Was ist ein Frequenzumrichter (VFD) und das Funktionsprinzip von Frequenzumrichtern?

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Es ist wichtig, die Funktionsweise von Frequenzumrichtern oder Frequenzumrichtern (VFDs) zu kennen, da diese häufig in Anwendungen mit Wechselstrommotorantrieb verwendet werden Frequenzumrichter zur Motorsteuerung aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften.

Frequenzumrichter

Frequenzumrichter



Im Vergleich zu herkömmlichen Motorantrieben verfügt VFD über eine größere Funktionalität und Betriebsfähigkeit. Neben der einstellbaren Drehzahlregelung bieten Frequenzumrichter Schutzfunktionen wie Phasen-, Unter- und Überspannungsschutz. Software und Schnittstellenoptionen der VFDs ermöglichen es dem Benutzer, die Motoren auf den gewünschten Ebenen zu steuern.


Was ist ein Frequenzumrichter (VFD)?

Die Drehzahl des Wechselstrommotors wird auf zwei Arten gesteuert - entweder durch Steuern der Spannung oder der Frequenz. Die Frequenzsteuerung bietet aufgrund der konstanten Flussdichte eine bessere Steuerung als die Spannungssteuerung. Hier kommt die Arbeit von VFDs ins Spiel. Es ist ein Leistungsumwandlungsgerät, das die feste Spannung, die feste Frequenz der Eingangsleistung in die variable Spannung und den variablen Frequenzausgang zur Steuerung von Wechselstrom-Induktionsmotoren umwandelt.



Es besteht aus leistungselektronischen Geräten (wie IGBT, MOSFET), einer Hochgeschwindigkeits-Zentralsteuereinheit (wie einem Mikroprozessor, DSP) und optionalen Erfassungsgeräten, je nach verwendeter Anwendung.

Die meisten industriellen Anwendungen erfordern variable Geschwindigkeiten bei Spitzenlastbedingungen und konstante Geschwindigkeiten bei normalen Betriebsbedingungen. Das Closed-Loop-Arbeiten von Frequenzumrichtern hält die Drehzahl des Motors auch bei Eingangs- und Laststörungen konstant.

Arbeiten von VFDs

Die beiden Hauptmerkmale des Frequenzumrichters sind einstellbare Geschwindigkeiten und Soft-Start / Stopp-Funktionen. Diese beiden Funktionen machen VFDs zu einer leistungsstarken Steuerung zur Steuerung der Wechselstrommotoren. VFD besteht hauptsächlich aus vier Abschnitten: Gleichrichter, Zwischenkreis, Wechselrichter und Steuerkreis.


Arbeiten von VFDs

Arbeiten von VFDs

Gleichrichter:

Dies ist die erste Stufe eines Frequenzumrichters. Es wandelt Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom um. Dieser Abschnitt kann unidirektional oder bidirektional sein, je nach der verwendeten Anwendung wie dem Vierquadrantenbetrieb des Motors. Es werden Dioden, SCRs, Transistoren und andere elektronische Schaltgeräte verwendet.

Wenn Dioden verwendet werden, ist die umgewandelte Gleichstromleistung ein unkontrollierter Ausgang, während SCR verwendet wird. Die Gleichstromausgangsleistung wird durch die Gate-Steuerung variiert. Für die Dreiphasenumwandlung sind mindestens sechs Dioden erforderlich, sodass die Gleichrichtereinheit als Sechs-Impuls-Wandler betrachtet wird.

Zwischenkreis:

Gleichstrom vom Gleichrichterteil wird dem Zwischenkreis zugeführt. Dieser Abschnitt besteht aus Kondensatoren und Induktivitäten, um Wellen zu glätten und die Gleichstromversorgung zu speichern. Die Hauptfunktion des Zwischenkreises besteht darin, Gleichstrom zu empfangen, zu speichern und zu liefern.

Wandler:

Dieser Abschnitt besteht aus elektronischen Schaltern wie Transistoren, Thyristoren, IGBT usw. Er empfängt Gleichstrom vom Zwischenkreis und wandelt ihn in Wechselstrom um, der an den Motor geliefert wird. Es verwendet Modulationstechniken mögen Pulsweitenmodulation Variation der Ausgangsfrequenz zur Steuerung der Drehzahl des Induktionsmotors.

Steuerkreis:

Es besteht aus einer Mikroprozessoreinheit und führt verschiedene Funktionen wie Steuern, Konfigurieren der Antriebseinstellungen, Fehlerzustände und aus Schnittstellen zu Kommunikationsprotokollen . Es empfängt ein Rückkopplungssignal vom Motor als aktuelle Drehzahlreferenz und regelt dementsprechend das Verhältnis von Spannung zu Frequenz zur Steuerung der Motordrehzahl.

VFD-Implementierungsanwendung

VFD-Implementierungsanwendung

VFD-Implementierungsanwendung

VFD kann auch durch die unten angegebene Mikrocontrollerschaltung implementiert werden. Ähnlich wie bei VFD besteht es auch aus einem Gleichrichterteil, einer Filterung und einem Wechselrichterteil. Hier erhält der Wechselrichterabschnitt die Zündimpulse vom programmierten Mikrocontroller, um der Last eine variable Spannung und Frequenz zu geben. Dieses Projekt wird als einphasig bezeichnet zu Dreiphasenwandler Verwendung von SVPWM zur Steuerung von Wechselspannung und Frequenz über die Last

Anwendung von VFD

Die Anwendung von VFD ist Drehzahlregelung des Wechselstrommotors durch Umrichter .

Der Netzstrom wird dem Gleichrichterstromkreis zugeführt, der festen Wechselstrom in festen Gleichstrom umwandelt. Drei Zweigwandler bestehen aus zwei parallel geschalteten Dioden für jede Phase, so dass eine der Dioden leitet, wenn die bestimmte Phase vergleichsweise positiver oder negativer ist.

Anwendung von VFD

Anwendung von VFD

Vom Gleichrichter erzeugte gepulste Gleichspannung wird an die Zwischenkreisschaltung angelegt. Diese Zwischenschaltung umfasst Induktivitäten und Kondensatoren. Es filtert den gepulsten Gleichstrom durch Reduzierung des Welligkeitsgehalts und verleiht der Gleichstromleistung einen konstanten Pegel.

Um dem Motor eine variable Spannung und Frequenz zur Verfügung zu stellen, sollte die Gleichstromleistung vom Zwischenkreis durch einen Umrichter in eine variable Wechselspannung umgewandelt werden. Der Wechselrichter besteht aus IGBTs als Schaltvorrichtungen, die durch die PWM-Technik gesteuert werden.

Ähnlich wie bei der Gleichrichterschaltung gehören auch Wechselrichterschalter zu zwei Gruppen als positiv und negativ. Der IGBT auf der positiven Seite ist für den positiven Impuls und der IGBT auf der negativen Seite für einen negativen Impuls am Ausgang des Wechselrichters verantwortlich. Der erhaltene Ausgang ist also ein Wechselstrom, der an den Motor angelegt wird.

Durch Variieren der Schaltperiode werden Spannung und Frequenz im Wechselrichter gleichzeitig geregelt. Moderne VFD verwenden die neuesten Steuerungstechniken wie eine Skalar-, Vektor- und direkte Drehmomentsteuerung, um die Wechselrichterschalter zu steuern, um die variable Leistung zu erreichen.

Ausgangswellenformen von VFD

Ausgangswellenformen von VFD

Die obige Abbildung zeigt, wie Spannung und Frequenz durch einen Frequenzumrichter variiert werden. Beispielsweise wird an den Frequenzumrichter eine Wechselstromversorgung mit 480 V und 60 Hz angelegt, die die Signalspannung und -frequenz variiert, um die Geschwindigkeit steuern zu können.

Wenn die Frequenz verringert wird, nimmt auch die Drehzahl des Motors ab. In der obigen Abbildung nimmt die an den Motor angelegte Durchschnittsleistung ab, während sowohl die Spannung als auch die Frequenz abnehmen, vorausgesetzt, das Verhältnis dieser beiden Parameter ist konstant.

Vorteile von VFD

VFD an Motor angeschlossen

VFD an den Motor angeschlossen

Frequenzumrichter bieten nicht nur einstellbare Drehzahlen für genaue und präzise Steuerungsanwendungen, sondern bieten auch weitere Vorteile in Bezug auf Prozesssteuerung und Energieeinsparung . Einige davon sind unten angegeben.

Energie sparen

Mehr als 65% des Stroms werden von Elektromotoren in der Industrie verbraucht. Sowohl die Größen- als auch die Frequenzsteuerungstechnik zum Variieren der Drehzahl verbrauchen weniger Leistung, wenn der Motor eine variable Drehzahl benötigt. Diese VFDs sparen also viel Energie.

Regelung

VFD ermöglicht eine genaue Positionierung der Motordrehzahl durch kontinuierlichen Vergleich mit der Referenzdrehzahl, selbst bei Änderungen der Belastungsbedingungen und Eingangsstörungen wie Spannungsschwankungen.

• Begrenzt den Anlaufstrom

Der Induktionsmotor zieht beim Start einen Strom, der das 6- bis 8-fache des Nennstroms beträgt. Im Vergleich zu herkömmlichen Startern liefern VFDs bessere Ergebnisse, da sie zum Zeitpunkt des Starts eine niedrige Frequenz liefern. Aufgrund der niedrigen Frequenz zieht der Motor weniger Strom und dieser Strom überschreitet niemals seine Nennleistung sowohl beim Starten als auch beim Betrieb.

• Reibungslosen Betrieb

Es bietet reibungslose Abläufe beim Starten und Stoppen und reduziert die thermische und mechanische Belastung von Motoren und Riemenantrieben.

Hoher Leistungsfaktor

Die eingebaute Leistungsfaktorkorrekturschaltung im Zwischenkreis des Frequenzumrichters reduziert den Bedarf an zusätzlichen Leistungsfaktorkorrekturvorrichtungen.

Der Leistungsfaktor für den Induktionsmotor ist für besonders Leerlaufanwendungen sehr niedrig, während er bei Volllast 0,88 bis 0,9 beträgt. Ein niedriger Leistungsfaktor führt zu einer schlechten Leistungsauslastung aufgrund hoher Blindverluste.

Einfache Installation

Vorprogrammierte und werkseitig verdrahtete VFDs bieten eine einfache Möglichkeit zum Anschluss und zur Wartung.

Ich hoffe, dass Sie in unserem Artikel präzise und umfassende Kenntnisse über die Funktionsweise von VFDs erhalten haben. Vielen Dank, dass Sie Ihre wertvolle Zeit verbracht haben. Wir haben eine einfache Aufgabe für Sie - Was sind die verschiedenen Arten von VFDs? Bitte geben Sie Ihre Antworten im Kommentarbereich unten. Wenn Sie Fragen zu diesem Thema oder der elektrischen und elektronische Projekte Sie können Ihre Bewertungen und Vorschläge zu diesem Artikel auch im Kommentarbereich unten teilen.

Bildnachweis

Frequenzumrichter von emainc

Grundlegende Teile von VFD von Maschinendesign

Arbeiten von VFD von cfnewsads

Ausgangswellenformen von VFD durch vfds

VFD über Motor mit dem Motor verbunden cfnewsads