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变频驱动

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VF 驱动器是一种功能强大的复杂设备,包含中央处理单元和用户界面。 在左边,它被安置在适合环境的外壳中。

几个世纪以来,人类一直在使用电梯,但直到引入电动机才可能取得真正的进步。 曾经有水力液压驱动的电梯,而在它们之前,还有人力和动物驱动的机器。 即使我们可以忽略人道主义影响,也很难想象这些安排在当今大城市高层应用的背景下会奏效。

学习目标

阅读本文后,您应该了解:
♦ 为什么电动机主导电梯应用
♦ 直流电机和交流电机的相对优势
♦ 同步和异步电机如何比较
♦ 变频 (VF) 驱动器的基本部件
♦ 如何使用万用表对 VF 驱动器进行故障排除

然后,有蒸汽。 然而,加热的水蒸气只是介质。 仍然必须有权力的来源。 必须获得木材或煤炭(仍然通过人类和动物手段),然后在燃烧之前运输。 相比之下,20 世纪初的电动机是一种清洁、安静、紧凑的发动机。 它几乎总是按预期运行而没有抗议,它的能量通过两到三个细长的金属导体到达现场。

起初,没有AC。 DC 可以从化学电池中获得,按照今天的标准,这种电池效率很低。 足够的电力可供早期实验者制造原型直流电机,但它们仅适用于示范项目和科学好奇心。 可以执行的有用工作很少,但永远不足以将电梯轿厢抬离地面。 可行的电动机必须等待配电系统实时发电的发展。 这些系统中的第一个是由托马斯爱迪生开创的。 最初,爱迪生的动机是掌权 homes 和企业,主要是为了他们可以有灯。 为此,他在曼哈顿下城建立了许多本地化分销系统中的第一个。 他改进了现有的直流发电机技术,实现了更多电力的可用性。

由于直流电源不易转换(即升压或降压),交流电迅速取代直流电成为主导电源协议。 很快,交流电机、变压器和三相技术浮出水面。 交流感应电机似乎是由伽利略法拉利和尼古拉特斯拉独立发明的。 由于其简单和经济的结构,它成为了主导。 据估计,目前在役的交流电机中有 90% 是感应(异步)电机。

新的交流电机(尤其是感应电机)在某些方面远远优于它们的直流电机,因为换向是外部的,这是公用事业提供的交流电源的周期性的结果。 另一方面,直流电机需要内部换向才能工作。 这是由电刷/换向器组合提供的,这是一种很好的情况,因为它将磁化电流引入旋转的转子,同时根据需要定期反转该电流的极性,因此转子的磁场可以与产生的静磁场相互作用通过通电的定子。 但是,由于电刷/换向器组合是机电式的,因此容易磨损并需要维护。 直流电机生命周期中的劳动力和材料成本是巨大的,尤其是如果忽视电刷维护导致换向器损坏,这通常涉及电机拆卸和机加工车间工作。

同步交流电机以由线电压频率精确确定的速度运行,唯一的其他因素是每相的极数。 公式为NS = 120f/P,其中NS为电机同步转速,f为电机输入端交流电源频率,P为每相磁极数。

请注意,P 位于等式右侧表达式的分母中,因此电机结构中包含的极数越多,运行速度越低。 在 60 Hz 时,两极电机的公共轴速度为 3,600 rpm,四极电机为 1800 rpm,六极电机为 1,200 rpm,八极电机为 900 rpm,720 极电机为 10 rpm极电机和 600 rpm 的 12 极电机。 可以通过调整电源电压来降低这些值,但这不是调节速度的好方法,因为这相当于给电机施加了更重的负载,使其更接近失速状态。 结果会产生更多热量并缩短电机寿命。 调节交流电机速度的正确方法是改变频率,直到交流电机发明几十年后,当 VF 驱动器出现时,这才成为一个实用的选择。

感应电机的轴速也取决于线路频率,但它与电输入并不精确同步,因此它被称为异步电机。 轴速总是小于同步速度一定量,这种关系以百分比表示,称为“滑差”。 关于滑倒,有两件重要的事情要记住。 首先,并不是一些浪费或损失的能量是劣质设计的结果。 其次,它不像无功负载那样出现相位滞后。 由于滑差,感应电机的转子实际上比定子产生的旋转磁场慢。 使功率从定子感应传输到转子的原因是两者之间的速度差,因此如果转子速度要赶上定子旋转磁场的速度(如果将转差率降低到零) ),将不再有动力传输,电机也不会转动。 因此,感应电机不可能出现零滑差情况。 转子因负载增加而减速得越多,转矩就越大,直到负载的大小导致电机停转。 负载、速度、扭矩和滑差始终处于平衡状态。 满载时大型感应电机的滑差可能超过 1%,而小型电机的滑差通常接近 5%。

感应电机虽然价格低廉且易于维护,但并不适合为电梯和其他几十年来需要以无限增量平滑调速的负载供电。 对于这些应用,直流电机继续满足需求。 电刷/换向器维护是司空见惯的。 从交流电源为直流电机供电从来都不是主要障碍。 旋转转换器、真空管或固态整流器就足够了,这实际上可以被视为运行直流电机的成本的一部分。

当 VF 驱动器投入使用时,所有这一切都发生了变化。 这种无处不在的设备也被称为“变速驱动器”、“调速驱动器”、“变频驱动器”、“交流驱动器”、“微型驱动器”和“逆变器驱动器”。 这些术语基本上是同义词,除了包含“速度”一词的术语也可能指非电动或液压系统。 VF 驱动器包括整流器、直流母线和逆变器,以及用户界面和辅助过流保护(如果有)和各种其他附件。 该术语可能用于也可能不用于包括电机。

正如我们所见,交流电机的速度,无论是同步还是异步(感应)都取决于提供给电机端子的电源频率。 由此,人们可以正确地得出结论,可以通过改变频率来调节电机的速度。 这就是 VF 驱动器中发生的情况。 VF 驱动器可以连接到任何交流电机(同步或感应)并用于控制其速度,但必须遵守一些限制:

  • 由于许多交流电机都带有内部冷却风扇,当电机在负载下以降低的速度运行时,由于散热减弱,电机会出现温度升高。 这种趋势可以通过提供外部空气或液体冷却来缓解,或者通过采取措施降低环境温度,无论是通过空调还是给机房通风。
  • 以高于额定速度的速度运行电机会缩短轴承寿命。
  • VF 驱动器可以产生偏离完美正弦波交流电机蓬勃发展的输出。 原始电子逆变器产生方波输出,这会导致交流电机过热。 此外,由于波形的快速上升和下降时间,会出现电能质量问题,影响逆变器所在设施内(甚至外)的其他设备。

完美的正弦波是旋转发电机的圆形特性的结果。 对显示电压电平(纵轴)与时间(横轴)关系图的检查揭示了正弦波的本质:电压变化率在电压最小(最接近零)时最大,在电压电平最大(最接近负极/正极)。 三角学上,旋转转子的电输出将是正弦波,因为角的正弦是直角三角形斜边上的对边。 这是由旋转矢量生成的。

多年来,电子(与旋转相反)交流逆变器已经改进,使其输出更接近于纯正弦波。 这对交流电机来说是个好消息,因为可以通过改变电机输入端子的频率来调节其速度,而不会产生有害的谐波和电磁干扰。

使用 VF 驱动器的目的是减少电力消耗,同时使用户能够方便地启动和停止电机、反转方向、控制速度以及对电机的操作进行其他修改。 这些命令中的任何一个都可以自动启动,并且可以对参数进行编程和监控以及查看诊断。

当需要启动电机时,VF 驱动器通常以降低的频率和电压供电。 在具有直接在线启动的电机中看不到高浪涌电流。 一旦电机开始转动,电压和频率就会以平稳受控的速率上升,直到达到运行速度。 如果频繁启动,此过程可显着节省能源。 此外,机械和电气部件的磨损也会减少。 相同的逻辑适用于停止电机,其中平滑的斜坡减速可以提供好处。

如果可以选择以降低的速度运行,则会产生额外的电力使用和机器磨损节省。 例如,当环境温度低于指定水平或设备不活跃时,通风风扇的 VF 驱动器可以编程为以较低的速度运行,这两种情况都会导致较少的热量。

使用 VF 驱动器的另一个动机是当预期应用需要变速时。 电梯电机需要以一种以上的速度运行,并且需要平滑的斜坡过渡。 在这些情况下使用 VF 驱动器,它们远远优于过时的齿轮箱或多皮带轮解决方案。

带有操作员界面的 VF 驱动器提供有用的诊断功能,如果发生故障,可以将原因告知技术人员并显示建议的补救措施。 字母数字读数将显示错误代码。 通常作为原始安装的一部分提供的操作员手册将提供密钥。 如果缺少本手册,应该可以从制造商的网站上免费下载。 作为预防性维护计划的一部分,建议在每个机房提供正确手册的副本,并在维护车间存档。

不将电机视为驱动器的一部分,VF 驱动器的主要部分构成了动力传动系。 前端包含一个全波整流器,这是 AC 到 AC VF 驱动器所必需的。 (还有一种 DC-AC VF 驱动器,当电源为 DC 时使用,如在太阳能光伏系统中。)通常的设置是三相输入和三相输出供电三相感应电机,虽然偶尔会使用单相设备,有时电机是同步的(非感应)用于特殊应用。 可以使用半波整流器,但它会降低可用功率的使用效率,并且输出将更难以过滤。

驱动器内的第二级是直流总线。 两个重导体传送整流后的电源。 该级的一部分由跨直流母线并联的一个或多个电容器组成。 由于电容器对 DC 的阻抗远大于对波动电压电平的阻抗,因此电容器的作用是滤除在整流器输出中可能会出现的纹波。 为了在此过程中提供帮助,可以在直流母线中串联插入一个感应线圈。 目标是获得纯DC。 直流总线中的纹波越小,系统的性能就越好。

直流总线为逆变器级供电,逆变器级包含六个固态设备,配置为三个并联的串,每个串由两个串联的设备组成。 进入电机的三相输出由三个导体承载,每个导体都连接到串联串之一的中点。 请注意,逆变器级的设备配置和接线与整流器级的设备配置和接线非常相似。 如果将 VF 驱动器可视化为对称的,其输入端有 XNUMX 条载流线,其输出端有 XNUMX 条载流线,并且直流母线位于中间,则使用万用表和/或示波器进行故障排除将大大简化.

固态设备可以封装在一个模块中,或者是具有大量散热器的分立组件。 曾经,半导体器件是可控硅整流器,但自 1980 年代中期以来,绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 已成为 VF 驱动逆变器级中的常用组件。 这些无处不在的有源设备的特点是输入阻抗非常高。 它们消耗的电流极小,因此对控制电路几乎不可见。

处理 IGBT 时必须非常小心,因为它可能会被技术人员体内的静电荷或未接地的工具损坏。 此类替换设备通常包装在导电泡沫中,因此插入泡沫中的引线会分流在一起,并且无法获得静态电压差。 在安装之前,它们应保存在此包装中。

整流器和逆变器级的接线布置使检查有源组件变得简单。 首先,检查所有电源端子(输入、输出和电机处)是否松动或腐蚀。 目视检查它们,看看有源元件(电容器或电感器)是否出现烧毁或变形。 所有三个桥臂的输入电压应该是一致的(差异不超过 5%),当然也不能出现下降的相位。 在电机上,当断电时,每对腿之间应该有均匀的直流电阻,每条腿对地的兆欧电阻都很高。

要检查 VF 驱动器组件,请关闭设备电源。 请记住,在设备与电源断开后很长一段时间内,大型电解电容器可能会保持致命的电能。 除非您知道如何泄放和测量此类电压,否则不要在 VF 驱动器上工作。

如果您的万用表具有“二极管检查”功能,最好使用此模式,因为它通过提供偏置的欧姆表来测量实际电压降(而不是伪电阻)。 将负万用表探头连接到正直流母线。 然后,将正极探针依次接触三个输入端子中的每一个。 如果您看到每条腿和正直流母线之间的正向偏置电压降很小,那么到目前为止,一切都很好。 接下来,反转探头。 如果您看到相同的正向偏置电压降,则 VF 驱动器的这部分是好的。 短路将表明整流器有一个或多个有缺陷的二极管。 如果你读到一个开路,寻找一个开路充电电阻。 如果此初步程序表明存在问题,则应检查各个组件。

以类似的方式检查输出级。 将正极探针连接到负极 DC 总线,然后将负极探针依次接触到每个输出端子。 寻找正向偏置电压降。 然后,将负极探针接触正极 DC 总线,将正极探针接触每个输出端子。 再次寻找正向偏置电压降。 如果您读到短路,则逆变器级出现故障。 开路表示逆变器损坏或直流母线保险丝熔断。 如果是这种情况,最好不要再扔另一个保险丝并希望最好。 故障很可能导致大电流流动,保险丝保护其他组件免受损坏。 最好的方法是尽一切努力查明潜在的缺陷。 要检查总线电容器,请在正负总线导体之间进行欧姆检查。 你不应该看到短路。

可以使用示波器进行更高级的测试。 首先,查看输入:电源问题会导致形成不良的正弦波或谐波,可能会损坏设备设施。 然后,查看直流总线上的电压:它应该是一个漂亮、干净的直流电,没有明显的纹波。 如果直流总线上有交流分量,逆变器级将无法正常工作。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试,该考试可在 www.elevatorbooks.com 或 p. 上在线获得。 本期第95期。
♦ 感应电机有什么优点?
♦ 直流电机中换向器的两个作用是什么?
♦ 哪两个因素决定了同步电机的速度?
♦ 为什么感应电机需要“打滑”?
♦ 为什么 VF 驱动器/电机组合比直交流电机运行更便宜?

查看逆变器输出或电机端子处的电压。 叠加在频率更高的载波上的正弦脉冲,当连接到高电感电机负载时,会产生正弦波电流,该电流应根据需要变化以调节电机速度。

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感应电机在模拟正弦波或非常接近它的数字渲染上茁壮成长。
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David Herres 持有新罕布什尔州电工大师执照,并在该州北部担任电工多年。 自 2006 年以来一直专注于写作,曾为 ELEVATOR WORLD、Electrical Construction and Maintenance、Cabling Business、Electrical Business、Nuts and Volts、PV Magazine、Electrical Connection、Solar Connection、Solar Industry Magazine、Fine 等杂志撰稿。 Home建筑杂志和工程新闻。

电梯世界| 2014 年 XNUMX 月封面

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