหนดจึงเรียกว่า การควบคุมความเร็วกำลังคงที่ (P=Ue*Ie)

5.การใช้งานตัวแปลงความถี่ที่สูงกว่า 50Hz

สำหรับมอเตอร์เฉพาะ แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดและกระแสไฟฟ้าที่กำหนดจะเป็นค่าคงที่

ตัวอย่างเช่น หากค่าที่กำหนดของอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ทั้งคู่คือ 15kW/380V/30A มอเตอร์ก็จะสามารถทำงานได้ที่สูงกว่า 50Hz

เมื่อความเร็วอยู่ที่ 50Hz แรงดันไฟขาออกของอินเวอร์เตอร์จะอยู่ที่ 380V และกระแสไฟอยู่ที่ 30A ในเวลานี้ หากความถี่ขาออกเพิ่มขึ้นเป็น 60Hz แรงดันไฟขาออกและกระแสไฟสูงสุดของอินเวอร์เตอร์จะอยู่ที่ 380V/30A เท่านั้น เห็นได้ชัดว่ากำลังขาออกยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นเราจึงเรียกว่าการควบคุมความเร็วของกำลังไฟคงที่

เวลานี้แรงบิดเป็นอย่างไรบ้าง?

เนื่องจาก P=wT(w; ความเร็วเชิงมุม, T: แรงบิด) และ P ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงและ w เพิ่มขึ้น แรงบิดจึงลดลงตามลำดับ

เรายังสามารถมองจากมุมมองอื่นได้:

แรงดันไฟฟ้าสเตเตอร์ของมอเตอร์คือ U=E+I*R (I คือกระแสไฟฟ้า, R คือความต้านทานอิเล็กทรอนิกส์ และ E คือศักย์เหนี่ยวนำ)

จะเห็นได้ว่าเมื่อ U และ I ไม่เปลี่ยนแปลง E ก็ไม่เปลี่ยนแปลงเช่นกัน

และ E=k*f*X (k: ค่าคงที่; f: ความถี่; X: ฟลักซ์แม่เหล็ก) ดังนั้นเมื่อ f เปลี่ยนจาก 50–>60Hz, X จะลดลงตามลำดับ

สำหรับมอเตอร์ T=K*I*X (K: ค่าคงที่; I: กระแสไฟฟ้า; X: ฟลักซ์แม่เหล็ก) ดังนั้นแรงบิด T จะลดลงเมื่อฟลักซ์แม่เหล็ก X ลดลง

ในเวลาเดียวกัน เมื่อมีค่าน้อยกว่า 50Hz เนื่องจาก I*R มีค่าน้อยมาก เมื่อ U/f=E/f ไม่เปลี่ยนแปลง ฟลักซ์แม่เหล็ก (X) จะเป็นค่าคงที่ แรงบิด T จะเป็นสัดส่วนกับกระแสไฟฟ้า นี่คือสาเหตุที่มักใช้ความสามารถในการรับกระแสเกินของอินเวอร์เตอร์เพื่ออธิบายความสามารถในการรับโหลดเกิน (แรงบิด) และเรียกว่าการควบคุมความเร็วแรงบิดคงที่ (กระแสไฟฟ้าที่กำหนดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง–>แรงบิดสูงสุดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง)

สรุป: เมื่อความถี่เอาท์พุตของอินเวอร์เตอร์เพิ่มขึ้นตั้งแต่ 50Hz ขึ้นไป แรงบิดเอาท์พุตของมอเตอร์จะลดลง

6.ปัจจัยอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับแรงบิดเอาต์พุต

ความสามารถในการสร้างความร้อนและการกระจายความร้อนจะกำหนดความสามารถในการกระแสไฟขาออกของอินเวอร์เตอร์ จึงส่งผลต่อความสามารถในการแรงบิดขาออกของอินเวอร์เตอร์ด้วย

1. ความถี่พาหะ: กระแสไฟฟ้าที่กำหนดที่ระบุไว้บนอินเวอร์เตอร์โดยทั่วไปคือค่าที่สามารถรับประกันเอาต์พุตต่อเนื่องที่ความถี่พาหะสูงสุดและอุณหภูมิแวดล้อมสูงสุด การลดความถี่พาหะจะไม่ส่งผลต่อกระแสไฟฟ้าของมอเตอร์ อย่างไรก็ตาม ความร้อนที่เกิดขึ้นจากส่วนประกอบจะลดลง

2. อุณหภูมิแวดล้อม: เช่นเดียวกับค่ากระแสการป้องกันอินเวอร์เตอร์จะไม่เพิ่มขึ้นเมื่อตรวจพบว่าอุณหภูมิแวดล้อมต่ำเกินไป

3. ระดับความสูง: การเพิ่มขึ้นของระดับความสูงส่งผลต่อการระบายความร้อนและประสิทธิภาพของฉนวน โดยทั่วไปแล้วสามารถละเลยได้หากอยู่ต่ำกว่า 1,000 เมตร และสามารถลดลงได้ 5% ทุกๆ 1,000 เมตรที่อยู่เหนือขึ้นไป

7.ความถี่ที่เหมาะสมสำหรับตัวแปลงความถี่เพื่อควบคุมมอเตอร์คือเท่าไร?

จากบทสรุปข้างต้น เราได้เรียนรู้ว่าทำไมอินเวอร์เตอร์จึงถูกใช้เพื่อควบคุมมอเตอร์ และยังได้เข้าใจด้วยว่าอินเวอร์เตอร์ควบคุมมอเตอร์อย่างไร อินเวอร์เตอร์ควบคุมมอเตอร์ ซึ่งสามารถสรุปได้ดังนี้:

ประการแรก อินเวอร์เตอร์จะควบคุมแรงดันเริ่มต้นและความถี่ของมอเตอร์เพื่อให้การเริ่มและหยุดราบรื่น

ประการที่สอง อินเวอร์เตอร์ใช้เพื่อปรับความเร็วของมอเตอร์ และความเร็วของมอเตอร์จะถูกปรับโดยการเปลี่ยนความถี่

มอเตอร์แม่เหล็กถาวรของมณฑลอานฮุยหมิงเต็งผลิตภัณฑ์ได้รับการควบคุมโดยอินเวอร์เตอร์ ภายในช่วงโหลด 25%-120% มีประสิทธิภาพสูงกว่าและมีช่วงการทำงานที่กว้างกว่ามอเตอร์อะซิงโครนัสที่มีคุณสมบัติเดียวกัน และมีผลประหยัดพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ

ช่างเทคนิคผู้เชี่ยวชาญของเราจะเลือกอินเวอร์เตอร์ที่เหมาะสมยิ่งขึ้นตามสภาพการทำงานที่เฉพาะเจาะจงและความต้องการที่แท้จริงของลูกค้าเพื่อให้ควบคุมมอเตอร์ได้ดีขึ้นและเพิ่มประสิทธิภาพของมอเตอร์ให้สูงสุด นอกจากนี้ แผนกบริการด้านเทคนิคของเรายังสามารถให้คำแนะนำลูกค้าจากระยะไกลในการติดตั้งและแก้ไขอินเวอร์เตอร์ รวมถึงติดตามและให้บริการอย่างรอบด้านก่อนและหลังการขาย

ลิขสิทธิ์: บทความนี้เป็นการพิมพ์ซ้ำจากหมายเลขสาธารณะ WeChat “การฝึกอบรมทางเทคนิค” ลิงค์ดั้งเดิม https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA

บทความนี้ไม่ถือเป็นความคิดเห็นของบริษัทเรา หากคุณมีความคิดเห็นหรือมุมมองที่แตกต่าง โปรดแจ้งให้เราทราบเพื่อแก้ไข!