Frekvencoregulilo

Frekvencoregulilo estas sistemo por regi la turniĝan rapidon de alternkurenta motoro (AK-motoro) per alĝustigo de la frekvenco kaj de la tensio (aŭ de la kurento) provizitaj al la elektra motoro. Frekvencregulilo estas aparta kazo de rapidecregulilo. La rapido de la motoro dependas ne nur de la frekvenco, sed ankaŭ de la tensio kaj de la ŝarĝo, kiu kreas tordan momanton sur la ŝafto . Nun la plej oftaj reguliloj estas elektronikaj aparatoj, kiel variigebla-frekvenca konvertoro (angle, VFD pri variable frequency drive), sen meĥanika mova komponanto, kontraŭe al multe pli kostaj konvertoraj kompletoj, kiuj estas grupoj de du aŭ pluraj elektraj turnaj maŝinoj (motoro kaj generatoro) mekanike kuplitaj kune. Iuj frekvencoreguliloj havas aldonajn sentilojn (krom mezurado de frekvenco, tensio kaj kurento) por detekti parametrojn de la elektra maŝino, kiel ĝia rapido kaj la momenta angula pozicio de ĝia rotoro.

Depende de la tipo de elektra maŝino frekvencregulilo povas generi trifazan alternan fluon por regi la funkciadon de trifaza motoro, aŭ unufazan alternan fluon por regi la funkciadon de unufaza motoro. La plej oftaj kontrolitaj alternaj motoroj estas malmultekostaj nesinkronaj motoroj (sen kontrolita volvaĵo en la rotoro).

Priskribo de sistemo kaj funkciado 

Frekvencoregulilo estas aparato uzata en rega sistemo konsistanta el la sekvaj tri ĉefaj sub-sistemoj: AK-motoro, reguligilo, kaj interfaco por operatoro .

AK-motoro 
La alternkurenta elektromotoro uzata en frekvencoregulila sistemo estas kutime trifaza indukta motoro (nesinkrona motoro kun kaĝa rotoro). Iuj tipoj de unufazaj motoroj povas esti uzataj, sed trifazaj motoroj estas kutime preferataj. Diversaj tipoj de sinkronaj motoroj prezentas avantaĝojn pri iuj situacioj, sed trifazaj induktaj motoroj estas taŭgaj por la plimulto da celoj kaj estas ĝenerale la plej ekonomia motorelekto. Motoroj kiuj estas desegnitaj por funkciado laŭ konstanta rapido estas ofte uzataj. Sed frekvencoregulioj postulas, ke tiaj motoroj estu desegnitaj por difinitaj konvertoroj, ĉar la sistemo trudas neregulajn saltojn de tensio al la induktaj motoroj.

Frekvenregulilo funkcias laŭ la principo, ke la rapido de sinkrona motoro estas difinita per la AK frekvenco provizita al ĝi kaj la nombro de polusoj en ĝia statoro laŭ al la rilato:

kie

RPM = rotacinombro por minuto,

 f  = frekvenco de AK-povumo (herco),

 p  = nombro de polusoj.
 La nombroj de polusoj la plej ofte uzataj por sinkronaj aŭ nesinkronaj motoroj estas 2 , 4, 6 kaj 8 polusoj; sekvante la ekvacion pli supre, oni obtenas rapidojn je 3000 RPM, 1500 RPM , 1000 RPM kaj 750 RPM respektive pri sinkronaj motoroj nutritaj de 50 Hz fonto; depende de la geografia situo, motoroj laboras tipe kun frekvenco de 50 Hz aŭ 60 Hz.

Pri nesinkronaj motoroj, la rotacinombro estas iomete pli malalta pro la nesinkronada funkcio mem indikante ilian nomon. En ĉi tiuj estas eta diferenco nomita ŝoviĝo inter la rotacirapido (RPM) de rotoro (kies "reala" rotacirapido estas iomete malalta ol la "ekstera") kompare kun la kvanto de RPM magneta kampo (se oni plenumas la supran ekvacion por ambaŭ sinkronaj motoroj kaj induktaj motoroj), ĉar la rotoro estas altirita de la ekstera statora magneta kampo, kies rotacirapido ĉiam superas la ŝaftorapidon (alie la motoro ĉesus rotacii pro malapero de pozitiva aga torda momanto).

Reguligilo 
Frekvencoregulio estas konverta sistemo el duonkonduktaĵa pova elektroniko kaj konsistanta el tri apartaj sub-sistemoj: rektifilo, intera kontinua kurento (KK) kaj kontinua kurento/alterna kurento-konvertoro (t.e. KK/AK ondigilo). Tensio-fonta konvertoro (TFK) (vidu la sub-sekcion Pluraj topologioj pli sube) estas la plej komuna tipo de frekvencoregulilo. Aliaj sistemoj estas AK/AK konvertoroj, kiuj konvertas enigan alternkurentan (AK) lineon al AK eligo. Tamen, en iuj aplikoj kiel komuna KK buso aŭ sunaj aplikoj, KK/AK konvertoroj estas realigitaj. La plej baza rektifilo por la TFK sistemo estas realigita per trifaza, sesvoja, plenonda, dioda ponto. Pri TFK reguligilo, la KK parto konsistas el kondensatoro, kiu glatigas la supermetitan ondeton de la kontinua tensio liverita de la rektifilo kaj kiu provizas rigidstabilan enigon al la ondigilo. Ĉi tiu filtrita kontinua tensio estas transformita en kvazaŭ-sinusan alterntensian eligon per la agaj ŝaltantaj elementoj de la ondigilo.

TFK reguligilo permesas superan agofaktoron kaj malsuperan harmonan distordon ol fazregataj kurento-fontaj konvertoroj (KFK) kaj ŝarĝo-ŝaltantaj konvertoroj (SSK) (vidu la sub-sekcion Pluraj topologioj pli sube). La reguligilo povas ankaŭ esti realigita kiel fazo-konvertoro havanta enigon de unufaza konvertoro kaj eligon de trifaza ondigilo.

Progresoj pri fabrikado de reguligiloj permesis larĝigi la gamon de eblaj tensioj kaj kurentoj, kaj de frekvencoj pro la pli altaj kvalitoj de povaj elektronikaj ŝaltiloj el duonkonduktaĵoj, kiuj pliboniĝis dum la pasintaj ses jardekoj. Enkondukita en 1983,  la izolaĵ-porda dupolusa transistoro (angle IGBT, Isolated Gate Bipolar Transistor), dum la lastaj du jardekoj (antaŭ 2006), venis domini frekvencoregulilojn, kiel ŝaltanta elemento de ondigilo<ref name="Bartos21st"> {{Cito | Familinomo = Bartos | Aŭtoro = Frank J. | Titolo = AC Drives Stay Vital for the 21st Century (AK peliloj restas esencaj por la 21-a jarcento | Gazeto = Control Engineering | Eldonejo = Reed Business Information | Dato = la 1-a de septembro 2004 | Alirdato = 28-a de marto | Alirjaro = 2008| Lingvo = angle}} </ref> 

Sinusa modulado de pulsodaŭroj (angle, SPWM pri Sinusoidal Pulse Width Modulation) estas la plej simpla metodo uzata por variigi motoran tension (aŭ kurenton) kaj frekvencon. Eligo de kvazaŭ sinusa signalo (vidu fig. 1) per modulado de variigeblaj impulsolarĝoj estas konstruata de intersekcoj de segilodenta portanta frekvencosignalo kun modula sinusa signalo, ĝi estas variigebla laŭ regata frekvenco, kaj ankaŭ laŭ regata tensiintenso (aŭ kurentintenso). .

Funkciado de la motoro super ĝia nominala rapido (referenca rapido) eblas, sed estas limigita al kondiĉoj, kiuj ne postulas pli da povumo ol la respondan markitan karakterizon de la motoro. Tia funkciado estas iam nomita "kampo-malfortiĝo", ĉar, por AK motoro, dum la kresko de la frekvenco kun konstanta rilato tensio/frekvenco (V/f), la magneta flukso de la motoro estas konstanta (egala al aŭ malforta ol ĝia nominala valoro), kaj post la atingo de ĝia maksimala tensio, la magneta flukso malkreskas kiam la frekvenco plu kreskas (vidu fig. 2). Tiele eĉ se la rilato V/f egalas la nominalan valoron, kiam la rotacirapideco estas pli malalta ol (aŭ egala al) la nominala, la povumo  estas ĉiam malpli ol (aŭ egala al) la nominala povumo , kaj tamen la torda momanto  povas atingi la nominalan tordan momanton  (vidu fig. 3). Kaj preter la nominala rotacinombro, por la sama povumo la torda momanto malkreskas (malfortiĝas), ĉar .

Sinkronaj motoroj kun permanentaj magnetoj havas tre limigitajn kampo-malfortiĝojn kaj rapido-gamojn pro la konstanta magneta fluo de la magnetoj. Sinkronaj motoroj kun rotoraj volvaĵoj kaj induktaj motoroj havas multe pli ampleksan rapido-gamon. Ekzemple, se 4-polusa indukta motor kun nominalaj valoroj:100 ĉevalpovoj, 460 V, 50 Hz, 1479 kiel rotacinombro (1,4% ŝoviĝo), estus provizita de 460 V, 62,5 Hz (7,36 V/Hz), ĝi estus limigita al 50/62,5 = 80% je sia torda momanto por 125% rapido (1848,75 RPM), sed kun 100% je sia povumo. Pri pli altaj rapidoj, la torda momanto de la indukta motoro devas esti pli limigita pro la kampo-malaltiĝo malsuperus ĝian kritan rompiĝan tordan momanton. Tiel nominala povumo povas tipe esti liverita nur ĝis 130 ... 150% de la nominala rapido. Sinkronaj motoroj kun rotoraj volvaĵoj povas rotacii eĉ je pli altaj rapidoj. En reguligiloj de turnaj mueliloj ofte 200 ... 300% de la referenca rapido de tiaj sinkronaj motoroj estas uzata, kaj estas la mekanika forto (centrifugaj fortoj) de la rotoro, kiu limigas la maksimuman rapidon de la motoro.

La baza reguligilo eblas realigita por selekte inkludi tiujn sekvantajn nedevigajn povajn komponantojn kaj akcesororaĵojn kiel sekvas:
 konektitaj antaŭ la konvertoro: elektra sekurigilo, cirkvitrompilo aŭ ŝirmfandaĵoj, izoliga kontaktoro, elektromagneta filtrilo (kontraŭ elektromagneta poluado), pasiva filtrilo;
 konektita al kontinukurenta ligilo: bremsiganta hakilo, bremsanta rezistilo;
 konektitaj post la ondigilo: eliga reaktanco, sinusa ondofiltrilo, dV/dt filtrilo. .

 Operatora interfaco 
La operatora interfaco provizas rimedojn al operatoro por ekpeli kaj halti la motoron kaj alĝustigi ĝian operacirapidon. Pliaj funkcioj de operatora regado inkludas retroagi kaj ŝalti elekton inter man-alĝustigo de la rapido aŭ aŭtomata regado per ekstera procezrega signalo. La operatora interfaco ofte inkludas alfabet-ciferan ekranon kaj/aŭ indikajn lumojn kaj mezurilojn por provizi informojn pri la funkciado de la frekvencoregulilo. Klavaro kaj ekrano de operatora interfaco estas ofte provizita je la fronto de la reguligilo, kiel montrita en la foto supre. La klavara-ekrano povas ofte esti kablo-konektita kaj muntita fore je mallonga distanco de la reguligilo. La plej multaj aparatoj ankaŭ havas en/el-igajn (angle, I/O pri Input/Output) konektilarojn por konekti prembutonojn, ŝaltilojn kaj ankaŭ aliajn aparatojn por la operatora interfaco aŭ regajn signalojn. Seria interfaco estas ofte ankaŭ disponebla por permesi la frekvencoregulilon esti realigita, alĝustigita, kontrolita kaj regita per komputilo  .

 Pluraj principoj 

Oni povas klasifiki AK-frekvencoregulilojn laŭ la sekvantaj principoj .

 Tensio-fonta konvertoro (TFK, aŭ VSI laŭ la angla pri Voltage Source Invertor), vidu bildon: En TFK reguligilo, la kontinutensia (KT)-eligo de la diodponta rektifilo stokas energion por provizi dank'al kondensatora buso rigidan tensio-enigon al la KT/AK-konvertoro. La plej grandparto da reguligiloj estas laŭ la TFK tipo kun eligo per pulsolarĝa modulado (PLM, nomita ankaŭ pulsodaŭra modulado).

 Kurento-fonta konvertoro (KFK, aŭ CSI laŭ la angla pri Current Source Inverter), vidu bildon: En KFK reguligilo, la kontinukurenta ((KK) eligo de la SCR-ponta rektifilo provizas energion tra seria induktilo por provizi rigidan kurento-enigon al la KK/AK-konvertoro. La eligo de KFK reguligiloj povas esti operaciita per PLM aŭ per sesŝtupa ondoformo.

 Sesŝtupa konvertoro, vidu bildon:  Nun ne plu aktualaj , sesŝtupaj reguligiloj povas esti laŭ ĉu TFK- ĉu KFK-principo, kaj estas ankaŭ nomitaj kiel konvertoroj kun variigeblaj tensioj, konvertoroj kun impulsamplitudo-modulado (IAM) , konvertoroj kun ortangulaj ondoformoj aŭ konvertoroj kun KT-hakilo (elektronika hakado de kontinua tensio). En sesŝtupa konvertoro, la KK eligo de la SCR-ponta rektifilo estas glatigita per seria induktilo kaj kondensatora buso por provizi, per Darlington-aj transistoroj aŭ IGBT-j, enigon de kvazaŭ- sinusa, sesŝtupa tensio aŭ kurento al indukta motoro .
 Ŝarĝo-ŝalta konvertoro (SSK, aŭ LCI laŭ la angla pri Load Commutated Inverter): En SSK reguligilo, kiu estas aparta KFK kazo, la KK eligo de la SCR-ponta konvertoro stokas energion tra KK-ligo per induktila cirkvito por provizi rigidan kvazaŭ-sinusan sesŝtupan kurenton al dua SCR-ponta konvertoro kaj super-ekscitita sinkrona maŝino.
 Ciklokonvertoro aŭ matrica konvertoro (MK, aŭ MC laŭ la angla pri Matrix Converter''), vidu bildon: Ciklokonvertoroj kaj MK-j estas AK/AK ondigiloj, kiuj ne bezonas internan KK-ligilon por energistokado. Ciklokonvertoro operacias kiel fonto de trifaza kurento tra tri kontraŭ-paralelaj konektitaj SCR-pontoj laŭ sesvoja rektifilo, ĉiu fazo de ciklokonvertoro selekte agas por konverti fiksan lineo-frekvencon (kutime alternan tension je 50 Hz aŭ 60 Hz) al alterna tensio je varieblo frekvenco de la ŝarĝo. MK-ondigiloj funkcias per uzo de IGBT-j.

Disponeblaj povumoj 
Frekvencoreguliloj estas disponeblaj kun larĝa gamo de tensio kaj kurento ratings kovrante larĝan gamon de unufazaj kaj multfazaj alternkurentaj motoroj. Reguligiloj de malalta tensio estas desegnitaj por operacii laŭ al eligaj tensioj malpli ol (aŭ egalaj al) 690 V. Dum reguligiloj en aplikoj por motoroj de malalta tensio estas disponeblaj en gamo ĝis ĉirkaŭ 5 al 6 MW , sed ekonomiaj konsideroj tipe favoras aplikojn de meza tensio eĉ kun multe malplialta povumo. Malsamaj reguligilojn kun meza tensio estas realigitaj laŭ kombinaĵoj de tensio kaj kurento uzitaj en malsamaj ondigiloj tia, ke iu ajn donita tensio estas pli granda ol aŭ egala al unu al la sekva norma nominala motortensio: ĝenerale ĉu 2,3/4,6 kV (60 Hz) ĉu 3,3/6,6 kV (50 Hz), kaj unu tiristorfabrikanto konsideras tensiojn ĝis 12 kV. En iuj aplikoj tensioaltiga transformatoro estas metita inter malalta tensio de ondigilo kaj la meztensia motoro. Reguligiloj kun meza tensio estas tipe uzataj por motor-aplikoj pli granda ol inter proksimume 375 kW (500 ĉp ) kaj 750 kW (1000 ĉp ). Reguligiloj kun meza tensio historie estis multe pli konsiderindaj kaj profunde traktataj ol reguligiloj kun malalta tensio . La nominala povumo de reguligiloj kun meza tensio povas atingi 100 MW, kiu estas gamo de malsamaj reguliprincipoj kun malsamaj postuloj pri tensio, kurento, agado, rendimento, povokvalito kaj fidindeco.

Referencoj

Vidu ankaŭ 

 Elektra motoro
 Rapidecregulilo
 Rega teorio

Aŭtomata regado
Inĝenierarto