Was sind die drei Arten von VFD?

Einführung - Was bedeutet “VFD” in elektrischen Systemen?

Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) Im Wesentlichen ein elektrischer Leistungsfrequenzwandler: er wandelt Wechselstrom in Gleichstrom und dann wieder in Wechselstrom um und formt die Stromversorgung in eine variable Frequenz/Spannungsausgabe (Bereich 0-650Hz) um, wodurch eine stufenlose Geschwindigkeitsregulierung der VFD-Motorsteuerung erreicht wird. definieren Sie variablen Frequenzantrieb bezieht sich auf diese Art von Halbleiter-Regelungssystem (auch bekannt als einstellbarer Frequenzantrieb), das zu der elektrischen Kategorie der Arten von variablen Geschwindigkeitsantrieben gehört. Sein Hauptwert liegt in der Eliminierung des 80% Motoranlaufstoßstroms, wodurch industrielle Lasten genau den Betriebsanforderungen entsprechen können.

Typ 1 - Spannungsquellenwechselrichter (VSI) VFD

Arbeitsprinzip

Eine der Kerntopologien moderner frequenzvariabler Antriebe (VFD) besteht im Wesentlichen in der Umwandlung gleichgerichteter Gleichspannung (die durch Kondensatoren auf einer stabilen Spannung gehalten wird) in hochfrequente Impulsfolgen mittels PWM-VFD-Technologie. Der Controller des frequenzvariablen Antriebs passt die Impulsbreite und das Intervallverhältnis an, um die erforderliche Spannung (0-480 V) und Frequenz (0-650 Hz) in Form eines Sinuswellenäquivalents dynamisch zu synthetisieren, wodurch eine nahtlose kontinuierliche Regelung der VFD-Motorsteuerung erreicht wird.

Vorteile

• Systemwirkungsgrad >92% (basierend auf Si-IGBT-Wechselrichtermodulen)
• Verzerrungsgrad der Ausgangswellenform <5% (entspricht dem IEEE 519-Standard)
• VFD-Drehzahlregelung mit einer Genauigkeit von bis zu ±0,5% (im Vergleich zu ±5% bei hydraulischer Drehzahlregelung)
• Kompatibel mit Standard 380V-Drehstrommotoren ohne Änderung

Benachteiligungen

• Die Toleranz der Netzspannung beträgt nur ±10% (bei Überschreitung dieses Bereichs kann der Unterspannungsschutz ausgelöst werden)
• Hochfrequente PWM kann zu Risiken beim Motorlagerstrom führen (erfordert Gleichtaktfilterunterdrückung)
• Oberschwingungen THDi des Eingangsstroms > 35% (erfordert eine externe Eingangsdrossel von 12%)

Anwendungsszenarien

Als typischer Vertreter der Wechselrichter mit variabler Spannung und variabler Frequenz dominiert er die folgenden Bereiche:

• HVAC-Systeme: Gekühlt Wasserpumpe Frequenz von 50Hz bis 35Hz, Stromverbrauch ↓42%
• ​Zentrifugalventilatoren: Voll geöffnete Klappe + variable Frequenzregelung, umfassende Energieeinsparung ≥28%
• ​Pumpstationen für die Wasserversorgung: Adaptive Durchflussregelung im Konstantdruckmodus (0-100Hz Reaktion)

Typ 2 - Stromquellenwechselrichter (CSI) VFD​

Arbeitsprinzip

Der CSI-Frequenzumrichter arbeitet analog zu einem Spannungsquellen-VFD und funktioniert wie ein Steuermann, der einen Energiefluss steuert. Auf der Gleichrichterseite wird anstelle von Kondensatoren ein induktiver Energiespeicher verwendet, der eine stabile Gleichstromquelle (anstelle einer konstanten Spannung) herstellt, die dann über Thyristorschalttechnik zur Steuerung des Stromflusses geleitet wird.
Die rechteckige Ausgangswellenform des Stroms wird von der VFD-Steuerung in Bezug auf die Amplitude (und nicht auf die PWM-Impulsbreite) präzise geregelt und eignet sich daher besonders für die Anlaufanforderungen von Lasten mit hoher Trägheit, wie z. B. Kugelmühlen.

Vorteile

• Unterstützt Vier-Quadranten-Betrieb (100% Energierückspeisung ins Netz)
• Hält Stromstößen von 200% stand (momentane Schwankungen in metallurgischen Lichtbogenöfen)
• Natürlicher Kurzschlusswiderstand (Induktor unterdrückt di/dt)
• Leistungsbereich: 0,5-50 MW (weit über der VSI-Grenze von 0,75 MW)

Benachteiligungen

• 40% größeres Volumen als VSI (Induktivitätskomponenten benötigen Platz)
• Erfordert einen speziellen Motor für die Motorsteuerung mit variabler Frequenz (gewöhnliche Motoren sind anfällig für magnetische Sättigung)
• Oberschwingungen am Ausgang > 25% (vorgeschriebene Konfiguration des 12-Puls-Gleichrichters)
• Minimale Drehzahlgrenze von 15 Hz (niedriger als die 5 Hz des VSI)

Anwendungsszenarien

Bevorzugte Wahl für die Kernstromquellen der Schwerindustrie im großen Maßstab:

• ​Bergwerkskompressoren: Regenerative Bremsung für Schraubenkompressoren der 2000 kW-Klasse
• ​Metallurgische Walzwerke: Unterdrückung der Drehmomentpulsation (Schwankung <3%)
• ​Zementrohrmühlen: Anlaufmoment bis zu 300% des Nennwertes

Typ 3 - Pulsbreitenmodulierter (PWM) VFD

Arbeitsprinzip

Als Mainstream-Lösung mit einem Marktanteil von über 85% ist die Pulsweitenmodulation VFD wie ein Mosaikkünstler im Bereich der Leistungselektronik - sie nutzt IGBT-Module, um die Zwischenkreisspannung mit einer ultrahohen Geschwindigkeit von 3-15 kHz zu schalten, und erzeugt dabei Pulssequenzen im Mikrosekundenbereich mit präzisen und steuerbaren Breiten. Der Algorithmus des Frequenzumrichters berechnet in Echtzeit Strategien zur Pulsbreitenkombination, um die Ausgangswellenform unendlich nahe an eine Sinuskurve (THD < 5%) zu bringen und eine nahtlose Regulierung des Motordrehmoments/der Drehzahl zu erreichen.

Vorteile

• pwm vfd Optimale Qualität der Ausgangswellenform (im Vergleich zu CSI-Rechteckwelle/VSI-Schrittwelle)
• vfd-Drehzahlregelung Genauigkeit bis zu ±0,1% (Vektorregelungsmodus)
• Motorbetriebsgeräusch ≤65 dB (Trägerfrequenz einstellbar)
• Kompakte Leistungsdichte von bis zu 2,8 kVA/kg (4-mal höher als CSI)

Benachteiligungen

• Erzeugt 3-150 hochfrequente Oberschwingungen (erfordert eine 12% Eingangsdrossel zur Unterdrückung von THDi <8%)
• Komplexes Design für elektromagnetische Verträglichkeit (obligatorischer Einbau von RFI-Filtern)
• dv/dt-Belastung beschleunigt die Alterung der Motorisolierung (＞5 kV/μs)

Anwendungsszenarien

Der absolute Marktführer in der Präzisionsdrehzahlregelung:

• Gebäudeautomatisierung: AufzügeVektorieller AntriebGenauigkeit der Bodennivellierung ±3 mm
• ​Verpackungslinien für Lebensmittel: Reaktionszeit der Servo-Synchronsteuerung ＜2 ms
• ​CNC-Werkzeugmaschinen: Spindeldrehzahl 0-6000 U/min stufenlos schaltbar

Vergleichstabelle der drei VFD-Typen

Wie Sie den richtigen VFD-Typ für Ihre Anwendung auswählen

Die Auswahlkriterien basieren auf den Lasteigenschaften und dem Leistungsbedarf: Lasten mit variablem Drehmoment (Fans/Pumpen) sollte dem PWM-Typ den Vorrang geben HVAC VFDs (50Hz → 40Hz Energieeinsparungen > 35%, Standard für HVAC-Antriebe), deren VFD-Antriebe sich nahtlos in industrielle Standard-Drehstrom-VFD-Systeme integrieren lassen (380V-Drehstromabdeckung > 90% der Anwendungen); Stoßbelastungen wie Brecher erfordern eine CSI-Topologie (die in der Lage ist, 300% Stromstöße für 2 Sekunden auszuhalten). Für einphasige 220-V-Altgeräte sind VFDs für einphasige Motoren nur bis zu 3,7 kW erhältlich (müssen ein virtuelles Drehstrommodul enthalten); andernfalls wird eine Nachrüstung des Motors empfohlen.VFD-Installation müssen die folgenden Anforderungen erfüllen: 1) Transformatorleistung > VFD-Leistung × 1,25 (harmonischer THDi < 8%); 2) Kühlungsabstand im Schrank ≥ 30 cm (Wärmeverlust 3% × Leistung); 3) Das VFD-System muss mit einem EMV-Filter ausgestattet sein (leitungsgebundene Störungen ≤ 55 dBμV). Für hochdynamische Anwendungen (z. B. CNC-Spindeln), wird eine SiC-IGBT-PWM-Vektorsteuerung empfohlen. Für Start/Stopp-Bedingungen mit hoher Last wird eine Kombination aus Thyristor CSI und Permanentmagnetmotor (NdFeB-Material mit einer Temperaturbeständigkeit ≤ 150 °C) empfohlen, um ein maximales Drehmoment zu erreichen.

Fazit - VFD-Typen und ihre Rolle in der modernen Automatisierung

Drei Arten von Frequenzumrichter-Architekturen (VFD) erfüllen jeweils unterschiedliche Funktionen: VSI nutzt die Spannungspräzision zur Steuerung von Kreiselpumpen, CSI nutzt die Stromstabilität zur Steuerung von Walzwerken, während PWM Hochfrequenzimpulse zur Verfeinerung der CNC-Präzision einsetzt - alle erreichen im Grunde die Revolution der VFD-Motorsteuerung durch die Neukonfiguration elektrischer Energiewellenformen.

Eine falsche Auswahl kann zu doppelten Kosten führen: Nicht aufeinander abgestimmte Komponenten von Antrieben mit variabler Frequenz (z. B. die Verwendung von VSI für Brecher) können zu einer Verringerung des Systemwirkungsgrads um 25% führen; umgekehrt können präzise eingesetzte vfd-Antriebspaneele (integriert mit EMV-Filter- und Kühlsystemen) die Kosten für HLK-Anlagen senken. Wartung Der grundlegende Unterschied zwischen VSD und VFD: Mechanische Frequenzumrichter (VSD) sind wie manuelle Getriebe, während die VFD-Steuerung mit einem stufenlosen CVT-Getriebe vergleichbar ist - sie nutzt die Präzisionsregelung auf Halbleiterbasis, um die Grundlage für Energieeffizienz zu schaffen. Wenn jeder Motor in einer Fabrik von einem kompatiblen VFD angetrieben wird, verwandelt sich das industrielle Netzwerk in einen intelligenten Organismus, der in Echtzeit reagiert.