Как индустриалните инвертори създават променлив ток от постояннотокова шина

Промишленият инвертор се разбира най-добре като система за преобразуване на енергия, а не като кутия, която просто „превръща постоянен ток в променлив ток“. Неговият полупроводников мост изгражда управлявана форма на напрежението от постояннотокова шина, докато управлението, защитата, топлинният дизайн, кабелът, двигателят и механичният товар определят дали тази форма ще създава полезен въртящ момент надеждно. Два инвертора с еднаква номинална мощност могат да се държат много различно при промяна на дължината на кабела, регенерацията, температурата в корпуса или инерцията на товара.

Този системен поглед е важен, защото много повреди на място, приписвани на инвертора, всъщност произхождат от друго място: слаб източник на постоянен ток, лошо проектирано предварително зареждане, неподходящ двигател, прекомерно напрежение от отразени вълни, недостатъчен спирачен капацитет или заземяване, което осигурява неконтролиран обратен път за синфазния ток.

Източникът на постоянен ток, комутационният мост, кабелът и товарът образуват една електрическа система и трябва да бъдат проектирани съвместно.

Постояннотоковата шина определя енергийната граница

Веригата на преобразуване обикновено започва с изправител, батерия, фотоволтаичен източник или друг източник на постоянен ток. Кондензаторна банка стабилизира постояннотоковото звено и осигурява кратковременна енергия при бързи промени на товара. Напрежението на шината определя максималното основно изходно напрежение, достъпно от комутационното стъпало; капацитетът, импедансът на източника, допустимият пулсационен ток и съпротивлението за предварително зареждане влияят върху реакцията на шината при стартиране и при преходни товари.

Предварителното зареждане ограничава пусковия ток, който иначе би протекъл към разредените кондензатори. След като шината достигне приемливо ниво, контактор или полупроводников елемент шунтира резистора. Повреден шунтиращ елемент може да прегрее веригата за предварително зареждане, а контактор, който затваря твърде рано, може да повреди изправители, предпазители или кондензатори. Затова при въвеждане в експлоатация трябва да се проследява напрежението на шината и да се проверява времето на състоянията за предварително зареждане и шунтиране, вместо „готово за работа“ на задвижването да се приема като достатъчно доказателство.

Полупроводниковото превключване синтезира формата на сигнала

Еднофазен H-мост използва четири управлявани елемента, за да подава положително или отрицателно постоянно напрежение към товара. Трифазният мост използва три рамена. Контролерът модулира всяко рамо така, че основната съставка да има зададените честота, фаза и амплитуда. Широчинно-импулсната модулация (PWM) не създава идеална синусоида на клемите на моста; тя създава импулси на напрежението, чието средно поведение и основна съставка се доближават до желаното изходно напрежение на променлив ток.

Драйверите на управляващите затвори трябва да предотвратяват едновременното провеждане на горния и долния превключвател в едно рамо. Между превключванията им се задава преднамерено мъртво време, за да се избегне токов пробив. Твърде малкото мъртво време създава риск от разрушителен ток; твърде голямото изкривява изхода, особено при ниско напрежение и ниска скорост. Съвременното управление компенсира част от това изкривяване, но резултатът все пак зависи от характеристиките на превключване на елементите и от посоката на тока.

Редуващите се състояния на моста задават полярността, а PWM управлява ефективното напрежение и честотата, подавани към товара.

Товарът филтрира част от хармониците — и изпитва влиянието на други

Индуктивността на двигателя изглажда голяма част от тока с комутационна честота, така че токът може да изглежда сравнително синусоидален дори когато клемното напрежение представлява поредица от импулси. Това не прави високочестотните съставки безвредни. Бързите преходи на напрежението могат да породят синфазен ток през капацитета на двигателя, да увеличат електромагнитните смущения и да допринесат за повреди от токове през лагерите. Дългите кабели към двигателя могат също да създадат пренапрежение от отразени вълни на клемите на двигателя, тъй като кабелът се държи като преносна линия, а не като идеален проводник.

Решението трябва да съответства на механизма. Екранираният кабел за двигателя и правилното свързване по цялата обиколка осигуряват контролиран високочестотен обратен път. dV/dt реакторът може да намали скоростта на нарастване на напрежението; синусоидалният филтър е по-агресивен и може да е оправдан при много дълги кабели или двигатели с ограничена изолационна способност. Изходните реактори, синфазните дросели, изолираните лагери и устройствата за заземяване на вала решават различни части от проблема и не трябва да се разглеждат като взаимозаменяеми принадлежности.

Управлението на въртящия момент зависи от повече от честотата

При асинхронен двигател базовата стратегия волт на херц променя напрежението спрямо честотата, за да поддържа полезен магнитен поток. Векторното управление изчислява или измерва магнитния поток и разделя тока, създаващ въртящ момент, от намагнитващия ток, което подобрява реакцията при ниска скорост и потискането на смущения. При двигатели с постоянни магнити задвижването трябва да познава електрическите характеристики на двигателя и положението на ротора с достатъчна точност за избрания режим на управление.

Данните от табелката на двигателя, базовата честота, номиналният ток, времето за ускоряване, минималната скорост и методът на охлаждане са входни данни за въвеждане в експлоатация, а не формалност. Процедурата за автоматична настройка или идентификация може да подобри вътрешния модел на двигателя, но не може да компенсира недостатъчно мощен двигател, блокираща механика или неточна оценка на инерцията на товара. Инженерите трябва да сравняват зададената скорост, действителната скорост, тока, оценения въртящ момент и напрежението на шината по време на представителни цикли.

Регенерацията променя посоката на енергийния поток

При забавяне или товар, който задвижва двигателя, двигателят може да работи като генератор и да връща енергия към постояннотоковата шина. Диодният изправител обикновено не може да изпрати тази енергия обратно към захранването, затова напрежението на шината се повишава. Спирачен чопър и резистор превръщат излишъка в топлина; активно входно стъпало може да го върне към мрежата; обща постояннотокова шина може да го сподели с други оси, работещи в двигателен режим. Правилният избор зависи от енергията на цикъла, продължителността на спирането, изискванията на електрическата мрежа и топлинния режим — не само от пиковата мощност на двигателя.

Повтарящите се изключвания поради пренапрежение при забавяне трябва да доведат до изчисляване на енергията. Удължаването на рампата може да е приемливо, но може също да прикрива недостатъчно проектирана спирачна система или да влоши производителността на машината. Проверете съпротивлението на резистора, импулсната енергия, средната мощност, вентилацията на корпуса и защитата от прегряване.

Въвеждайте в експлоатация целия работен диапазон

Полезният план за изпитване обхваща студено стартиране, нормално производство, максимално ускоряване, аварийно контролирано забавяне, блокирана или заклинена механика, отпадане на фаза, когато е приложимо, и най-високата очаквана температура в корпуса. Проверете намаляването на допустимите параметри на задвижването при температурата на околната среда и надморската височина. При продължителна работа на ниска скорост на двигателя помнете, че монтираният на вала вентилатор може да осигурява по-слабо охлаждане, въпреки че задвижването продължава да създава висок въртящ момент.

Настройките на защитите трябва да бъдат съгласувани с разположените нагоре по веригата предпазители или прекъсвачи и с топлинните възможности на двигателя. Записите за земна повреда, свръхток, пренапрежение на шината и прегряване трябва да се съхраняват заедно с работните стойности около момента на събитието. Тези данни помагат да се разграничи проблемът в приложението от повреда на силовото стъпало.

Подходящото оборудване можете да разгледате в Задвижвания и управление на движението, а вариантите за управляващо захранване и източници на постоянен ток са подредени в Захранване.

Инженерна гледна точка

Правилният въпрос при избора не е „Произвежда ли този инвертор необходимото променливо напрежение?“, а „Може ли системата източник–преобразувател–кабел–двигател–товар да управлява енергията при всяко предвидено и достоверно ненормално състояние?“ Топологията на PWM има значение, но надеждните инсталации обикновено се осигуряват чрез прецизна работа по окабеляването, охлаждането, спирачната енергия, пригодността на двигателя, координацията на защитите и диагностичните данни.