Frekvenciaváltó és nyomatékszabályozás: Részletes magyarázat

A villamos motorok fordulatszám-szabályozásának igénye nem új keletű dolog. Az iparban legelterjedtebb, nagy darabszámban telepített villamos forgógép a háromfázisú rövidrezárt forgórészű kisfeszültségű aszinkron motor. Ezek a motorok a legkülönfélébb technológiai folyamatokban, a kukoricadarálótól a ventillátorokon keresztül a szállítópályákig, ma még legtöbbször direkt a háromfázisú hálózati 50 Hz-es hálózatról működnek. Azonban az ipari automatizálási folyamatok ma már elképzelhetetlenek frekvenciaváltók nélkül. A frekvenciaváltó, más néven inverter, a villanymotor bemenetére csatlakoztatható, és a villanymotor által leadott forgást szabályozza: olyanra állítja be, ami az adott felhasználási környezetben szükséges. Az energiahatékonyság és az ebből fakadó költséghatékonyság szempontjai olyan eszközök születéséhez vezettek, melyekkel a fordulatszám lefojtás nélkül csökkenthető, a forgásirány pedig állandó sebességet igénylő folyamatoknál is megváltoztatható.

Mi a frekvenciaváltó?

A frekvenciaváltók olyan elektronikus vagy elektromechanikus eszközök, amelyek a váltóáramot (AC) átalakítják egyik frekvenciáról a másikra, 50Hz-ről (európai szabvány), 60 Hz-re (amerikai szabvány), vagy akár 400 Hz-re (repülők esetében). A frekvenciaváltó elsődleges feladata, hogy a hálózatból táplált áramot egy- vagy többfázisú váltakozó árammá alakítsa, a szükséges paraméterek bemutatásával. Ez a folyamat abból áll, hogy a hálózat által szolgáltatott feszültséget egyenárammá alakítják, majd az egyedi követelményekhez igazított váltakozó feszültséggé. Ez az átalakítás lehetővé teszi a feszültség és a frekvencia igény szerinti beállítását.

A frekvenciaváltók lehetővé teszik, hogy a motort vagy a szivattyút a leghatékonyabb fordulatszámon működtessük, valamint a motor teljesítményét a szükséges szinthez igazítsa. Ez megakadályozza a motor túlterhelését, ami hosszú távon javíthatja az általános hatásfokot és csökkentheti a motor üzemeltetési költségeit. A frekvenciaváltók mindennapjaink részei. Legyen az egy lift mozgatása egy irodaépületben, egy szivattyú meghajtása, ami egy ház vízellátását biztosítja, de az is lehet, hogy az otthoni napelemes rendszer kialakításakor kerülünk kapcsolatba először az inverterekkel. Az inverterek manapság a frekvenciaváltók különösen népszerű csoportjába tartoznak, mivel a fotovoltaikus berendezések által termelt villamos energia átalakítására és a feszültségértékek beállítására szolgálnak.

A frekvenciaváltók története és fejlődése

A frekvenciaváltók története az elektromos motorok korai fejlesztésével kezdődik, a 19. század végén és a 20. század elején. Az első frekvenciaváltókat még mechanikus eszközökkel valósították meg, amelyek igen korlátozott hatékonysággal és pontossággal bírtak. A folyamatot minden bizonnyal Nikolaj Tesla, a szerb-amerikai feltaláló gyorsította fel, amikor 1924-ben megjelent a piacon saját találmányaival, a többfázisú, váltakozó áramú indukciós motorral. Az igazi áttörést azonban a 1980-as évek hozták meg, amikor például a félvezetők előretörése és a mikroprocesszoros technológiák elterjedése lehetővé tette a frekvenciaváltók méretének és költségének jelentős csökkentését. Emellett az sem vált éppen hátrányára, hogy egyre komplexebb feladatokat tudott menedzselni. A 21. századra a frekvenciaváltók a legkülönbözőbb iparágak nélkülözhetetlen, mondhatni must have „hozzávalóivá” váltak. Napjainkban ezek a berendezések már rendkívül fejlett kiegészítő funkciókkal bírnak.

A frekvenciaváltók működési elve és a nyomaték

A frekvenciaváltó működési elve szorosan kapcsolódik a háromfázisú motorok működéséhez. A fordulatszám szabályozás működésének megértéséhez szükséges az indukciós motor működési elvének megértése: E motor működése a transzformátor működéséhez hasonló. Ha a motort a váltakozó áramú hálózatra csatlakoztatjuk, akkor az állórészben létrejön egy a hálózati frekvenciának megfelelő fordulatszámmal forgó mágneses mező. A forgó mező hatására, a forgórész tekercsben indukálódott feszültség következtében kialakuló áram és a mágneses mező kölcsönhatása következtében, a forgórész forogni kezd. Ahhoz, hogy a nyomaték létrejöjjön, a forgórésznek lassabban kell mozognia, mint a körülötte lévő forgó mágneses mező. Ezt a fordulatszám-különbséget nevezzük slip-nek. Ha a slip értéke túl magas, a motor túlterhelődhet, és kibillenhet a stabil üzemállapotból.

Kellékszavatosság részletei

A motor teljesítménye arányos a nyomaték és a fordulatszám szorzatával, tehát csökkentett fordulatszámhoz kisebb teljesítmény (felvett és leadott) tartozik. A frekvencia csökkentésekor viszont a motorra jutó feszültséget is csökkenteni kell, ellenkező esetben a motor fluxusa túl magas lenne, és a motor telítődne. A névleges frekvencia alatti tartományban tehát a feszültséget is csökkentenünk kell. Ha pedig a frekvenciát a hálózati fölé növeljük, akkor magasabb feszültségre lenne szükség, mint a névleges, hogy a fluxus ebben a tartományban is állandó maradjon. Erre általában nincs lehetőség, a motorra jutó feszültséget a névleges értéken tartjuk, így viszont a növekvő frekvenciával csökken a motor fluxusa, ezért a nyomatéka is.

Frekvenciaváltó felépítése

A betáplálás kisebb teljesítményeknél lehet egy- vagy háromfázisú, nagyobb teljesítményeknél kizárólag háromfázisú. A betáplált áramot diódás híd egyenirányítja és a közbensőköri kondenzátorokat táplálja. A kondenzátorok egyrészt simítják a feszültség hullámosságát (különösen az 1 fázisú betáplálásnál van ennek jelentősége), másrészt kisebb hálózati ingadozásoknál tartják a feszültségszintet is. A közbensőköri egyenfeszültség többnyire ugyanis szabályozatlan, így a tápfeszültség csúcsértéke határozza meg az értékét. A közbensőköri egyenfeszültség impulzusszélesség-moduláció segítségével ismét váltakozó feszültséggé alakul. A kívánt hullámforma a kimeneti tranzisztorok (IGBT) meghatározott frekvenciával (kapcsolási frekvencia) történő ki-bekapcsolásával hozható létre, ami mint kimeneti feszültség tulajdonképpen egy négyszöghullám sorozat.

Vezérlés és szabályozás

A kimeneti kapcsolóelemek vezérlését a szabályozóelektronika látja el, melynek feladata a motor fordulatszám- és áramszabályozásának az ellátása és a kapcsolási kép előállítása. A leggyakoribb esetekben tulajdonképpen csak vezérlésről beszélhetünk, mivel általános esetekben nincs fordulatszám-visszacsatolás, tehát az alapjelből képzett vezérlőjel közvetlenül az áramszabályozó alapjelét képezi. Ebben az esetben a fordulatszám erősen függ a terhelés mértékétől. Amennyiben a fordulatszám pontos értéken való tartására van szükség, a motor fordulatszámát mérjük, majd a kívánt, és a mért érték különbségéből képezük az áramszabályozó bemenő jelét. A fordulatszám-szabályozó segítségével a pontos fordulatszámtartás biztosítható.

Vektorvezérlés

Az utóbbi időben elterjedt szenzor nélküli szabályozási megoldás az ú.n. vektorszabályozás, amikor a szabályozó elektronika fordulatszám-visszacsatolás nélkül biztosít rendkívül jó dinamikai tulajdonságokat és pontos fordulatszámtartást. Ebben az esetben a visszacsatolás nem a fordulatszámról, hanem a motor áramáról és a kimenő feszültség méréséről történik. A fejlettebb készülékben felépített részletes motormodellnek köszönhetően a frekvenciaváltó pillanatról-pillanatra leképezi a motor állapotát, és a kívánt alapjelnek megfelelő szabályozást biztosít. A pontos motormodellhez természetesen szükséges a készülékre kötött motor villamos paramétereinek ismerete, beadása!

A szenzornélküli vektorszabályozás előnyei a következő esetekben használhatóak ki igazán:

• Amikor nagy dinamikus teljesítmény szükséges.
• Amikor gyors terheléslökéseket kell uralni.
• Nagy nyomatékra van szükség kis fordulatszámokon is.
• Amikor pontos sebességtartásra van szükség.
• Amikor nyomatéktartással kell irányt váltani.

A vektoros szabályozás előnye a motor túlterhelésével szembeni védelem.

Frekvenciaváltók típusai és kiválasztása

Az átalakítók négy kategóriáját különböztethetjük meg a forrás bemeneti és kimeneti feszültsége alapján:

• AC-DC konverter, vagy egyenirányító
• DC-AC konverter, vagy inverter
• AC-AC frekvenciaváltó, vagy transzformátor
• DC-DC feszültség, vagy áramátalakító

Az AC-DC konverter a váltakozó feszültséget egyenfeszültséggé alakítja. Kétféle egyenirányítót különböztetünk meg: a szabályozatlan dióda egyenirányítót és a kapcsoló üzemmódú egyenirányítót. A DC-AC konverterek olyan eszközök, amelyek az egyen (DC) bemeneti feszültséget váltakozó (AC) kimeneti feszültséggé alakítják. Az AC-AC konvertereket főként a forrásból érkező bemeneti feszültség/áram frekvenciájának a kívánt terhelési szintre történő átalakítására használják. Kétféle AC-AC konverter létezik: a ciklokonverterek (CCV) és a mátrix konverterek. A DC-DC konverterek olyan eszközök, amelyek a DC bemeneti feszültséget a kívánt egyenáramú kimeneti feszültség szintre alakítják át. Az ilyen típusú konverterek teljesítményelektronikus kapcsolóberendezésekből, például tirisztorokból állnak.

Változtatható frekvenciájú meghajtók (VFD) és frekvenciaváltók közötti különbség

A változtatható frekvenciájú meghajtók (VFD) a szilárdtest-frekvencia-átalakítók egy fajtája, amelyeket a váltakozó áramú motorok fordulatszámának és nyomatékának beállítására használnak, amit a motor bemeneti frekvenciájának és feszültségének megváltoztatásával érnek el. A VFD-ket általában a gép teljesítményének javítására használják. Változó sebességgel futtatva a hajtások gördülékenyebben indulnak el, és hatékonyabban kezelik a terhelést. A motor gyorsabban eléri az adott sebességet, javul a nyomatékszabályozás, a hőmérséklet és a feszültség veszteség kevesebb lesz, miközben az energiafelhasználás jelentősen csökken. A VFD-k használhatók a frekvenciák megváltoztatására, de nem olyan megbízhatóak, mint a hagyományos frekvenciaváltók. A VFD-k nem működnek jól a nemlineáris terhelésekkel, nagy mennyiségű rezgést és elektromágneses zajt keltenek, amelyek károsíthatják a rákapcsolt fogyasztókat.

Frekvenciaváltó kiválasztása

Az esetek többségében az alkalmas frekvenciaváltó kiválasztása egyszerű feladat, ha a motor a normál határok közötti fordulatszám-tartományban üzemel. A telepítéskori és az üzembe helyezéskori problémák megakadályozására a kiválasztás előtt azonban érdemes néhány általános szempontot figyelembe venni:

JC5126 Valto Alkatrészek

1. Az első általános jellegű irányelv a motor ill. a frekvenciaváltó névleges áramának a figyelembevétele. Szivattyú- ill. ventillátorhajtás esetén a teljes nyomaték csak a névleges fordulatszámon szükséges, ekkor a motorral azonos teljesítményű hajtás választható. Állandó nyomatékú terhelés esetén azonban ugyanez a motor csak nagyobb teljesítményű frekvenciaváltóhoz csatlakoztatható. A frekvenciaváltót tehát alapvetően a motor áramához kell kiválasztani, a gyártók által megadott névleges kimeneti áramoknak megfelelően. Mindig a motoráramfelvétel-görbéjét kell alapul venni!
2. Figyelembe kell venni, hogy a névleges frekvencia fölötti üzem általános esetben csak csökkentett teljesítmény mellett lehetséges.
3. Alacsony frekvencián való üzemeltetés esetén a motor elégtelen hűtése okozhat gondot.
4. Ellenőrizni kell a túlterhelési arányokat és időket, a frekvenciaváltó és a motor esetében is.

A frekvenciaváltó teljesítményét a terhelési kapacitásoknak és típusoknak megfelelően kell kiválasztanunk. Hat általános terhelési forma létezik: rezisztív (ellenállásos) terhelés, induktív (motor) terhelés, kapacitív (RC) terhelés, egyenirányító terhelés, regeneratív terhelés és vegyes terhelés.

Terhelési típusok és ajánlások

• Ellenállásos terhelés: Teljesítménykapacitás = 1,1 × terhelési teljesítmény.
• Motor terhelés: Javasolt a motor teljesítményénél 6-szor nagyobb frekvenciaváltó teljesítményt választani, ha a motor nehezen indul.
• RC terhelés: Teljesítménykapacitás = 1,1 × terhelés látszólagos teljesítménye.
• Egyenirányító terhelés: A bemeneti áramkörét lágyindítási áramkorlátozóval kell ellátni az indítóáram korlátozása érdekében.

Kábelhossz és betáplálás

Hosszú motorkábel esetén figyelembe kell venni a kábelek szórt kapacitásaiból eredő hatásokat. A gyártók ezért általában megadják a frekvenciaváltó és a motor közötti maximális kábelhosszakat. Ezeknél hosszabb kábelek esetén kiegészítő eszközöket (kimeneti fojtó vagy dU/dt szűrő) kell alkalmazni, vagy megoldás lehet a kábel keresztmetszetének növelése. A megbízható és tartós üzemeltetés érdekében fontos a frekvenciaváltót tápláló hálózat vizsgálata is. Mindenképpen be kell tartani a frekvenciaváltó adattábláján megadott feszültség- és frekvenciatolerancia értékeket, illetve a telepítés körülményeinek a betáplálás minőségére gyakorolt hatását is figyelembe kell venni. Hibaforrások lehetnek még a kompenzálatlan hálózaton fellépő nagy túlfeszültségek, hegesztőberendezések és félvezetős fűtésszabályozók a táphálózaton, vagy a légköri kisülések okozta túlfeszültségek.

Fékezési módok

Ellenállásfékezés

Gyors fékezési igény esetén szükség lehet fékellenállás beépítésére, a termelődő energia felvételére. A kimeneti frekvencia gyors csökkentésekor - különösen a terhelés nagy tehetetlenségi nyomatéka esetén - a motor generátoros üzeme miatt visszatáplál a váltóirányítóba, aminek következtében a közbensőköri feszültség megemelkedhet. A káros feszültségemelkedés csökkentésének legegyszerűbb módja egy ellenálláson (fékellenállás) keresztül a fölös energiának a hőenergiává való alakítása. A fékchopper és a fékellenállás alkalmazása általában a következő esetekben szükséges:

• A fékenergia keletkezése a munkagép jellegéből adódik, pld. emelőgépek.
• Meghatározott időn belül kell nagy lendítőtömegeket lefékezni.
• Dinamikus folyamatoknál kielégítő üzemi viszonyokat kell elérni, például gyors alapjel-változások lekezelése nagy tehetetlenségi nyomatékok és kis terhelőnyomatékok esetén.

Egyenáramú fékezés

Általánosan elterjedt megoldás az egyenáramú fékezési megoldás is, amikor a féknyomatékot a motorra kapcsolt egyenfeszültséggel idézzük elő. Ekkor a motorban és a terhelésben tárolt fölös energia a motorban emésztődik ugyan fel (hővédelemről gondoskodni kell), viszont a motor fordulatszáma nem szabályozott, tehát a megállítási idő sem kiszámítható. A kombinált fékezési mód egy kifinomultabb megoldás, amikor frekvenciacsökkentéssel (minimális visszatáplálás mellett), egyenáramú komponens hozzáadásával fékezünk.

Paraméterbeállítás és hibakeresés

A frekvenciaváltó paraméter beállítása nagyon fontos az üzembe helyezés során. A helytelen paraméterbeállítás miatt nem tudja kielégíteni a gyártási igényeket, ami az indítás és a fékezés sikertelenségét, illetve a működés közbeni gyakori kioldást eredményezi. Súlyos esetekben az IGBT vagy az egyenirányító híd ég. A frekvenciaváltók típusai eltérőek és a paraméterek mennyisége eltérő. Általában az egyfunkciós vezérlésű inverter körülbelül 50-60 paraméterértéket tartalmaz, és a többfunkciós vezérlésű inverter több mint 200 paraméterrel rendelkezik. A legtöbb paraméter megváltoztatható, amennyiben azok a gyári értéknek felelnek meg, amennyiben az eredeti gyári értékek nem alkalmasak az alaphelyzetbe állításra.

Gyakori problémák és megoldásaik a helyszíni hibakeresésben

A frekvenciaváltó használatának előnyei és alkalmazási területei

A frekvenciaváltók segítségével a gépeket lassabb sebességgel is üzemeltethetjük, ezáltal sokkal hosszabb ideig fognak működni, ami összeségében csökkentheti a karbantartási igényt és az ezzel járó költségeket. Sok vállalkozás úgy találja, hogy a frekvenciaváltók használata segíti a folyamatokat, eljárásokat azáltal, hogy képes irányítani a gépek sebességét. Az energiamegtakarításon felül ez a hálózati elemek méretezésénél is megtakarításokat eredményez. A frekvenciaváltó legfőbb feladata tehát a rugalmas fordulatszám szabályozás, de az eszköz a motorra is vigyáz: felügyeli annak működési mutatóit, hogy biztosítsa az áram- és hőmérsékletvédelmet, megakadályozza az esetleges túlterhelést, továbbá alkalmazható egyedi működési programok beállítására is, mindezt a hatásfok és a teljesítmény csökkenése nélkül teszi.

Alkalmazási területek

A frekvenciaváltókat a legszélesebb körben használják a berendezések működési paramétereinek beállítására, legyen szó háztartási készülékek széles köréről vagy nagyobb ipari alkalmazásokról. Különösen fontosak a nagy gyártó- és ipari üzemekben, ahol összetett gépeket vezérelnek, pl. a bányászatban és az energiatermelő iparban vagy az üveg- és acélművekben. Frekvenciaváltókat használó ágazatok és területek közé tartoznak a darus cégek, acélipari vállalatok, kábelgyártók, hegesztőgépeket, robotokat használó gyártók, kisfeszültségű ipari hálózatok (vegyi üzemek, papírgyárak, autóipar), adatközpontok és kórházak. Az ipari automatizálási folyamatok ma már elképzelhetetlenek frekvenciaváltók nélkül. A frekvenciaváltót igénylő alkalmazások közé tartoznak például a turbinák, kompresszorok, turbóventilátorok és szivattyúk. Minden ilyen alkatrészhez olyan forgórész tartozik, amelyek forgási sebessége szorosan összefügg a hatékonyságukkal. Jó példa erre a gyakran a bányászattal kapcsolatos szállítószalag is. A hajtómotor fordulatszámának növekedésével az anyagadagolás sebessége is nő.

Elektromágneses összeférhetőség (EMC) és motor bekötése

Fontos a bemeneti egyenirányítás következtében a táphálózatra visszajutó felharmonikusok kérdése is. Ezek kis impedanciás hálózatokon zavarokat okozhatnak más készülékek üzemeltetésében. Ilyen esetben ajánlott a frekvenciaváltó előtti bemeneti fojtó alkalmazása. Fontos az is, hogy a zavarok nem csak a táphálózaton terjednek, hanem elektromágneses mezőkön is, ezért mind a frekvenciaváltó, mind a közelében alkalmazott egyéb automatizálási eszközök esetében az EMC-re fokozottan ügyelni kell.

Gyakorlati tanácsok az EMV irányelvek betartásához:

• Gondoskodni kell a frekvenciaváltónak a készülékszekrényben történő megfelelő földeléséről, nagy keresztmetszetű, rövid földelőkábellel.
• Ügyelni kell a vezérlőeszközök hasonló módon történő, azonos földelő ponthoz való földelésére.
• A vezérlőkábelek bekötésére csak árnyékolt kábelt szabad felhasználni, az árnyékolást mindkét végén (!) földelni kell.
• Lehetőség szerint a vezérlőkábeleket és az erősáramú kábeleket elkülönítetten, külön kábelcsatornában kell vezetni.
• Különös gondot kell fordítani a készülékszekrényben elhelyezett relék és mágneskapcsolók működtető tekercseinek zavarmentesítésre.
• Mindkét végén földelt, lehetőség szerint árnyékolt kábelt kell alkalmazni a motor és tápkábelek esetén.
• Szükség esetén (zavarérzékeny eszközök közelében) a gyártó által ajánlott rádiófrekvenciás zavarszűrést kell alkalmazni.

Motor bekötése

A legtöbb frekvenciaváltó teljesítménycsökkentés nélkül üzemeltethető 50 °C-os környezeti hőmérsékletig, de szekrénybe építéskor a készülékek által termelt hőmennyiséget is figyelembe kell venni! Kis teljesítményeken (általában 3 kW-ig) a motorok 230 V delta / 400 V csillag feszültségszintűek. Ha frekvenciaváltóval 1 fázisú hálózatról üzemeltetjük a frekvenciaváltót, akkor a kimeneti feszültségszint 3 x 230 V, tehát a motort deltába kell kötni! Ezzel szemben ha 3 fázisról táplálunk, akkor a kimeneten is 3 x 400V jelenik meg, tehát csillagba kell a motort kötni. Nagyobb teljesítményű motoroknál a feszültségszint többnyire 400 V delta / 690 V csillag. (A motor bekötése ekkor delta, akár fix hálózatról, akár frekvenciaváltóról üzemel.)

tags: #frekvencia #valto #nyomatek #részletes #magyarázat

• Szélvédőcsere Golf IV: Mire figyelj?
• Megoldások Fiat Punto ablakemelő problémákra
• legendás túramotor
• Téli gumi kisteherautókra (Hankook)
• Részletes elemzés a Hall jeladókról