Alapelv: Hogyan szabályozzák az alacsony feszültségű VFD-k a motor sebességét és teljesítményét
A Alacsony feszültségű, változtatható frekvenciájú meghajtó (VFD), amelyet gyakran állítható sebességű meghajtóként (ASD) is emlegetnek, alapvető eleme a váltakozó áramú (AC) motorok forgási sebességének szabályozásának az általa szolgáltatott elektromos áram vezérlésével. Az "alacsony feszültség" megjelölés általában a szabványos ipari feszültségen 690 V-ig működő VFD-kre vonatkozik. Az alapvető működés a frekvencia és a feszültség egyidejű változtatásán alapul, állandó feszültség-frekvencia (V/f) arány fenntartásán, hogy biztosítsa a motor mágneses fluxusának állandó maradását és a szükséges nyomaték leadását.
A VFD belsőleg átalakítja a bejövő váltakozó áramot egyenárammá (DC) egy egyenirányító szakasz, jellemzően egy diódahíd segítségével. Ezt az egyenáramú teljesítményt ezután egy egyenáramú kondenzátortelep szűri, amely kiegyenlíti a teljesítményt. Végül egy inverter rész, amely általában szigetelt kapu bipoláris tranzisztorokból (IGBT) áll, az egyenáramot pontosan változtatható frekvenciájú és változó feszültségű váltakozó áramú hullámformává alakítja vissza az impulzusszélesség-moduláció (PWM) technikával.
A VFD megvalósításának gyakorlati előnyei és azonnali költségmegtakarításai
A VFD-k ipari és kereskedelmi rendszerekbe történő integrálásának gyakorlati előnyei túlmutatnak az egyszerű sebességszabályozáson, és közvetlenül befolyásolják a működési költségeket, a berendezések élettartamát és a folyamatok minőségét. Ezek az előnyök a befektetés gyors megtérülését biztosítják, különösen a folyadékkezelési alkalmazásokban.
Jelentős energiacsökkentés az affinitástörvények révén
Centrifugális terheléseknél, például szivattyúknál és ventilátoroknál a motor teljesítményfelvétele a fordulatszám kockáját követi (affinitási törvény). Ez azt jelenti, hogy a sebesség kismértékű csökkentése a felvett teljesítmény jelentős csökkenését eredményezi. Például, ha mindössze 20%-kal csökkenti a sebességet (80%-os sebességgel működik), az energiafogyasztás közel 50%-kal csökken (0,8^3 $ = 0,512 $). Ez az arányosság az elsődleges mozgatórugója a HVAC és a vízkezelő létesítmények jelentős energiamegtakarításának.
Továbbfejlesztett folyamatvezérlés és berendezésvédelem
A VFD-k „lágyindítás” funkciót biztosítanak azáltal, hogy a motort lassan nulláról a működési sebességre emelik. Ez kiküszöböli az „Across-the-Line” indítással járó hatalmas bekapcsolási áramot és mechanikai sokkot, ahol a motor azonnal teljes feszültséget kap. Azáltal, hogy csökkenti az elektromos igénybevételt és a mechanikai kopást az olyan alkatrészeken, mint a fogaskerekek, szíjak és tengelykapcsolók, a VFD meghosszabbítja a karbantartási intervallumokat és a hajtott berendezés teljes élettartamát. Ezenkívül a precíz sebességszabályozás lehetővé teszi az áramlás, a nyomás vagy a hőmérséklet pontos szabályozását, javítva a termék minőségét a gyártási folyamatokban.
Általános kisfeszültségű VFD alkalmazásprofilok
Az alacsony feszültségű VFD-k sokoldalúak, és szinte minden ipari szektorban használatosak. Alkalmazásukat jellemzően a terhelés típusa szerint kategorizálják: változó nyomaték, állandó nyomaték vagy állandó teljesítmény.
Az alábbi táblázat összefoglalja a gyakori alkalmazásokat és azok jellemzőit:
| Alkalmazás típusa | Tipikus terhelések | Nyomaték profil | Elsődleges előny |
| HVAC és szivattyúzás | Centrifugálventilátorok, fúvók, szivattyúk | Változó nyomaték (nyomaték $\propto$ Speed$^2$) | Maximális energiamegtakarítás (affinitási törvény) |
| Anyagkezelés | Szállítószalagok, extruderek, keverők | Állandó nyomaték (a nyomaték rögzített) | Pontos sebesség/pozíció szabályozás |
| Szerszámgépek | Esztergagépek, marók, orsók | Állandó teljesítmény (nyomaték fordítottan $\propto$ sebesség) | Széles fordulatszám-tartomány a megmunkáláshoz |
Gyakorlati szempontok a VFD kiválasztásához és telepítéséhez
A megfelelő kiválasztás és telepítés kulcsfontosságú a VFD minden előnyének eléréséhez. A kulcsfontosságú szempontok közé tartoznak a környezeti feltételek, a motor kompatibilitása és az esetleges energiaminőségi problémák enyhítése.
Méretezés, burkolatok és környezeti tényezők
A VFD-t megfelelően méretezni kell a motor teljes terhelési áramának (FLA) névleges értékéhez, és gyakran kissé túlméretezettnek kell lennie az igényes munkaciklusokkal vagy magas indítónyomaték-igényű alkalmazásokhoz. A ház típusának meg kell felelnie a környezetnek, a NEMA 1-től (általános célú, beltéri) a NEMA 4X-ig (korrózióálló, kültéri/lemosható). A VFD hőt termel, ezért a megfelelő hűtési távolság és a környezeti hőmérséklet szabályozása kötelező a megbízható működéshez.
Energiaminőségi és harmonikus problémák enyhítése
A VFD egyenirányító szakasza rövid, nagy amplitúdójú impulzusokban veszi fel az áramot, ami harmonikus torzítást vezethet vissza az elektromos tápvezetékbe. Ez negatív hatással lehet más érzékeny berendezésekre. A gyakorlati enyhítő stratégiák a következők:
- AC Line Reactors hozzáadása a bemeneti oldalon a bejövő áram simítása és a harmonikus tartalom csökkentése érdekében.
- DC Link fojtók felszerelése az egyenirányító és a kondenzátortelep közé a harmonikusok csökkentése és az egyenáramú busz stabilitásának javítása érdekében.
- Aktív előtér- (AFE) VFD-k vagy 18 impulzusos egyenirányítók használata olyan alkalmazásokhoz, ahol a nagyon alacsony összharmonikus torzítás (THD) kritikus, bár ezek a lehetőségek növelik a kezdeti tőkeköltséget.
Ezenkívül az IGBT-k nagy sebességű kapcsolása feszültségcsúcsokat generálhat, amelyek idővel károsíthatják a motor tekercsét. Hosszabb (általában 50 láb feletti) motorvezetékek esetén erősen ajánlott terhelési reaktorok vagy kimeneti szűrők felszerelése a motorszigetelés védelme érdekében.
