Anbieter von Energierückkopplungseinheiten weisen darauf hin, dass Frequenzumrichter in China bereits seit über 30 Jahren eingesetzt werden. Dank des kontinuierlichen technologischen Fortschritts hat sich ihr Anwendungsbereich auf zahlreiche Branchen ausgeweitet, und der Markt wächst stetig. Derzeit sind über 140 in- und ausländische Marken von Frequenzumrichtern auf dem chinesischen Markt vertreten, und neue Hersteller und Händler sind landesweit vertreten. Obwohl zwischen inländischen und importierten Frequenzumrichtern noch Leistungsunterschiede bestehen, ist diese dank der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie in China nicht unüberwindbar. Gleichzeitig bietet die intakte inländische Wertschöpfungskette großes Potenzial für die Steigerung der Produktionseffizienz und die Senkung der Herstellungskosten inländischer Frequenzumrichter.
Das Frequenzumrichtersystem besteht aus einem Frequenzumrichter, der die Leistung eines Gleichstrom-Drehzahlreglers erreicht oder übertrifft. Der Frequenzumrichter bietet die Vorteile von Asynchronmotoren hinsichtlich geringer Größe, niedrigem Geräuschpegel, geringen Kosten und einfacher Wartung, wodurch der Produktionsprozess erheblich vereinfacht und die Investitionskosten gesenkt werden. Generell kann der sinnvolle Einsatz von Frequenzumrichtern die Arbeitsproduktivität, die Produktqualität und die Anlagenautomatisierung verbessern und gleichzeitig Energie sparen und Produktionskosten reduzieren.
1. Klassifizierung, Funktionsprinzip und Aufbau von Niederspannungs-Frequenzumrichtern
1. Klassifizierung von Niederspannungs-Frequenzumrichtern
Es gibt verschiedene Standards zur Klassifizierung von Frequenzumrichtern. Frequenzumrichter lassen sich in allgemeine und spezielle Frequenzumrichter unterteilen. Nach ihrem Funktionsprinzip werden Frequenzumrichter in AC/AC- und AC/DC/AC-Frequenzumrichter unterteilt. AC/DC/AC-Frequenzumrichter können wiederum je nach Betriebsart des Hauptstromkreises in Strom- und Spannungsumrichter unterteilt werden. Darüber hinaus lassen sich Frequenzumrichter hinsichtlich ihrer technologischen Entwicklung in VVVF-Frequenzumrichter, Vektor-Frequenzumrichter, Direkt-Drehmoment-Regel-Frequenzumrichter usw. unterteilen.
2. Niederspannungs-Frequenzumrichter nach Funktionsprinzip
Frequenzumrichter arbeiten im Allgemeinen im direkten Kreuzfrequenzbetrieb. Niederspannungs-Frequenzumrichter sind aufgrund ihrer ausgereiften Technologie, der geringen Kosten und der einfachen Wartung weit verbreitet. Das Funktionsprinzip eines Frequenzumrichters besteht darin, Wechselstrom in die Frequenz für elektrische Geräte mit einstellbarer Frequenz umzuwandeln. Gemäß der Formel für die Synchrondrehzahl von Wechselstrommotoren N = 60f/p (wobei N die Synchrondrehzahl des Motors, f die Netzfrequenz und p die Polzahl des Motors ist) lässt sich die Drehzahl des Wechselstrommotors durch Ändern der Frequenz anpassen. Auf diesem Prinzip basiert die Entwicklung von Frequenzumrichtern.
3. Niederspannungs-Frequenzumrichterstruktur
Der Hauptschaltungsaufbau des Frequenzumrichters:
Spannungsart: Die Spannung wird mittels eines Frequenzumrichters von Gleichstrom auf Wechselstrom umgewandelt, als Filter dient ein Kondensator.
Stromart: Die Stromversorgung erfolgt durch einen Frequenzumrichter, der vom Gleichstrom- in den Wechselstrombetrieb wechselt. Als Filter dient eine Induktivität.
Der Frequenzumrichter besteht im Wesentlichen aus folgenden vier Teilen:
(1) Gleichrichter: Diodengleichrichter sind derzeit weit verbreitet. Sie wandeln Netzfrequenz in Gleichstrom um und können auch als reversible Wandler fungieren. Da die Stromrichtung umkehrbar ist, können sie regeneriert und betrieben werden.
(2) Gleichspannungsschaltung: Die vom Gleichrichter gleichgerichtete Gleichspannung weist eine pulsierende Spannung auf, deren Frequenz dem Sechsfachen der Netzfrequenz entspricht. Zur Unterdrückung von Spannungsschwankungen sind Kondensatoren und Induktivitäten erforderlich, die die pulsierende Spannung (bzw. den Strom) absorbieren. Bei geringer Gerätekapazität kann bei ausreichender Kapazität direkt eine Glättungsschaltung eingesetzt werden.
(3) Wechselrichter: Der Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um und erzeugt so innerhalb einer festgelegten Zeit einen dreiphasigen Ausgang.
(4) Steuerschaltung: Bereitstellung einer Signalsteuerschaltung für den Hauptstromkreis der Asynchronmotor-Stromversorgung. Umfasst eine Spannungs- und Frequenzregelung, eine Strom- und Spannungserfassung im Hauptstromkreis, eine Drehzahlregelung, eine Ansteuerschaltung zur Verstärkung der Steuersignale sowie eine Schutzschaltung für Motor und Wechselrichter.
2. Auswahl von Niederspannungs-Wechselrichtertypen
1. Übersicht zur Auswahl des Niederspannungs-Wechselrichtertyps
Aktuell orientieren sich die meisten Anwender bei der Auswahl eines Frequenzumrichters an den Anweisungen oder der Bedienungsanleitung des Herstellers. In der Regel gibt der Hersteller den Nennstrom des Umrichters an, der auf die Nennleistung und -kapazität des Motors abgestimmt ist. Die Parameter der verfügbaren Motoren basieren auf Herstellerangaben oder nationalen Normen und geben die tatsächliche Belastbarkeit des Umrichters nicht vollständig wieder. Daher sollte bei der Auswahl eines Frequenzumrichters stets beachtet werden, dass der Nennstrom des Motors den Nennstrom des Umrichters nicht überschreiten darf. Darüber hinaus sind die Prozessbedingungen und relevanten Motorparameter sowie die Art und die Betriebseigenschaften des Motors zu berücksichtigen.
(1) Auswahl des Nennstroms für den Frequenzumrichter. Gemäß den Konstruktionsvorgaben muss der Nennstrom des Frequenzumrichters größer sein als der Nennstrom der Last (des Motors), um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, insbesondere bei Motoren mit häufig wechselnden Lastcharakteristiken. Erfahrungsgemäß beträgt der Nennstrom eines Frequenzumrichters mehr als das 1,05-Fache des Nennstroms eines Motors.
(2) Auswahl der Nennspannung für Frequenzumrichter. Die Nennspannung des Frequenzumrichters wird anhand der Eingangsspannung am Bus des Frequenzumrichters ausgewählt. Grundsätzlich sollte die Nennspannung des Frequenzumrichters mit der Eingangsspannung übereinstimmen. Ist die Eingangsspannung zu hoch, wird der Frequenzumrichter [3] beschädigt.
2. Vorsichtsmaßnahmen bei der Auswahl von Niederspannungs-Frequenzumrichtern
(1) Passen Sie den Lasttyp an den Frequenzumrichter an.
Die Lasten der petrochemischen Industrie umfassen hauptsächlich Pumpen und Ventilatoren. Pumpen werden in Wasserpumpen, Ölpumpen, Additivpumpen, Dosierpumpen, Förderpumpen, Mischpumpen und Waschpumpen unterteilt. Förderpumpen, Mischpumpen und Waschpumpen stellen meist Schwerlasten dar, während die übrigen Pumpen konventionelle Lasten aufweisen. Ventilatoren werden in luftgekühlte Ventilatoren, Kesselventilatoren mit Saugzug, Axialventilatoren, Luftkompressoren usw. unterteilt. Luftgekühlte Ventilatoren und Kesselventilatoren mit Saugzug stellen beim Anlauf Schwerlasten dar und gelten daher allgemein als Schwerlasten. Die übrigen Ventilatoren weisen konventionelle Lasten auf. Bei der Auswahl eines Frequenzumrichters sollte die Lastcharakteristik berücksichtigt werden. Ist die Lastart unklar oder kann sie sich unter verschiedenen Prozessbedingungen ändern, empfiehlt es sich, einen Frequenzumrichter basierend auf Schwerlasten auszuwählen, um Fehlbelegungen zu vermeiden.
(2) Umgebungsbedingungen beeinflussen den Frequenzumrichter.
Frequenzumrichter benötigen üblicherweise höhere Umgebungstemperaturen und Luftfeuchtigkeit. Bei einer Umgebungstemperatur unter 30 °C, einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 80 % und einer Höhe unter 100 Metern arbeitet der Frequenzumrichter sicher mit Nennstrom. Steigt die Umgebungstemperatur über 40 °C, nehmen die tatsächliche Leistung und der Strom des Frequenzumrichters mit steigender Temperatur allmählich ab. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit über 90 % kann es zu Kondensation und damit zu Kurzschlüssen in den internen Bauteilen des Frequenzumrichters kommen. Ab einer Höhe von 100 Metern sinkt die Ausgangsleistung des Frequenzumrichters. Zudem sollte der Einsatz von Frequenzumrichtern in staubigen Umgebungen vermieden werden.
(3) Auswahl optionaler Komponenten für Frequenzumrichter.
Eine unsachgemäße Auswahl von optionalen Komponenten für Frequenzumrichter kann zu einer hohen Ausfallrate führen, die sich hauptsächlich auf die Auswahl von Filtern und Drosseln konzentriert.
3. Praktische Anwendung des Niederspannungs-Frequenzumrichters
1. Primäranschluss des Niederspannungs-Frequenzumrichters
Da die Einbaupositionen von Schützen, Filtern und Drosseln im Primärkreis einen erheblichen Einfluss auf den Frequenzumrichter haben, konzentriert sich die folgende Arbeit auf die Analyse dieser drei Bauteile.
(1) Schütz
Es gibt zwei Hauptanschlussarten für Schütze: die Montage an der Rückseite und die Montage an der Vorderseite des Umrichtergehäuses. Die Montage an der Rückseite bietet den Vorteil, dass der Umrichter bei häufigem Motorstart weniger Belastungen ausgesetzt ist. Der Nachteil besteht in der längeren Ladezeit des Frequenzumrichters und den damit verbundenen Leistungsverlusten. Die Montage an der Vorderseite ermöglicht hingegen die vollständige Abschaltung des Motors im Standby-Modus ohne Leistungsverlust. Der Nachteil besteht darin, dass häufiges Motorstarten zu Ladeschocks im Frequenzumrichter führt und dessen Lebensdauer beeinträchtigt.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Bei seltenem Motorstart kann der Schütz sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite des Umrichtergehäuses montiert werden, wobei die Montage an der Rückseite vorzuziehen ist. Bei häufigem Motorstart empfiehlt sich hingegen die Montage an der Rückseite des Umrichtergehäuses.
(2) Filter
Der Eingangsfilter dient hauptsächlich dazu, das Stromnetz zu filtern, die Oberwelleneffekte des Stromnetzes auf den Frequenzumrichter zu unterdrücken und die durch die Gleichrichtung des Frequenzumrichters erzeugten Oberwellen daran zu hindern, in das Stromnetz zurückzufließen; Der Ausgangsfilter optimiert hauptsächlich den Frequenzumrichter, filtert Oberwellen heraus und sorgt für eine sinusförmigere Ausgangswellenform.
(3) Reaktor
Die Eingangsdrossel kann Oberschwingungen auf der Netzseite unterdrücken und die Gleichrichterbrücke schützen; Wenn das Ausgangskabel des Frequenzumrichters die vorgegebene Länge überschreitet (im Allgemeinen ist eine Kabellänge von 250 m zulässig), sollte eine Ausgangsdrossel ausgewählt werden.
2. Installationsumgebung für Niederspannungs-Frequenzumrichter
Experimente haben gezeigt, dass die Ausfallrate von Frequenzumrichtern in rauen Umgebungen deutlich ansteigt, insbesondere bei Empfindlichkeit gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit und Staub. Daher ist es bei der Wahl des Installationsortes notwendig, eine Umgebung mit kontrollierbarer Temperatur, Luftfeuchtigkeit und geringer Staubbelastung zu wählen.
(1) Umgebungstemperatur
In der Praxis hat sich gezeigt, dass Frequenzumrichter für den Einsatz in Umgebungen mit Temperaturen von höchstens 35 Grad Celsius geeignet sind; andernfalls verringert sich mit steigender Temperatur die Belastbarkeit des Frequenzumrichters.
(2) Umgebungsfeuchtigkeit
Bei hoher Luftfeuchtigkeit neigt der Wechselrichter zur Kondensation im Inneren, was leicht Kurzschlüsse verursachen kann. Daher muss die Umgebungsfeuchtigkeit für den Frequenzumrichter kontrolliert werden.
(3) Staubumgebung
Frequenzumrichter sollten möglichst in staubigen Umgebungen eingesetzt werden, da Staubablagerungen Kurzschlüsse und Schäden an den elektronischen Bauteilen des Frequenzumrichters verursachen können.
4. Häufige Fehler und Lösungen bei Niederspannungs-Frequenzumrichtern
1. Start nicht möglich
Grund: Es wird durch ein zu hohes Trägheitsmoment oder Drehmoment der Last verursacht.
Lösung: Erhöhen Sie die Anlauffrequenz und das Anlaufdrehmoment entsprechend und überprüfen Sie die Schutzeinstellungen.
2. Überspannungsauslösung
Grund: Verursacht durch zu hohe Versorgungsspannung oder zu kurze Abfahrtszeit.
Lösung: Überprüfen Sie, ob der Betriebszustand normal ist.
3. Überlastung
Grund: Die Überlastfähigkeit des Niederspannungsumrichters ist relativ gering oder die Motorparametereinstellungen sind ungeeignet.
Lösung: Überprüfen Sie die interne Stromerkennungsschaltung und die Parametereinstellungen des Frequenzumrichters.