Napęd o zmiennej częstotliwości (VFD), znany również jako przetwornica częstotliwości, przetwornica o regulowanej prędkości, falownik lub napęd prądu przemiennego, to rodzaj sterownika silnika, który napędza silnik elektryczny poprzez zmianę częstotliwości i napięcia dostarczanego do silnika elektrycznego. Jako dostawca VFD często otrzymuję pytania o wpływ VFD na moment obrotowy silnika. W tym poście na blogu zagłębię się w związek pomiędzy napędami VFD a momentem obrotowym silnika, badając zasady, czynniki i implikacje praktyczne.
Zrozumienie momentu obrotowego silnika
Zanim omówimy, w jaki sposób przetwornica częstotliwości wpływa na moment obrotowy silnika, konieczne jest zrozumienie, czym jest moment obrotowy silnika. Moment obrotowy to siła obrotowa wytwarzana przez silnik, która jest odpowiedzialna za napędzanie ładunku. Jest mierzona w Newtonach – metrach (N·m) lub stopach – funtach (ft – lb). Wielkość momentu obrotowego, jaki może wytworzyć silnik, zależy od kilku czynników, w tym konstrukcji silnika, przyłożonego napięcia i częstotliwości zasilania.
W standardowym silniku prądu przemiennego charakterystyka momentu obrotowego i prędkości jest stosunkowo stała. Przy niskich prędkościach silnik może wytwarzać wysoki moment obrotowy, który jest przydatny przy uruchamianiu dużych obciążeń. Wraz ze wzrostem prędkości moment obrotowy zazwyczaj maleje. Charakterystyka ta jest określona przez pole magnetyczne silnika i interakcję pomiędzy stojanem i wirnikiem.
Jak działają VFD
VFD działa poprzez konwersję przychodzącej mocy prądu przemiennego na moc prądu stałego za pośrednictwem prostownika. Następnie sekcja falownika przekształca prąd stały z powrotem na prąd przemienny o zmiennej częstotliwości i napięciu. Dostosowując częstotliwość i napięcie, VFD może kontrolować prędkość i moment obrotowy silnika.
Podstawową zasadą VFD jest stosunek V/f (napięcie do częstotliwości). W silniku prądu przemiennego strumień magnetyczny w silniku jest proporcjonalny do stosunku U/f. Aby utrzymać stały strumień magnetyczny (a tym samym stałą zdolność wytwarzania momentu obrotowego), napięcie musi być regulowane proporcjonalnie do częstotliwości. Na przykład, jeśli częstotliwość zostanie zmniejszona o połowę w stosunku do częstotliwości znamionowej, napięcie powinno również zostać zmniejszone o połowę, aby utrzymać stały stosunek U/f.
Wpływ VFD na moment obrotowy silnika
Praca ze stałym momentem obrotowym
W wielu zastosowaniach, takich jak przenośniki, pompy wyporowe i wciągniki, wymagany jest stały moment obrotowy w szerokim zakresie prędkości. Przetwornica częstotliwości może osiągnąć stały moment obrotowy, utrzymując stały stosunek V/f. Kiedy częstotliwość spada, napięcie również zmniejsza się proporcjonalnie, zapewniając, że strumień magnetyczny w silniku pozostaje stały. W rezultacie silnik może wytwarzać taki sam moment obrotowy przy niższych prędkościach, jak przy prędkości znamionowej.
Na przykład, jeśli silnik ma moment obrotowy 100 N·m przy 1500 obr./min i 50 Hz, gdy przetwornica częstotliwości zmniejsza częstotliwość do 25 Hz, napięcie również zmniejsza się o połowę. Silnik może nadal wytwarzać moment obrotowy 100 N·m przy 750 obr./min, co pozwala mu skutecznie napędzać obciążenie przy niższej prędkości. Ta praca ze stałym momentem obrotowym ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach, w których obciążenie wymaga stałej ilości siły niezależnie od prędkości.
Działanie ze zmiennym momentem obrotowym
Niektóre zastosowania, takie jak pompy odśrodkowe i wentylatory, wymagają zmiennego momentu obrotowego. Moment obrotowy wymagany przez te obciążenia jest proporcjonalny do kwadratu prędkości. Przetwornica częstotliwości może zoptymalizować zużycie energii w tych zastosowaniach, dostosowując napięcie i częstotliwość zgodnie z wymaganiami dotyczącymi momentu obrotowego obciążenia.
Wraz ze spadkiem prędkości pompy odśrodkowej lub wentylatora moment obrotowy wymagany przez obciążenie znacznie maleje. Przetwornica częstotliwości może redukować napięcie i częstotliwość bardziej agresywnie niż w zastosowaniach ze stałym momentem obrotowym, oszczędzając energię. Na przykład, jeśli prędkość wentylatora zostanie zmniejszona do połowy jego prędkości znamionowej, moment obrotowy wymagany przez wentylator zostanie zmniejszony do jednej czwartej momentu znamionowego. VFD może odpowiednio dostosować napięcie i częstotliwość, co skutkuje znacznymi oszczędnościami energii.
Rozruch z wysokim momentem obrotowym
Jedną ze znaczących zalet stosowania przemiennika częstotliwości jest jego zdolność do zapewnienia rozruchu z wysokim momentem obrotowym. Podczas rozruchu bezpośredniego (DOL) silnika prądu przemiennego silnik pobiera duży prąd rozruchowy, co może powodować spadki napięcia w zasilaczu oraz naprężenia mechaniczne silnika i obciążenia. Z drugiej strony VFD może stopniowo zwiększać częstotliwość i napięcie, umożliwiając płynny rozruch silnika z wysokim momentem obrotowym.
Przetwornica częstotliwości może kontrolować prędkość przyspieszania, zapewniając osiągnięcie przez silnik żądanej prędkości bez przeciążania systemu. Jest to szczególnie przydatne w zastosowaniach, w których występują duże obciążenia początkowe, takich jak kruszarki i mieszalniki. Zapewniając rozruch z wysokim momentem obrotowym, przetwornica częstotliwości może wydłużyć żywotność silnika i obniżyć koszty konserwacji.
Czynniki wpływające na zależność momentu obrotowego od VFD
Projekt silnika
Konstrukcja silnika odgrywa kluczową rolę w jego reakcji na VFD. Różne typy silników, takie jak silniki indukcyjne i silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, mają różną charakterystykę momentu obrotowego i prędkości. Silniki indukcyjne są szeroko stosowane w napędach VFD ze względu na ich solidność i stosunkowo niski koszt. Mogą jednak mieć pewne ograniczenia w zakresie pracy z dużymi prędkościami i wydajnością w porównaniu z silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi.
Konfiguracja uzwojenia silnika, liczba biegunów i konstrukcja wirnika mogą również wpływać na wytwarzanie momentu obrotowego podczas korzystania z przetwornicy częstotliwości. Na przykład silnik z większą liczbą biegunów będzie miał niższą prędkość synchroniczną i może wymagać różnych ustawień U/f, aby osiągnąć optymalną wydajność momentu obrotowego.
Ustawienia VFD
Ustawienia VFD, takie jak czasy przyspieszania i zwalniania, ograniczenie momentu obrotowego i krzywa U/f, mogą znacząco wpływać na moment obrotowy silnika. Czasy przyspieszania i zwalniania określają, jak szybko silnik osiąga żądaną prędkość. Jeżeli czas przyspieszania jest zbyt krótki, silnik może nie być w stanie wytworzyć wystarczającego momentu obrotowego do przyspieszenia obciążenia, co skutkuje wyłączeniem nadprądowym.
Ustawienie ograniczenia momentu obrotowego pozwala użytkownikowi ograniczyć maksymalny moment obrotowy, jaki może wytworzyć silnik. Jest to przydatne do ochrony silnika i obciążenia przed uszkodzeniem. Ustawienie krzywej U/f można regulować w celu optymalizacji charakterystyki momentu obrotowego i prędkości dla różnych zastosowań. Niektóre napędy VFD oferują wiele krzywych U/f, takich jak krzywe liniowe, kwadratowe i krzywe niestandardowe, aby spełnić specyficzne wymagania obciążenia.
Załaduj charakterystykę
Charakterystyki obciążenia, takie jak bezwładność, tarcie i rodzaj obciążenia (moment stały lub zmienny), również wpływają na zależność momentu obrotowego - VFD. Obciążenie o dużej bezwładności wymaga większego momentu obrotowego do przyspieszania i zwalniania. Przemiennik częstotliwości musi być odpowiednio zwymiarowany i skonfigurowany, aby sprostać wymaganiom związanym z wysokim momentem obrotowym w tych okresach przejściowych.
Tarcie w obciążeniu może również wpływać na moment obrotowy potrzebny do napędzania obciążenia. Jeśli występuje nadmierne tarcie, silnik może potrzebować większego momentu obrotowego, aby je pokonać. Zrozumienie charakterystyki obciążenia jest niezbędne do wyboru odpowiedniego napędu VFD i ustawienia odpowiednich parametrów w celu zapewnienia optymalnej wydajności momentu obrotowego.
Praktyczne implikacje dla wyboru i zastosowania VFD
Wybierając napęd VFD do konkretnego zastosowania, należy wziąć pod uwagę wymagania dotyczące momentu obrotowego obciążenia. Do zastosowań ze stałym momentem obrotowym niezbędny jest przetwornica częstotliwości, która może utrzymać stały stosunek U/f w szerokim zakresie prędkości.Napęd VFD o mocy 22 kWto doskonała opcja do wielu zastosowań ze stałym momentem obrotowym i zapotrzebowaniem na moc około 22 KW.
W przypadku zastosowań ze zmiennym momentem preferowany jest przetwornica częstotliwości z zaawansowanymi funkcjami oszczędzania energii i możliwością regulacji stosunku U/f zgodnie z wymaganiami dotyczącymi momentu obrotowego obciążenia.VFD dla silnikówoferuje szeroką gamę przetwornic częstotliwości odpowiednich do różnych zastosowań silników, w tym silników o zmiennym obciążeniu momentem obrotowym.
Ponadto przetwornica częstotliwości powinna być odpowiednio dobrana, aby wytrzymać prąd znamionowy silnika i wymagania dotyczące szczytowego momentu obrotowego podczas rozruchu i okresów przejściowych. Nadmierne lub zbyt małe wymiary VFD mogą prowadzić do słabej wydajności, zwiększonego zużycia energii i potencjalnego uszkodzenia silnika i VFD.
Wniosek
Jako dostawca VFD rozumiem znaczenie wpływu VFD na moment obrotowy silnika. Przetwornica częstotliwości może zapewnić pracę ze stałym momentem obrotowym w zastosowaniach wymagających stałej siły, pracę ze zmiennym momentem obrotowym w celu zapewnienia energooszczędnej pracy w zastosowaniach ze zmiennym momentem obrotowym oraz rozruch z wysokim momentem obrotowym w zastosowaniach wymagających dużego obciążenia.
Rozumiejąc zasady działania VFD, czynniki wpływające na relację moment obrotowy - VFD oraz praktyczne implikacje dla wyboru i zastosowania VFD, użytkownicy mogą podejmować świadome decyzje przy wyborze VFD do swoich systemów silnikowych. Jeśli szukasz niezawodnego rozwiązania VFD do swojego zastosowania silnikowego, niezależnie od tego, czy jest toNapęd VFD o mocy 22 kW, AVFD dla silnikówlubNapęd falownikowy, skontaktuj się z nami, aby uzyskać więcej informacji i omówić swoje specyficzne wymagania. Jesteśmy gotowi pomóc Ci w znalezieniu idealnego VFD dla Twoich potrzeb.
Referencje
- Boldea, I. i Nasar, SA (1999). Napędy elektryczne: wprowadzenie. Prasa CRC.
- Fitzgerald, AE, Kingsley, C., Jr. i Umans, SD (2003). Maszyny elektryczne. McGraw-Wzgórze.
- Krause, PC, Wasyńczuk, O. i Sudhoff, SD (2002). Analiza maszyn elektrycznych i układów napędowych. Wiley – Internauka.