วิธีการควบคุมมอเตอร์ด้วยตัวแปลงความถี่

ตัวแปลงความถี่เป็นเทคโนโลยีที่ควรมีความชำนาญเมื่อทำงานด้านไฟฟ้า การใช้ตัวแปลงความถี่เพื่อควบคุมมอเตอร์เป็นวิธีการทั่วไปในการควบคุมไฟฟ้า ในบางกรณีอาจต้องใช้ความชำนาญในการใช้งานด้วย

1.ประการแรก เหตุใดจึงต้องใช้ตัวแปลงความถี่ในการควบคุมมอเตอร์?

มอเตอร์เป็นโหลดเหนี่ยวนำซึ่งขัดขวางการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าและจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าจำนวนมากเมื่อเริ่มต้นทำงาน

อินเวอร์เตอร์เป็นอุปกรณ์ควบคุมพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ฟังก์ชันเปิด-ปิดของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าเพื่อแปลงแหล่งจ่ายไฟความถี่อุตสาหกรรมเป็นอีกความถี่หนึ่ง อินเวอร์เตอร์ประกอบด้วยวงจรหลักสองวงจร ได้แก่ วงจรแรก (โมดูลเรียงกระแส ตัวเก็บประจุไฟฟ้า และโมดูลอินเวอร์เตอร์) และวงจรที่สอง (แผงวงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง และแผงวงจรควบคุม)

เพื่อลดกระแสสตาร์ทของมอเตอร์ โดยเฉพาะมอเตอร์ที่มีกำลังสูง ยิ่งกำลังมาก กระแสสตาร์ทก็จะยิ่งสูงตามไปด้วย กระแสสตาร์ทที่มากเกินไปจะก่อให้เกิดภาระหนักขึ้นต่อแหล่งจ่ายไฟฟ้าและระบบจ่ายไฟฟ้า ตัวแปลงความถี่สามารถแก้ปัญหาการสตาร์ทนี้และช่วยให้มอเตอร์สตาร์ทได้อย่างราบรื่นโดยไม่ก่อให้เกิดกระแสสตาร์ทที่มากเกินไป

อีกหนึ่งหน้าที่ของการใช้ตัวแปลงความถี่คือการปรับความเร็วของมอเตอร์ ในหลายกรณี จำเป็นต้องควบคุมความเร็วของมอเตอร์เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการผลิตที่ดีขึ้น และการควบคุมความเร็วของตัวแปลงความถี่ถือเป็นจุดเด่นที่สำคัญที่สุด ตัวแปลงความถี่จะควบคุมความเร็วของมอเตอร์โดยการเปลี่ยนความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ

2.วิธีการควบคุมอินเวอร์เตอร์มีอะไรบ้าง?

วิธีการควบคุมมอเตอร์อินเวอร์เตอร์ที่ใช้กันทั่วไปที่สุด 5 วิธีมีดังต่อไปนี้:

A. วิธีการควบคุมการปรับความกว้างพัลส์แบบไซน์ (SPWM)

จุดเด่นของมอเตอร์ชนิดนี้คือโครงสร้างวงจรควบคุมที่เรียบง่าย ต้นทุนต่ำ ความแข็งเชิงกลที่ดี และสามารถตอบสนองความต้องการการควบคุมความเร็วที่ราบรื่นของระบบส่งกำลังทั่วไปได้ มอเตอร์ชนิดนี้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขาอุตสาหกรรม

อย่างไรก็ตาม ที่ความถี่ต่ำ เนื่องจากแรงดันเอาต์พุตต่ำ แรงบิดจึงได้รับผลกระทบอย่างมากจากแรงดันตกของความต้านทานสเตเตอร์ ซึ่งทำให้แรงบิดเอาต์พุตสูงสุดลดลง

นอกจากนี้ คุณสมบัติเชิงกลของมอเตอร์ยังไม่แข็งแกร่งเท่ามอเตอร์กระแสตรง ความสามารถในการรับแรงบิดแบบไดนามิกและประสิทธิภาพการควบคุมความเร็วแบบคงที่ยังไม่เป็นที่น่าพอใจ นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของระบบยังไม่สูง เส้นโค้งควบคุมจะเปลี่ยนแปลงไปตามโหลด การตอบสนองแรงบิดช้า อัตราการใช้แรงบิดของมอเตอร์ไม่สูง และประสิทธิภาพจะลดลงที่ความเร็วต่ำเนื่องจากความต้านทานของสเตเตอร์และผลกระทบจากจุดตายของอินเวอร์เตอร์ ทำให้เสถียรภาพลดลง ดังนั้น จึงมีการศึกษาเกี่ยวกับการควบคุมความเร็วแบบเวกเตอร์ด้วยความถี่แปรผัน

B. วิธีการควบคุมเวกเตอร์อวกาศแรงดันไฟฟ้า (SVPWM)

โดยอาศัยผลการสร้างโดยรวมของรูปคลื่นสามเฟส โดยมีจุดประสงค์เพื่อเข้าใกล้เส้นทางสนามแม่เหล็กหมุนแบบวงกลมในอุดมคติของช่องว่างอากาศของมอเตอร์ โดยสร้างรูปคลื่นการมอดูเลตสามเฟสในแต่ละครั้ง และควบคุมในลักษณะของรูปหลายเหลี่ยมจารึกที่ประมาณค่าเป็นวงกลม

หลังจากใช้งานจริง ได้มีการปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงาน กล่าวคือ การนำระบบชดเชยความถี่มาใช้เพื่อลดข้อผิดพลาดในการควบคุมความเร็ว ประเมินแอมพลิจูดฟลักซ์ผ่านฟีดแบ็กเพื่อขจัดอิทธิพลของความต้านทานสเตเตอร์ที่ความเร็วต่ำ ปิดวงจรแรงดันเอาต์พุตและวงจรกระแสเพื่อปรับปรุงความแม่นยำและเสถียรภาพแบบไดนามิก อย่างไรก็ตาม มีวงจรควบคุมจำนวนมากที่เชื่อมโยงกัน และไม่มีการปรับแรงบิด ดังนั้นประสิทธิภาพของระบบจึงยังไม่ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ

C. วิธีการควบคุมเวกเตอร์ (VC)

แก่นแท้ของมอเตอร์ AC คือการทำให้มอเตอร์ AC เทียบเท่ากับมอเตอร์ DC และควบคุมความเร็วและสนามแม่เหล็กได้อย่างอิสระ การควบคุมฟลักซ์ของโรเตอร์ กระแสสเตเตอร์จะถูกแยกส่วนเพื่อให้ได้แรงบิดและองค์ประกอบของสนามแม่เหล็ก และใช้การแปลงพิกัดเพื่อให้ได้การควบคุมแบบตั้งฉากหรือแบบแยกส่วน การนำวิธีการควบคุมแบบเวกเตอร์มาใช้มีความสำคัญอย่างยิ่งยวด อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง เนื่องจากฟลักซ์ของโรเตอร์นั้นสังเกตได้ยาก พารามิเตอร์ของมอเตอร์จึงมีผลต่อคุณลักษณะของระบบอย่างมาก และการแปลงเวกเตอร์ที่ใช้ในกระบวนการควบคุมมอเตอร์ DC เทียบเท่านั้นค่อนข้างซับซ้อน ทำให้ยากต่อการควบคุมเพื่อให้ได้ผลการวิเคราะห์ที่เหมาะสมที่สุด

D. วิธีการควบคุมแรงบิดโดยตรง (DTC)

ในปี พ.ศ. 2528 ศาสตราจารย์เดอเพนบร็อค แห่งมหาวิทยาลัยรูห์ร ประเทศเยอรมนี ได้นำเสนอเทคโนโลยีการแปลงความถี่แบบควบคุมแรงบิดโดยตรงเป็นครั้งแรก เทคโนโลยีนี้ได้แก้ไขข้อบกพร่องของการควบคุมเวกเตอร์ที่กล่าวถึงข้างต้นได้เป็นส่วนใหญ่ และได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วด้วยแนวคิดการควบคุมแบบใหม่ โครงสร้างระบบที่กระชับและชัดเจน รวมถึงประสิทธิภาพแบบไดนามิกและแบบคงที่ที่ยอดเยี่ยม

ปัจจุบัน เทคโนโลยีนี้ได้รับการนำไปใช้อย่างประสบความสำเร็จในการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสสลับกำลังสูงของหัวรถจักรไฟฟ้า การควบคุมแรงบิดโดยตรงจะวิเคราะห์แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของมอเตอร์กระแสสลับในระบบพิกัดสเตเตอร์โดยตรง และควบคุมฟลักซ์แม่เหล็กและแรงบิดของมอเตอร์ ไม่จำเป็นต้องเปรียบเทียบมอเตอร์กระแสสลับกับมอเตอร์กระแสตรง จึงช่วยลดขั้นตอนการคำนวณที่ซับซ้อนในการแปลงเวกเตอร์การหมุน ไม่จำเป็นต้องเลียนแบบการควบคุมมอเตอร์กระแสตรง และไม่จำเป็นต้องลดความซับซ้อนของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของมอเตอร์กระแสสลับสำหรับการแยกส่วน

E. วิธีการควบคุม Matrix AC-AC

การแปลงความถี่แบบ VVVF, การแปลงความถี่แบบควบคุมเวกเตอร์ และการแปลงความถี่แบบควบคุมแรงบิดโดยตรง ล้วนเป็นการแปลงความถี่ AC-DC-AC ทั้งสิ้น ข้อเสียที่พบบ่อยคือ ตัวประกอบกำลังไฟฟ้าขาเข้าต่ำ กระแสฮาร์มอนิกสูง ตัวเก็บประจุเก็บพลังงานขนาดใหญ่สำหรับวงจร DC และพลังงานหมุนเวียนไม่สามารถป้อนกลับไปยังโครงข่ายไฟฟ้าได้ กล่าวคือ ไม่สามารถทำงานแบบสี่ควอดแรนต์ได้

ด้วยเหตุนี้ การแปลงความถี่แบบเมทริกซ์ AC-AC จึงถือกำเนิดขึ้น เนื่องจากการแปลงความถี่แบบเมทริกซ์ AC-AC ได้ตัดวงจร DC กลางออกไป จึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ขนาดใหญ่และราคาแพง วงจรนี้สามารถให้ค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า 1 กระแสอินพุตแบบไซน์ และสามารถทำงานได้ในสี่ควอดแรนต์ และระบบมีความหนาแน่นกำลังไฟฟ้าสูง แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะยังไม่สมบูรณ์นัก แต่ก็ยังคงดึงดูดนักวิชาการจำนวนมากให้ทำการวิจัยเชิงลึก แก่นแท้ของเทคโนโลยีนี้ไม่ได้อยู่ที่การควบคุมกระแส ฟลักซ์แม่เหล็ก และปริมาณอื่นๆ ทางอ้อม แต่อยู่ที่การใช้แรงบิดโดยตรงเป็นปริมาณควบคุมเพื่อให้ได้มาซึ่งสิ่งเหล่านี้

3.ตัวแปลงความถี่ควบคุมมอเตอร์อย่างไร? ทั้งสองเชื่อมต่อกันอย่างไร?

การเดินสายของอินเวอร์เตอร์เพื่อควบคุมมอเตอร์นั้นค่อนข้างเรียบง่าย คล้ายกับการเดินสายของคอนแทคเตอร์ โดยมีสายไฟหลักสามเส้นเข้าและออกไปยังมอเตอร์ แต่การตั้งค่าจะซับซ้อนกว่า และวิธีการควบคุมอินเวอร์เตอร์ก็แตกต่างกันอีกด้วย

ก่อนอื่น สำหรับขั้วอินเวอร์เตอร์ แม้ว่าจะมีหลายยี่ห้อและวิธีการเดินสายที่แตกต่างกัน แต่ขั้วสายไฟของอินเวอร์เตอร์ส่วนใหญ่ก็ไม่ได้แตกต่างกันมากนัก โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นอินพุตสวิตช์เดินหน้าและถอยหลัง ซึ่งใช้สำหรับควบคุมการสตาร์ทมอเตอร์เดินหน้าและถอยหลัง ขั้วป้อนกลับใช้เพื่อป้อนกลับสถานะการทำงานของมอเตอร์รวมถึงความถี่ในการทำงาน, ความเร็ว, สถานะความผิดพลาด ฯลฯ

สำหรับการควบคุมการตั้งค่าความเร็ว ตัวแปลงความถี่บางรุ่นใช้โพเทนชิออมิเตอร์ บางรุ่นใช้ปุ่มควบคุมโดยตรง ซึ่งทั้งหมดนี้ควบคุมผ่านสายไฟ อีกวิธีหนึ่งคือการใช้เครือข่ายการสื่อสาร ปัจจุบันตัวแปลงความถี่หลายรุ่นรองรับการควบคุมการสื่อสาร สายสื่อสารนี้สามารถใช้ควบคุมการเริ่มและหยุด การหมุนไปข้างหน้าและถอยหลัง การปรับความเร็ว และอื่นๆ ของมอเตอร์ ขณะเดียวกัน ข้อมูลป้อนกลับก็จะถูกส่งผ่านการสื่อสารด้วยเช่นกัน

4.เมื่อความเร็วในการหมุน (ความถี่) เปลี่ยนแปลง แรงบิดเอาต์พุตของมอเตอร์จะเกิดอะไรขึ้น?

แรงบิดเริ่มต้นและแรงบิดสูงสุดเมื่อขับเคลื่อนด้วยตัวแปลงความถี่จะมีค่าน้อยกว่าเมื่อขับเคลื่อนโดยตรงด้วยแหล่งจ่ายไฟ

มอเตอร์มีผลกระทบจากการสตาร์ทและอัตราเร่งสูงเมื่อใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟ แต่ผลกระทบเหล่านี้จะอ่อนลงเมื่อใช้พลังงานจากตัวแปลงความถี่ การสตาร์ทโดยตรงด้วยแหล่งจ่ายไฟจะสร้างกระแสสตาร์ทสูง เมื่อใช้ตัวแปลงความถี่ แรงดันเอาต์พุตและความถี่ของตัวแปลงความถี่จะถูกเพิ่มเข้าไปในมอเตอร์ทีละน้อย ทำให้กระแสสตาร์ทและแรงกระแทกของมอเตอร์ลดลง โดยทั่วไป แรงบิดที่มอเตอร์สร้างขึ้นจะลดลงเมื่อความถี่ลดลง (ความเร็วลดลง) ข้อมูลจริงของการลดความเร็วจะอธิบายไว้ในคู่มือตัวแปลงความถี่บางรุ่น

มอเตอร์ทั่วไปได้รับการออกแบบและผลิตขึ้นสำหรับแรงดันไฟฟ้า 50 เฮิรตซ์ และแรงบิดที่กำหนดก็อยู่ในช่วงแรงดันไฟฟ้านี้เช่นกัน ดังนั้น การควบคุมความเร็วที่ต่ำกว่าความถี่ที่กำหนดจึงเรียกว่า การควบคุมความเร็วด้วยแรงบิดคงที่ (T=Te, P<=Pe)

เมื่อความถี่เอาต์พุตของตัวแปลงความถี่สูงกว่า 50Hz แรงบิดที่สร้างโดยมอเตอร์จะลดลงในความสัมพันธ์เชิงเส้นผกผันกับความถี่

เมื่อมอเตอร์ทำงานที่ความถี่มากกว่า 50Hz จะต้องพิจารณาขนาดของโหลดมอเตอร์เพื่อป้องกันไม่ให้แรงบิดเอาต์พุตของมอเตอร์ไม่เพียงพอ

ตัวอย่างเช่น แรงบิดที่สร้างโดยมอเตอร์ที่ 100Hz จะลดลงเหลือประมาณ 1/2 ของแรงบิดที่สร้างที่ 50Hz

ดังนั้น การควบคุมความเร็วที่สูงกว่าความถี่ที่กำหนดจึงเรียกว่า การควบคุมความเร็วกำลังคงที่ (P=Ue*Ie)

5. การใช้ตัวแปลงความถี่ที่สูงกว่า 50Hz

สำหรับมอเตอร์เฉพาะ แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดและกระแสไฟฟ้าที่กำหนดจะคงที่

ตัวอย่างเช่น หากค่าที่กำหนดของอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์คือ 15kW/380V/30A มอเตอร์ก็จะสามารถทำงานได้สูงกว่า 50Hz

เมื่อความเร็วอยู่ที่ 50Hz แรงดันเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์จะอยู่ที่ 380V และกระแสไฟฟ้าจะอยู่ที่ 30A ณ เวลานี้ หากเพิ่มความถี่เอาต์พุตเป็น 60Hz แรงดันเอาต์พุตและกระแสไฟฟ้าสูงสุดของอินเวอร์เตอร์จะอยู่ที่ 380V/30A เท่านั้น เห็นได้ชัดว่ากำลังเอาต์พุตยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เราจึงเรียกว่าการควบคุมความเร็วกำลังคงที่

แรงบิดตอนนี้เป็นอย่างไรบ้าง?

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

เรายังสามารถมองจากมุมอื่นได้:

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

ในขณะเดียวกัน เมื่อค่าน้อยกว่า 50Hz เนื่องจาก I*R มีค่าน้อยมาก เมื่อ U/f=E/f ไม่เปลี่ยนแปลง ฟลักซ์แม่เหล็ก (X) จะเป็นค่าคงที่ แรงบิด T แปรผันตามกระแสไฟฟ้า นี่คือเหตุผลที่มักใช้ค่าความจุกระแสเกินของอินเวอร์เตอร์เพื่ออธิบายความจุกระแสเกิน (แรงบิด) และเรียกว่า การควบคุมความเร็วแรงบิดคงที่ (กระแสไฟฟ้าที่กำหนดคงที่–>แรงบิดสูงสุดคงที่)

สรุป: เมื่อความถี่เอาท์พุตของอินเวอร์เตอร์เพิ่มขึ้นตั้งแต่ 50Hz ขึ้นไป แรงบิดเอาท์พุตของมอเตอร์จะลดลง

6.ปัจจัยอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับแรงบิดเอาต์พุต

ความสามารถในการสร้างความร้อนและการกระจายความร้อนจะกำหนดความสามารถในการกระแสไฟขาออกของอินเวอร์เตอร์ จึงส่งผลต่อความสามารถในการแรงบิดขาออกของอินเวอร์เตอร์

1. ความถี่พาหะ: โดยทั่วไปแล้ว กระแสไฟฟ้าที่กำหนดบนอินเวอร์เตอร์จะเป็นค่าที่สามารถรับประกันเอาต์พุตต่อเนื่องที่ความถี่พาหะสูงสุดและอุณหภูมิแวดล้อมสูงสุด การลดความถี่พาหะจะไม่ส่งผลกระทบต่อกระแสของมอเตอร์ อย่างไรก็ตาม ความร้อนที่เกิดขึ้นจากส่วนประกอบต่างๆ จะลดลง

2. อุณหภูมิโดยรอบ: เช่นเดียวกับค่ากระแสป้องกันอินเวอร์เตอร์ซึ่งจะไม่เพิ่มขึ้นเมื่อตรวจพบว่าอุณหภูมิโดยรอบค่อนข้างต่ำ

3. ระดับความสูง: การเพิ่มขึ้นของระดับความสูงส่งผลต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนและประสิทธิภาพของฉนวน โดยทั่วไปแล้ว ระดับความสูงที่ต่ำกว่า 1,000 เมตรสามารถละเลยได้ และความจุอาจลดลง 5% ทุกๆ ระดับความสูงที่สูงกว่า 1,000 เมตร

7.ความถี่ที่เหมาะสมสำหรับตัวแปลงความถี่เพื่อควบคุมมอเตอร์คือเท่าใด

จากบทสรุปข้างต้น เราได้เรียนรู้ว่าทำไมอินเวอร์เตอร์จึงถูกใช้เพื่อควบคุมมอเตอร์ และเข้าใจวิธีที่อินเวอร์เตอร์ควบคุมมอเตอร์ อินเวอร์เตอร์ควบคุมมอเตอร์ ซึ่งสามารถสรุปได้ดังนี้:

ประการแรก อินเวอร์เตอร์จะควบคุมแรงดันเริ่มต้นและความถี่ของมอเตอร์เพื่อให้เริ่มต้นและหยุดได้อย่างราบรื่น

ประการที่สอง อินเวอร์เตอร์ใช้เพื่อปรับความเร็วของมอเตอร์ และความเร็วของมอเตอร์จะถูกปรับโดยการเปลี่ยนความถี่

มอเตอร์แม่เหล็กถาวรของมณฑลอานฮุยหมิงเต็งผลิตภัณฑ์เหล่านี้ได้รับการควบคุมโดยอินเวอร์เตอร์ โดยในช่วงโหลด 25%-120% มีประสิทธิภาพสูงกว่าและมีช่วงการทำงานที่กว้างกว่ามอเตอร์แบบอะซิงโครนัสที่มีสเปคเดียวกัน และยังประหยัดพลังงานได้อย่างมาก

ช่างเทคนิคผู้เชี่ยวชาญของเราจะเลือกอินเวอร์เตอร์ที่เหมาะสมกับสภาพการทำงานเฉพาะและความต้องการที่แท้จริงของลูกค้า เพื่อให้สามารถควบคุมมอเตอร์ได้ดีขึ้นและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์ให้สูงสุด นอกจากนี้ ฝ่ายบริการด้านเทคนิคของเรายังสามารถให้คำแนะนำลูกค้าในการติดตั้งและแก้ไขจุดบกพร่องของอินเวอร์เตอร์จากระยะไกล พร้อมติดตามผลและให้บริการอย่างครอบคลุมทั้งก่อนและหลังการขาย

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

บทความนี้ไม่สะท้อนมุมมองของบริษัทเรา หากคุณมีความคิดเห็นหรือมุมมองที่แตกต่าง โปรดแก้ไขให้เราด้วย!