Отстраняване на неизправности при недостатъчна върхова мощност на инвертора по време на стартиране на индустриални електродвигатели с висок въртящ момент.

Основният проблем при пускането на двигатели с висок въртящ момент

В B2B промишлени системи, автономни работилници и морски инсталации инженерите често се сблъскват с упорит проблем: висококачествени инвертори за електроенергия прекъсват работата си поради претоварване при опит за пускане на електродвигатели. Дори когато номиналната непрекъсната мощност на инвертора надвишава номиналната мощност на двигателя с видимо безопасен запас, пускането не успява. Този неуспех се проявява като бързо намаляване на напрежението на променливия ток, последвано от спиране поради превишаване на тока в инвертора.

Тази статия представя технически анализ на причините за тези откази и предлага практически инженерни стратегии за преодоляване на ограниченията в пиковата мощност при стартиране на тежкотоварни индуктивни машини.

Въпрос: Защо стандартните инвертори излизат от строя по време на стартиране на двигатели с висок въртящ момент и как можем да решим проблема с ограниченията в пиковата мощност?

За да се разрешат отказите на инверторите поради недостатъчна пикова мощност при работа с двигатели с висок въртящ момент, системните интегратори трябва да компенсират несъответствието между преходния механичен стартов въртящ момент на двигателя и електрическата защита на инвертора срещу претоварване по ток. Това се постига чрез изчисляване на действителната стойност на тока при заключен ротор на двигателя, проверка на възможностите на батерията спрямо C-стойността ѝ, минимизиране на импеданса на постояннотоковите кабели и прилагане на електронни технологии за мек старт или избор на инвертори с висока пикова мощност с тороидна конструкция, като например моделите, произвеждани от JYINS.

Разбиране на физиката на стартирането на електродвигатели

За да се разбере защо инверторът се изключва, трябва да се проучи електромагнитното поведение на асинхронните двигатели с променлив ток. Когато електродвигателят е в покой, роторът му е неподвижен и вътрешните му магнитни полета не са установени.

В момента на стартиране (нулево време) двигателят се намира в състояние, известно като ток при заключен ротор (LRA). В това състояние не се генерира обратна електродвижеща сила (Back EMF) от въртящия се ротор, която да противодейства на напрежението на мрежата. Следователно двигателят се държи като чисто индуктивно късо съединение.

През този преходен период на стартиране (който може да продължи от 200 милисекунди до няколко секунди, в зависимост от инерцията на товара), токът, консумиран от двигателя, се увеличава до 5–8 пъти над номиналния работен ток. Например индустриална вакуумна помпа с мощност 1,5 kW (2 к.с.), работеща при 230 V променлив ток, консумира при нормална работа около 6,5 A. При стартиране обаче токът при заключен ротор (LRA) лесно може да достигне 35–50 A, което изисква над 10 kW видима мощност (VA).

Освен това приложенията с висок въртящ момент (като дълбоки водни помпи, компресори за охлаждане, дробилки и хидравлични енергийни блокове) изискват висок стартов въртящ момент, за да преодолеят статичното триене и инерцията. Високият въртящ момент е директно свързан с висок ток. Ако токът е ограничен, двигателят не може да генерира достатъчен въртящ момент, за да се завърти, което удължава продължителността на LRA и удължава крайно високата електрическа натовареност върху източника на енергия.

Защо инверторите се изключват: защитните механизми

В отличие от електросетите, които имат практически неограничена способност за доставка на ток и могат да издържат пиковите токове по време на стартиране, инверторът е статично електронно устройство със строги физически ограничения за доставка на ток. За да се предпази от катастрофален отказ, инверторът следи няколко параметъра:

• Пиков ток през MOSFET: Метал-оксидно-полупроводниковите полеви транзистори (MOSFET) в инвертора са проектирани за определен максимален ток. Ако пусковият ток на двигателя (LRA) надвиши този лимит, контролният цикъл на инвертора незабавно изключва драйверите на затворите (за микросекунди), за да се предотврати разтопяването на кремния поради термичен разгон.
• Изтощаване на кондензатора на постояннотоковата връзка: Инверторите преобразуват постояннотокова (DC) мощност в високоволтова променливотокова (AC). При масивен импулс на мощност енергията, съхранена във вътрешните кондензатори на постояннотоковата връзка, се изразходва за милисекунди. Ако постояннотоковият източник (батерийната банка) не може да попълни тази енергия достатъчно бързо, напрежението на постояннотоковата шина намалява, което предизвиква грешка от недостатъчно напрежение.
• Спад на входното напрежение в режим на постоянно ток (DC): При стартиране възниква импулсно увеличение на тока, което изисква стотици ампера от батерийната система с постоянно ток. Този голям токов поток предизвиква падане на напрежението върху вътрешното съпротивление на батериите и кабелите за доставка на постоянен ток. Ако входното напрежение на терминалите на инвертора спадне под неговата граница за изключване при ниско напрежение (обикновено 10,5 V за инвертори за 12 V или 42 V за инвертори за 48 V), инверторът се изключва, за да защити батерията от прекомерно разреждане.

Определяне на размерите и изчисления за индуктивни натоварвания

При проектирането на система инженерите трябва да изчислят пиковата мощност при стартиране, а не номиналната работна мощност. По-долу е стъпка по стъпка инженерният подход:

• Стъпка 1: Идентифицирайте характеристиките на стартиране на двигателя. Проверете табелката на двигателя за кода на конструкцията според стандарта NEMA или за директната стойност на тока при заключено роторно състояние (LRA). Ако тази информация не е налична, използвайте коефициент 6 пъти номиналната постоянна мощност като стандартна мярка за безопасност.
• Стъпка 2: Определете необходимата непрекъсната мощност. Непрекъснатият изходен AC ток на инвертора трябва да е поне 1,5 пъти по-голям от работната мощност на двигателя, за да се компенсират общи колебания при експлоатация и външна температура.
• Стъпка 3: Съгласувайте върховата мощност на инвертора. Върховата мощност на инвертора (обикновено оценена за 1 секунда или 5 секунди) трябва да надвишава мощното потребление на двигателя при пуск (LRA). Ако двигател с мощност 1,5 kW има пусково потребление от 9 kW в продължение на 1,5 секунди, инверторът трябва да е проектиран да издържа поне 9 kW връхова мощност през този интервал.
• Стъпка 4: Проверете възможностите на батерийната банка. Батерийна система с напрежение 48 V, която доставя 9 kW връхова мощност, трябва да осигурява над 187 A DC ток. Уверете се, че химическият състав на батерията (например литиево-железо-фосфатна) е сертифициран за тази C-скорост и че системата за управление на батерията (BMS) няма да се активира при претоварване.

Диагностика и стратегии за отстраняване на неизправности

Ако инверторът ви се изключва по време на пускане на двигателя, приложете следните системни стъпки за диагностика:

• 1. Проучете импеданса на постояннотоковите кабели: Уверете се, че постояннотоковите захранващи кабели, свързващи батерийния блок с инвертора, са възможно най-къси и имат достатъчно голямо напречно сечение. Високото съпротивление на кабелите предизвиква значително падане на напрежението при висок ток. За инвертори с висока мощност използвайте чисто медни кабели с размер 4/0 AWG (95 кв. мм) и проверете всички клеми за сигурни връзки.
• 2. Използвайте електронни стартери с постепенно увеличаване на напрежението: Стартерът с постепенно увеличаване на напрежението използва полупроводникови ключове (SCR) за постепенно увеличаване на напрежението, подавано към двигателя по време на стартиране. Това удължава времето за стартиране от милисекунди до няколко секунди и намалява пиковия пусков ток с до 50–60 %. Това позволява на по-малък инвертор успешно да стартира двигател с висок въртящ момент.
• 3. Прилагане на инвертори за променлива честота (VFD): VFD е крайното решение за управление на променлива скорост и стартиране. Той преобразува входящия променлив ток (AC) в постоянен ток (DC), а след това отново в променлив ток (AC) с променлива честота и напрежение. Като поддържа постоянен волт-херцов коефициент, VFD може да стартира двигател с висок момент на въртене при номиналния си работен ток (множител 1x), вместо при множителя 6x LRA, като по този начин напълно елиминира повредите от върхове на тока при инверторите.
• 4. Изберете инвертори с ниска честота (тороидни трансформатори): Стандартните инвертори с висока честота използват електронно превключване за повишаване на напрежението и имат много ограничена способност за преодоляване на върхове (обикновено само 1,2 до 1,5 пъти номиналната непрекъсната мощност). Инверторите с ниска честота, като серията JYINS Heavy-Duty, използват масивни, надмерно големи тороидни медни трансформатори. Тези магнитни ядра могат да съхраняват електромагнитна енергия и да понасят физически върхове, достигащи три пъти номиналната непрекъсната мощност, в продължение на до 10 или 30 секунди. Този пасивен термичен и магнитен буфер е изключително устойчив към рязките индуктивни върхове при стартиране на двигатели.

Заключение

Решаването на проблемите с пренапреженията в инверторите при използване на промишлени двигатели с висок въртящ момент е въпрос на съвместяване на електрическите възможности с механичните реалности. Като разберат, че асинхронните двигатели изискват изключително високи стартови токове (LRA), инженерите могат правилно да подберат оборудването си, да минимизират спадовете на напрежението в системата чрез използване на дебели DC кабели и да прилагат електронни устройства за мек старт или честотни преобразуватели (VFD). За най-изисканите B2B промишлени среди изборът на инвертори с ниска честота и торoidalни трансформатори, като например надеждните устройства, произведени от JYINS, осигурява необходимия резерв по безопасност и устойчивост на хардуера, за да се гарантира непрекъснатата и безпроблемна работа на машините.