1. Bevezetés az AC meghajtókba (változtatható frekvenciájú meghajtók) A modern ipari irányítás területén egy......
OLVASS TOVÁBBA változtatható frekvenciájú hajtás (VFD) egy elektronikus vezérlő, amely a váltakozó áramú villanymotor fordulatszámát a hozzá táplált áram frekvenciájának és feszültségének változtatásával állítja be. Ahelyett, hogy a motort a vezetékfrekvencia által meghatározott fix fordulatszámon járatná – országtól függően jellemzően 50 Hz vagy 60 Hz – a VFD lehetővé teszi, hogy a motor pontosan az alkalmazás által adott pillanatban megkívánt sebességgel működjön. Ennek az egyszerűnek tűnő képességnek mélyreható hatásai vannak az energiafogyasztásra, a mechanikai kopásra, a folyamatszabályozásra és a működési rugalmasságra gyakorlatilag minden villanymotort használó iparágban.
Annak megértéséhez, hogy ez miért számít, fontolja meg a szivattyút, amely folyadékot mozgat a csövön keresztül. A rögzített teljes fordulatszámon működő motor maximális áramlást biztosít, függetlenül attól, hogy ténylegesen maximális áramlásra van-e szükség. Történelmileg az áramlás csökkentésének egyetlen módja a szelep részleges elzárása volt – elpazarolva azt az energiát, amely még mindig arra volt felhasználva, hogy a folyadékot a korlátozás ellen nyomja. A VFD ezt úgy oldja meg, hogy egyszerűen lelassítja a motort, amikor kisebb teljesítményre van szükség. Mivel az energiafogyasztás centrifugális terheléseknél, például szivattyúknál és ventilátoroknál követi a kockatörvényt, így a motor fordulatszáma mindössze 20%-kal körülbelül 49%-kal csökkenti az energiafogyasztást . Ez a kapcsolat a fő oka annak, hogy a VFD-k ilyen gyors megtérülést eredményeznek a változó terhelésű alkalmazásokban.
A VFD-ket iparágtól és régiótól függően számos más néven is ismerik: változó sebességű meghajtók (VSD) , állítható frekvencia-meghajtók (AFD) , inverteres meghajtók , és AC meghajtók mindegyik lényegében ugyanarra a technológiára vonatkozik. Egyes összefüggésekben az "inverter" kifejezést kifejezetten használják – ez a VFD belső teljesítményátalakítási folyamatának utolsó szakaszára utal.
Annak megértése, hogy mi történik belül a változtatható frekvenciájú hajtás tisztázza, hogy miért működik úgy, ahogyan működik – és miért léteznek bizonyos telepítési és védelmi követelmények. Az átalakítási folyamat három különálló szakaszban zajlik: egyenirányítás, DC busz szűrés és inverzió.
A tápegységről érkező váltóáram – akár egyfázisú, akár háromfázisú – először az egyenirányító szakaszba kerül. Az egyenirányító a váltakozó feszültséget egyenárammá alakítja át diódahíd, vagy fejlettebb meghajtók esetén vezérelt tirisztorok vagy IGBT-k (Insulated Gate Bipoláris Tranzisztorok) segítségével. A szabványos hatimpulzusos dióda egyenirányító a leggyakoribb konfiguráció az ipari VFD-kben. Az egyenirányító kimenete egy pulzáló egyenfeszültség, amely még mindig jelentős AC hullámosság komponenst hordoz.
Az egyenirányítóból érkező pulzáló egyenáram egy egyenáramú buszon halad át – lényegében nagy kondenzátorokból és néha induktorokból álló csoporton –, amely a feszültséget stabil egyenáramú szintre simítja. Ez a közbenső egyenáramú busz jellemzően kb A bejövő vonal-vonal RMS feszültség 1,35-szöröse : körülbelül 650–700 V DC 480 V AC tápellátáshoz vagy 270–310 V DC 230 V AC tápellátáshoz. Az egyenáramú busz energiatároló pufferként is szolgál, elnyeli a motor lassulásakor keletkező regeneratív energiát. A fékellenállás vagy regeneratív elülső rész nélküli hajtásoknál ezt az energiát el kell oszlatni – ezért van szükség fékellenállásokra a nagy tehetetlenségi nyomatékú és gyakran leállási terhelésű alkalmazásokban.
Az inverter rész a stabil egyenfeszültséget változtatható frekvenciájú és amplitúdójú szintetikus váltakozó áramú kimenetté alakítja vissza. A modern VFD-k ezt az impulzusszélesség-modulációval (PWM) vezérelt IGBT kapcsolótranzisztorokkal érik el. Az IGBT-k magas frekvencián kapcsolnak be és ki – általában 2-16 kHz — impulzussorozat létrehozása, amelynek szélessége olyan mintázatban változik, amely idővel integrálva a kívánt frekvenciájú és feszültségű szinuszos hullámformát állítja elő. A PWM-mintázat beállításával a hajtás közel nullától egészen 400 Hz-ig vagy még nagyobb kimeneti frekvenciát tud előállítani, ami megfelel a motor fordulatszámának a lényegében leállítotttól a többszörös alapsebességig. A motor induktivitása természetes szűrőként működik, és a PWM impulzussorozatot sima szinuszos árammá alakítja át a motor tekercselésein.
Nem minden VFD van megtervezve egyformán. A különböző meghajtótopológiákat speciális alkalmazási követelményekhez, teljesítménytartományokhoz és működési környezetekhez optimalizálták. Az alkalmazás nem megfelelő típusának kiválasztása olyan problémákat okoz, amelyeket nem lehet önmagában paraméterbeállítással kijavítani.
A VSI-meghajtók – amelyek magukban foglalják a manapság eladott általános célú VFD-k túlnyomó részét – szabályozzák az egyenáramú busz feszültségét, és a PWM segítségével állítanak elő változó frekvenciájú váltakozó áramú kimenetet. Sokoldalúak, költséghatékonyak, és a töredék lóerőtől a több megawattig terjedő teljesítménytartományban elérhetők. A VSI hajtások a legtöbb szivattyú-, ventilátor-, szállítószalag- és kompresszor-alkalmazáshoz alkalmasak. Elsődleges korlátjuk az, hogy nem szinuszos kimenetet adnak, ami további felmelegedést okozhat a motortekercsekben – különösen fontos a régebbi motorok esetében, amelyeket nem inverteres terheléssel terveztek.
A CSI meghajtók az áramot, nem pedig a feszültséget szabályozzák a DC buszon. Eredetüknél fogva képesek a regeneratív fékezésre – a fékezési energia visszajuttatására a táphálózatba – további hardver nélkül. A CSI-meghajtókat általában a fenti nagy teljesítményű alkalmazásokban használják 500 kW , mint a nagy kompresszorok, bányaemelők és ipari malmok, ahol a nagyon nagy motoráramok kezelésére és az energia gazdaságos regenerálására való képességük indokolja magasabb költségüket és nagyobb fizikai lábnyomukat.
A DTC egy vezérlőalgoritmus, nem pedig egy különálló hardvertopológia, de jelentős kategóriamegkülönböztetést jelent a meghajtó kiválasztásában. Ahelyett, hogy a motor fordulatszámát a kimeneti frekvencia és a feszültség fix PWM mintázattal történő beállításával szabályoznák, a DTC-hajtások folyamatosan, valós időben becsülik meg a motor fluxusát és nyomatékát, és közvetlenül szabályozzák az inverter kapcsolást ezen mennyiségek szabályozására. Az eredmény rendkívül gyors nyomatékválasz – az ABB DTC-megvalósítása kisebb nyomaték-válaszidőt ér el 2 ezredmásodperc - és pontos fordulatszám-szabályozás anélkül, hogy jeladóra lenne szükség a motor tengelyén. A DTC-meghajtókat olyan igényes alkalmazásokban használják, mint például papírgépek, daruk és tekercselő berendezések, ahol a nyomaték pontossága és a dinamikus válaszadás kritikus fontosságú.
A szabványos VFD-k a fékezési energiát hőként oszlatják el egy fékellenálláson keresztül. A regeneratív hajtások egy aktív front-end egyenirányítót használnak, amely felhasználható váltakozó áramként vissza tudja juttatni ezt az energiát a táphálózatba. Azokban az alkalmazásokban, ahol a motor gyakran lassítja a nagy terhelést – felvonók, próbapadok próbapadjai, lejtős szállítószalagok – a hőként elpazarolt energia ehelyett jelentheti a teljes meghajtó energiafogyasztás 15-40%-a , ami a regeneratív hajtásokat a magasabb kezdeti költség ellenére is gazdaságilag vonzóvá teszi.
| VFD típus | Tipikus teljesítménytartomány | Kulcselőny | Legjobb alkalmazás |
|---|---|---|---|
| Feszültségforrás-inverter (VSI) | 0,1 kW – 2 MW | Költséghatékony, sokoldalú | Szivattyúk, ventilátorok, szállítószalagok, HVAC |
| Áramforrás-inverter (CSI) | 500 kW – 100 MW | Natív regeneráció, nagy teljesítmény | Nagy kompresszorok, bányaemelők |
| Közvetlen nyomatékszabályozás (DTC) | 0,5 kW – 5 MW | Gyors nyomatékválasz, nincs szükség jeladóra | Daruk, csévélők, papírgépek |
| Regeneratív aktív kezelőfelület | 7,5 kW – 1 MW | Visszaadja a fékezési energiát a hálózatnak | Liftek, próbapadok, lejtős szállítószalagok |
A VFD-ket számos iparágban és alkalmazásban telepítik, de értékük nem egységes mindegyikben. A VFD telepítésének legerősebb esetei sajátos jellemzőkkel rendelkeznek: változó terhelési igény, magas éves üzemórák és centrifugális vagy változó nyomatékú terhelési profilok.
A fűtési, szellőztetési és légkondicionáló rendszerek jelentik a VFD-k legnagyobb alkalmazási szegmensét világszerte. A befúvó ventilátorok, a visszatérő levegő ventilátorok, a hűtővíz-szivattyúk, a kondenzátoros vízszivattyúk és a hűtőtorony-ventilátorok mind változó terhelésű centrifugális alkalmazásként működnek. Egy kereskedelmi épület HVAC-rendszere ritkán igényel teljes tervezési kapacitást – csak a teljes terhelést jelentheti az éves üzemidő 1-5%-a . A HVAC ventilátorokon és szivattyúkon található VFD-k általában csökkentik az éves energiafogyasztást ezen motoroknál 30-60% csappantyús vagy szelepfojtásos fix fordulatszámú üzemhez képest. A kereskedelmi HVAC utólagos felszerelések megtérülési ideje általában 1,5 és 3 év közé esik.
A városi vízelosztó rendszerek VFD-ket használnak a nyomásfokozó szivattyúállomásokon, hogy állandó rendszernyomást tartsanak fenn, függetlenül az igények napközbeni ingadozásától. Hajtás nélkül a fix fordulatszámú szivattyúk be- és kikapcsolnak, hogy fenntartsák a nyomást – vízkalapácsot, felgyorsult szelepkopást és nyomástranzienseket okoznak, amelyek megterhelik a csőhálózatot. A VFD által vezérelt szivattyú, amely folyamatosan, változtatható fordulatszámon működik, stabilabb nyomást tart fenn, kiküszöböli a vízkalapácsot, és a motorindításokat a potenciálisan napi több százról a folyamatos alacsony fordulatszámú működési ciklusra csökkenti. A szennyvízlevegőztető fúvók is jelentős előnyökkel járnak: a levegőztetés kb Egy szennyvíztisztító telep teljes energiaköltségvetésének 50-60%-a , és VFD control of blowers to match dissolved oxygen demand rather than running at fixed output generates substantial utility savings.
A gyártás során a VFD-k precíz fordulatszám-szabályozást biztosítanak szállítószalagok, keverők, extruderek és szerszámgépek orsói számára. A csomagolósor szállítószalagja, amely pontosan az upstream folyamat kimenetéhez igazított sebességgel fut, elkerüli a termék felhalmozódását és csökkenti a szállítószalag szerkezetére nehezedő mechanikai igénybevételt. A VFD-k által vezérelt extrudercsavarok lehetővé teszik a processzorok számára, hogy pontos kimeneti sebességet tárcsázzanak, és valós időben reagáljanak az anyagviszkozitás változásaira. A textiliparban a szálfeldolgozó gépek sebességkoordinációt igényelnek több tengelyen – a felügyeleti vezérlőrendszerhez csatlakoztatott VFD-k fenntartják a pontos sebességarányokat, amelyek meghatározzák a szálak feszültségét és minőségét.
Az olajkutak gyártásában használt elektromos merülőszivattyúk (ESP) nagyon változó körülmények között működnek, mivel a tartály nyomása és a folyadék összetétele változik a kút termelési élettartama során. Az ESP-k VFD-vezérlése lehetővé teszi a termelés folyamatos optimalizálását, ahelyett, hogy elfogadná a rögzített sebességű kimenetet, amely túl- vagy alulszivattyúzhat a tartály beáramlásához képest. A csővezetékes kompresszorállomásokon a gázkompresszorok változtatható fordulatszámú hajtásai lehetővé teszik a nyomónyomás precíz fenntartását a változó bemeneti feltételek és áramlási igények mellett – helyettesítve a mechanikus fojtást, amely a kompressziós energiát pazarolja és növeli a szelep karbantartási költségeit.
A VFD befektetés üzleti alapját a vásárlás előtt számszerűsíteni kell, nem pedig feltételezni. A számítás egyszerű a centrifugális terhelésekre, és csak néhány ismert értékre van szükség: a motor névleges teljesítményére, az éves üzemórákra, az átlagos terhelési profilra és a helyi villamosenergia-költségre.
Centrifugális szivattyú vagy ventilátor esetében az affinitási törvények pontosan leírják a fordulatszám és az energiafogyasztás közötti kapcsolatot:
Egy működő példa: egy 75 kW-os centrifugálszivattyús motor, amely évi 6000 órát üzemel átlagosan 80%-os fordulatszámon, kb. 75 × (0,8)³ × 6000 = 230 400 kWh évente , ehhez képest 75 × 6000 = 450 000 kWh évente rögzített teljes sebességgel. 0,10 USD/kWh áramdíj mellett az éves megtakarítás kb 21 960 dollár . Ha a VFD telepítése 8000 dollárba kerül, az egyszerű megtérülési idő kevesebb, mint 4,5 hónap – ez a megtérülés szinte semmilyen más tőkebefektetéssel nem tud megfelelni ipari környezetben.
Az állandó nyomatékú terheléseknél, mint a szállítószalagok és a térfogat-kiszorításos szivattyúk, a köbös összefüggés nem érvényes – a teljesítmény lineárisabban skálázódik a sebességgel. A VFD-k továbbra is értéket képviselnek ezekben az alkalmazásokban a lágy indítás, a folyamat pontossága és a csökkentett mechanikai kopás révén, de az energiamegtakarítási számításnak tükröznie kell a tényleges terhelési jellemzőket, nem pedig a centrifugális viselkedést.
A változtatható frekvenciájú hajtás kiválasztása többet jelent, mint a motor kilowatt vagy lóerő teljesítményének megfeleltetését. Az alkalmazáshoz megfelelően meghatározott meghajtó évtizedekig megbízhatóan működik; a helytelenül megadott idő előtt meghibásodhat, normál működés közben meghibásodhat, vagy motorkárosodást okozhat. A következő paramétereket rendelés előtt meg kell erősíteni.
A VFD-t mindig mérete szerint méretezzük névleges kimeneti áramerősség amperben , nem egyszerűen kilowatttal vagy lóerővel. A motor adattábláján szereplő teljes terhelésű áramerősségnek (FLA) a VFD névleges folyamatos kimeneti áramerősségére vagy az alá kell esnie. Nagy indítási nyomatékigényű vagy gyakori gyorsulási ciklusokkal rendelkező alkalmazások esetén nézze meg a hajtás névleges túlterhelési áramát – jellemzően a folyamatos névleges érték százalékában kifejezve egy meghatározott időtartamig, pl. 150% 60 másodpercig . A nagyon nagy indítónyomatékot igénylő alkalmazásokhoz (zúzógépek, megterhelt szállítószalagok) a normál üzemi ciklus helyett nagy igénybevételű, 150–200%-os túlterheléssel rendelkező hajtásra lehet szükség.
Ellenőrizze a rendelkezésre álló tápfeszültséget és a fázisszámot a telepítési helyen: az egyfázisú 120 V, az egyfázisú 230 V, a háromfázisú 230 V, a háromfázisú 460/480 V vagy a háromfázisú 575/600 V a leggyakoribb az észak-amerikai telepítésekben. Az európai és ázsiai berendezések túlnyomórészt 400 V vagy 415 V háromfázisú feszültséget használnak. Az egyfázisú bemeneti meghajtók kb 4 kW (5 LE) — ezen teljesítményszint felett háromfázisú tápellátás szükséges. Átmeneti intézkedésként lehetséges a háromfázisú VFD működtetése egyfázisú tápellátásról csak két bemeneti terminál csatlakoztatásával, de jelentős DC busz hullámzást, csökkent kimeneti kapacitást és felgyorsult kondenzátorromlást eredményez – ez nem ajánlott hosszú távú gyakorlat.
A VFD tokozási besorolásainak meg kell egyeznie a telepítési környezettel. Az IP20 vagy NEMA 1 (szellőztetett, ujjbiztos) burkolatok megfelelőek a tiszta, klímaszabályozott elektromos helyiségekben. Az IP54 vagy NEMA 12 (por-, fröccsenésálló) védelem szükséges a levegőben szálló szennyeződéseket tartalmazó ipari padlókhoz. Az IP55 vagy a NEMA 4 (lemosásálló) védelem szükséges élelmiszer-feldolgozási, gyógyszerészeti és kültéri alkalmazásokban, ahol a meghajtó közvetlen vízpermetnek lehet kitéve. Az IP20-as meghajtó poros vagy nedves környezetben történő telepítése a meghajtó idő előtti meghibásodásának egyik leggyakoribb oka – a burkolatok besorolása közötti költségkülönbség elhanyagolható a meghajtó cseréjének és a gyártási leállás költségeihez képest.
A VFD és a motor közötti hosszú motorkábelek feszültségvisszaverődési jelenséget hoznak létre a motorkapcsokon – a gyorsan növekvő PWM feszültségimpulzusok visszaverik a kábel-motor impedancia szakadását, és a motor kapcsain olyan csúcsfeszültségeket hozhatnak létre, amelyek jelentősen meghaladják a hajtás egyenáramú buszfeszültségét. Általános irányelvként, ha a motorkábel hossza meghaladja 50 méter (kb. 150 láb) , egy kimeneti dV/dt szűrőt vagy szinuszos szűrőt kell beépíteni a hajtás és a motor közé a motor tekercsszigetelésének védelme érdekében. Ez különösen fontos a régebbi, inverteres üzemre nem alkalmas motorok esetében, amelyek vékonyabb tekercsszigeteléssel rendelkeznek, mint a modern inverteres kivitelek.
Még a jól meghatározott és megfelelően telepített meghajtók is működési problémákba ütköznek. A legtöbb hiba megismételhető és diagnosztizálható a hajtás hibaelőzmény-naplójából, a hiba időpontjában fennálló alkalmazási feltételek ismeretével együtt.
Túláramkioldás akkor következik be, amikor a motor több áramot vesz fel, mint a hajtás túláram-küszöbe – általában a névleges áram 150–200%-a között van beállítva. A leggyakoribb okok a csatlakoztatott terhelési tehetetlenséghez túl rövidre beállított gyorsítási rámpaidők, a hajtott berendezés mechanikai megkötése vagy elakadása, a hajtásba programozott motorparaméterek helytelensége, vagy a motor meghibásodása, rövidre zárt tekercselési fordulatokkal, amelyek túláramot vonnak le. Ellenőrizze a hibanapló időbélyegét a folyamat körülményeihez képest, ellenőrizze a gyorsulási rámpa beállításait a terhelés tényleges tehetetlenségi követelményeihez képest, és ellenőrizze, hogy a motor adattábla paraméterei helyesen kerültek-e be a hajtás beállításaiba.
Amikor a motor lelassul, generátorként működik, és visszanyomja az energiát a VFD egyenáramú buszába. Ha a lassulási sebesség gyorsabb, mint amennyit az egyenáramú busz kondenzátorai fel tudnak venni, vagy a fékellenállás eloszlik, az egyenáramú busz feszültsége addig emelkedik, amíg a hajtás túlfeszültségre nem lép. A javítás általában a lassítási rámpaidő meghosszabbítása, a megfelelő méretű fékellenállás felszerelésének és működésének ellenőrzése, vagy a regeneratív hajtásra való frissítés, ha a nagy tehetetlenségi nyomatékú terhelések gyakori gyors lassítása az alkalmazás velejárója.
A VFD-k hőt termelnek a kapcsolási veszteségekből az IGBT inverter fokozatban – jellemzően a névleges teljesítmény 3-5%-a mint hő. Ezt a hőt a meghajtó hűtőrendszerének kell elvezetnie, amely belső hűtőbordákból és levegős hűtőventilátorokból áll. A túlmelegedési hibák azt jelzik, hogy a hajtás belső hőmérséklete túllépte a biztonságos működési küszöböt. A gyakori okok közé tartozik az eltömődött szellőzőnyílások vagy a porral eltömődött hűtőborda bordák, a burkolatban a környezeti hőmérséklet, amely meghaladja a meghajtó névleges maximumát (általában 40–50 °C), az elégtelen szellőzés a zárt házban vagy a meghibásodott belső hűtőventilátor. A hűtőborda bordáinak rendszeres tisztítása és a burkolat megfelelő szellőzése megakadályozza a legtöbb túlmelegedési hibát.
A földzárlat-kioldások azt jelzik, hogy az áram egy vagy több motorfázisból a földbe folyik – leggyakrabban a motortekercsek szigetelésének romlása vagy a motorkábel sérülése miatt. Mivel a VFD kimenet nagyfrekvenciás PWM-komponenseket tartalmaz, a kábelkapacitáson keresztül a földre jutó szivárgási áram velejárója, és a kábel hosszával nő. A nagyon érzékeny földzárlati küszöbértékekkel rendelkező hajtások a hosszú motorkábelekkel rendelkező berendezéseknél zavaróan lekapcsolhatnak ebben a szivárgó áramban. Ha a földzárlati kioldás nem hozható összefüggésbe a tényleges szigetelési hibával, ellenőrizze a hajtás földzárlat-érzékenységi beállítását, és ellenőrizze a motor szigetelési ellenállását megaohmmérővel (minimum 1 MΩ 500V DC-n szabvány elfogadási küszöbérték a VFD szolgáltatásban lévő motorokhoz).
A VFD helyszíni problémáinak többsége – kellemetlen kioldások, idő előtti meghibásodások, a közeli berendezésekkel való interferencia – inkább telepítési hibákra, mint meghajtóhibákra vezethető vissza. A megállapított telepítési irányelvek betartása a legtöbb ilyen problémát kiküszöböli, mielőtt azok előfordulnának.