Какие существуют три типа ЧРП?

Введение – Что означает “VFD” в электрических системах?

Частотно-регулируемый привод (VFD) По сути, это преобразователь частоты электрической энергии: он преобразует переменный ток в постоянный, а затем обратно в переменный, изменяя форму источника питания в выходную частоту/напряжение переменного тока (диапазон 0-650 Гц), тем самым обеспечивая бесступенчатое регулирование скорости двигателя VFD. Определение «частотно-регулируемый привод» относится к этому типу полупроводниковой системы регулирования (также известной как привод с регулируемой частотой), которая принадлежит к электрической категории типов приводов с переменной скоростью. Его основная ценность заключается в устранении пускового тока двигателя 80%, что позволяет промышленным нагрузкам точно соответствовать эксплуатационным требованиям.

Тип 1 – Инвертор с источником напряжения (VSI) VFD

Принцип работы

Одна из основных топологий современных частотно-регулируемых приводов (ЧРП), суть которой заключается в преобразовании выпрямленного постоянного тока (поддерживаемого на стабильном напряжении конденсаторами) в последовательности высокочастотных импульсов с помощью технологии ШИМ ЧРП; Контроллер частотно-регулируемого привода регулирует ширину импульса и соотношение интервалов для динамического синтеза требуемого напряжения (0-480 В) и частоты (0-650 Гц) в виде синусоидальной волны, тем самым обеспечивая плавное непрерывное регулирование управления двигателем VFD.

Преимущества

• Эффективность системы >92% (на основе инверторных модулей Si-IGBT)
• Коэффициент искажения выходного сигнала <5% (соответствует стандарту IEEE 519)
• Точность регулирования скорости VFD до ±0,5% (по сравнению с ±5% для гидравлического регулирования скорости)
• Совместим со стандартными трехфазными двигателями 380 В без модификации

Недостатки

• Допустимый диапазон напряжения в сети составляет всего ±10% (превышение этого диапазона может вызвать срабатывание защиты от пониженного напряжения).
• Высокочастотный ШИМ может вызвать риск перегрузки подшипников двигателя (требуется подавление синфазного фильтра)
• Гармоническая составляющая входного тока THDi > 35% (требуется внешний входной реактор 12%)

Сценарии применения

Как типичный представитель инверторов с переменным напряжением и переменной частотой, он доминирует в следующих областях:

• Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха: Охлажденный водяной насос частота от 50 Гц до 35 Гц, потребление энергии ↓42%
• ​Центробежные вентиляторы: Полностью открытый демпфер + регулировка скорости с переменной частотой, общий коэффициент энергосбережения ≥28%
• ​Водозаборные насосные станции: Адаптивное регулирование расхода в режиме постоянного давления (частота отклика 0–100 Гц)

Тип 2 – Инвертор с источником тока (CSI) VFD​

Принцип работы

Частотно-регулируемый привод CSI работает аналогично частотно-регулируемому приводу с источником напряжения, функционируя как рулевой, управляющий потоком энергии. На стороне выпрямителя используется индуктивное накопление энергии для замены конденсаторов, создавая стабильный источник постоянного тока (а не постоянного напряжения), который затем направляется через тиристорную коммутационную технологию для управления током.
Выходная прямоугольная форма тока точно регулируется системой управления VFD по амплитуде (а не по ширине импульса ШИМ), что делает ее особенно подходящей для пусковых требований нагрузок с высокой инерцией, таких как шаровые мельницы.

Преимущества

• Поддерживает работу в четырех квадрантах (обратная связь по энергии 100% с сетью)
• Выдерживает скачки тока 200% (мгновенные колебания в металлургических дуговых печах)
• Естественное сопротивление короткому замыканию (индуктор подавляет di/dt)
• Диапазон мощности: 0,5–50 МВт (что значительно превышает предел VSI в 0,75 МВт)

Недостатки

• 40% имеет больший объем, чем VSI (индуктивные компоненты занимают место)
• Требуется специальный двигатель для управления двигателем с переменной частотой (обычные двигатели подвержены магнитному насыщению)
• Гармоники выходного сигнала > 25% (обязательная конфигурация 12-импульсного выпрямителя)
• Минимальное ограничение скорости 15 Гц (ниже, чем 5 Гц у VSI)

Сценарии применения

Предпочтительный выбор для крупных источников питания в тяжелой промышленности:

• ​Шахтные компрессоры: Рекуперативное торможение для винтовых компрессорных агрегатов мощностью 2000 кВт
• ​Металлургические прокатные станы: Подавление пульсаций крутящего момента (колебания <3%)
• ​Цементные трубные мельницы: Пусковой момент до 300% от номинального значения

Тип 3 – частотно-широтно-модулированный (PWM) VFD

Принцип работы

Являясь основным решением с долей рынка более 85%, частотно-регулируемый привод с широтно-импульсной модуляцией подобен художнику-мозаичисту в области силовой электроники — он использует IGBT-модули для переключения напряжения шины постоянного тока с ультравысокой скоростью 3–15 кГц, генерируя последовательности импульсов микросекундного уровня с точной и контролируемой шириной.Алгоритм инвертора частотно-регулируемого привода в режиме реального времени рассчитывает стратегии комбинации ширины импульсов, чтобы выходная волна была бесконечно близка к синусоидальной кривой (THD < 5%), обеспечивая плавное регулирование крутящего момента/скорости двигателя.

Преимущества

• pwm vfd Оптимальное качество выходной волны (по сравнению с прямоугольной волной CSI/ступенчатой волной VSI)
• Регулирование скорости с помощью частотно-регулируемого привода Точность до ±0,1% (режим векторного управления)
• Шум при работе двигателя ≤65 дБ (регулируемая несущая частота)
• Компактная удельная мощность до 2,8 кВА/кг (в 4 раза выше, чем у CSI)

Недостатки

• Генерирует 3–150 высокочастотных гармоник (требуется входной реактор 12% для подавления THDi <8%)
• Комплексный проект электромагнитной совместимости (обязательная установка фильтров RFI)
• напряжение dv/dt ускоряет старение изоляции двигателя (＞5 кВ/мкс)

Сценарии применения

Абсолютный лидер в области прецизионного управления скоростью:

• Автоматизация зданий: ЛифтыВекторный приводТочность выравнивания пола ±3 мм
• ​Линии упаковки пищевых продуктов: Время отклика сервосинхронного управления ＜2 мс
• ​Станки с ЧПУ: Скорость шпинделя 0-6000 об/мин, бесступенчатое переключение

Сравнительная таблица трех типов частотно-регулируемых приводов

Как выбрать подходящий тип частотно-регулируемого привода для вашего применения

Критерии выбора основаны на характеристиках нагрузки и требованиях к мощности: нагрузки с переменным крутящим моментом (вентиляторы/насосы) следует отдавать приоритет типу PWM Частотно-регулируемые приводы для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (50 Гц → 40 Гц, экономия энергии > 35%, стандарт для приводов HVAC), чьи приводы VFD легко интегрируются с промышленными трехфазными системами VFD (380 В, трехфазное покрытие > 90% приложений); ударные нагрузки, такие как дробилки, требуют топологии CSI (способной выдерживать скачки тока 300% в течение 2 секунд). Для однофазного устаревшего оборудования 220 В частотно-регулируемые приводы для однофазных двигателей доступны только до 3,7 кВт (должны включать виртуальный трехфазный модуль); в противном случае рекомендуется модернизация двигателя.Установка ЧРП должны соответствовать следующим требованиям: 1) Мощность трансформатора > мощность ЧРП × 1,25 (гармонический THDi < 8%); 2) Зазор для охлаждения шкафа ≥ 30 см (тепловые потери 3% × мощность); 3) Система ЧРП должна быть оснащена фильтром ЭМС (проводимые помехи ≤ 55 дБμВ). Для приложения с высокой динамической реакцией (например, шпиндели с ЧПУ), рекомендуется использовать векторное управление SiC-IGBT PWM. Для условий запуска/остановки с большой нагрузкой рекомендуется использовать комбинацию тиристора CSI + двигателя с постоянными магнитами (материал NdFeB с температурной стойкостью ≤ 150 °C) для достижения максимального крутящего момента.

Заключение – Типы ЧРП и их роль в современной автоматизации

Три типа архитектур частотно-регулируемых приводов (VFD) выполняют разные функции: VSI использует точность напряжения для управления центробежными насосами, CSI использует жесткость тока для управления прокатными станами, а PWM использует высокочастотные импульсы для повышения точности ЧПУ — все они в основном достигают революции в управлении двигателями VFD путем перенастройки форм волн электрической энергии.

Неправильный выбор может привести к удвоению затрат: несоответствие компонентов частотно-регулируемого привода (например, использование VSI для дробилок) может привести к снижению эффективности системы на 25%; напротив, точно установленные панели привода VFD (интегрированные с системами фильтрации EMC и охлаждения) могут снизить потребление энергии оборудованием HVAC. обслуживание затраты на 40%. Рассмотрение фундаментального различия между VSD и VFD: механические приводы с переменной скоростью (VSD) похожи на механические коробки передач, а управление VFD сродни бесступенчатой коробке передач CVT — с использованием регулирования с точностью на уровне полупроводников для создания основы энергоэффективности. Когда каждый двигатель на заводе приводится в действие совместимым VFD, промышленная сеть превращается в интеллектуальный организм, реагирующий в режиме реального времени.