Kernprincipe: hoe laagspannings-VFD's de motorsnelheid en het vermogen reguleren
EEN Laagspanningsvariabele frequentieaandrijving (VFD), vaak een verstelbare snelheidsaandrijving (ASD) genoemd, is een essentieel onderdeel voor het regelen van de rotatiesnelheid van een wisselstroommotor (AC) door de elektrische stroom die eraan wordt geleverd te beheren. De aanduiding "laagspanning" is doorgaans van toepassing op VFD's die werken op standaard industriële spanningen tot 690V. De fundamentele werking is gebaseerd op het gelijktijdig variëren van de frequentie en de spanning, waarbij een constante verhouding tussen spanning en frequentie (V/f) wordt gehandhaafd om ervoor te zorgen dat de magnetische flux van de motor constant blijft en deze het vereiste koppel kan leveren.
De VFD zet de binnenkomende wisselstroom intern om in gelijkstroom (DC) met behulp van een gelijkrichtersectie, meestal een diodebrug. Dit gelijkstroomvermogen wordt vervolgens gefilterd door een DC-tussencondensatorbank, die het vermogen afvlakt. Ten slotte converteert een invertergedeelte, meestal bestaande uit Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT's), de gelijkstroom terug naar een nauwkeurige AC-golfvorm met variabele frequentie en variabele spanning met behulp van een techniek die Pulsbreedtemodulatie (PWM) wordt genoemd.
Praktische voordelen en onmiddellijke kostenbesparingen van VFD-implementatie
De praktische voordelen van het integreren van VFD's in industriële en commerciële systemen reiken verder dan eenvoudige snelheidsregeling en hebben een directe invloed op de operationele kosten, de levensduur van apparatuur en de proceskwaliteit. Deze voordelen zorgen voor een snel rendement op de investering, vooral bij vloeistofbehandelingstoepassingen.
Aanzienlijke energiereductie door affiniteitswetten
Voor centrifugaalbelastingen zoals pompen en ventilatoren volgt het energieverbruik van de motor de derde macht van de snelheid (affiniteitswet). Dit betekent dat een kleine snelheidsvermindering resulteert in een enorme vermindering van het opgenomen vermogen. Als u bijvoorbeeld de snelheid met slechts 20% verlaagt (bij een snelheid van 80%), wordt het stroomverbruik met bijna 50% verminderd ($0,8^3 = 0,512$). Deze proportionele relatie is de belangrijkste motor voor enorme energiebesparingen in HVAC- en waterzuiveringsinstallaties.
Verbeterde procescontrole en apparatuurbescherming
VFD's bieden een 'zachte start'-mogelijkheid door de motor langzaam op te voeren van nulsnelheid naar de bedrijfssnelheid. Dit elimineert de enorme inschakelstroom en mechanische schokken die gepaard gaan met 'Across-the-Line'-starten, waarbij de motor onmiddellijk de volledige spanning ontvangt. Door elektrische spanning en mechanische slijtage van componenten zoals tandwielen, riemen en koppelingen te verminderen, verlengt de VFD de onderhoudsintervallen en de algehele levensduur van de aangedreven apparatuur. Bovendien maakt nauwkeurige snelheidsregeling een nauwkeurige regeling van de stroom, druk of temperatuur mogelijk, waardoor de productkwaliteit in productieprocessen wordt verbeterd.
Algemene laagspannings-VFD-toepassingsprofielen
Laagspannings-VFD's zijn veelzijdig en worden in vrijwel elke industriële sector ingezet. Hun toepassing wordt doorgaans gecategoriseerd op basis van het belastingstype: variabel koppel, constant koppel of constant vermogen.
De onderstaande tabel vat veelvoorkomende toepassingen en hun kenmerken samen:
| EENpplication Type | Typische ladingen | Koppelprofiel | Primair voordeel |
| HVAC en pompen | Centrifugaalventilatoren, blazers, pompen | Variabel koppel (koppel $\propto$ snelheid$^2$) | Maximale energiebesparingen (affiniteitswet) |
| Materiaalbehandeling | Transportbanden, extruders, mixers | Constant koppel (koppel is vast) | Nauwkeurige snelheids-/positiecontrole |
| Werktuigmachines | Draaibanken, molens, spindels | Constant vermogen (koppel omgekeerd $\propto$ snelheid) | Groot snelheidsbereik voor bewerking |
Praktische overwegingen bij VFD-selectie en installatie
Een juiste selectie en installatie zijn van cruciaal belang om de volledige voordelen van een VFD te kunnen benutten. Belangrijke overwegingen zijn onder meer omgevingsomstandigheden, motorcompatibiliteit en het beperken van potentiële problemen met de netvoedingskwaliteit.
Grootte, behuizingen en omgevingsfactoren
De VFD moet de juiste afmetingen hebben voor de vollaststroom (FLA) van de motor, en vaak iets te groot voor toepassingen met veeleisende bedrijfscycli of hoge startkoppelvereisten. Het behuizingstype moet geschikt zijn voor de omgeving, variërend van NEMA 1 (algemeen gebruik, binnen) tot NEMA 4X (corrosiebestendig, buiten/washdown). De VFD genereert warmte, dus voldoende koelruimte en regeling van de omgevingstemperatuur zijn vereist voor een betrouwbare werking.
Vermindering van de stroomkwaliteit en harmonische problemen
Het gelijkrichtergedeelte van de VFD trekt stroom in korte pulsen met een hoge amplitude, die harmonische vervorming terug in de elektrische voedingslijn kunnen introduceren. Dit kan andere gevoelige apparatuur negatief beïnvloeden. Praktische mitigatiestrategieën omvatten:
- EENdding AC Line Reactors on the input side to smooth the incoming current and reduce harmonic content.
- DC-link-smoorspoelen installeren tussen de gelijkrichter en de condensatorbank om harmonischen te verminderen en de stabiliteit van de DC-bus te verbeteren.
- Het gebruik van Active Front End (AFE) VFD's of 18-pulsgelijkrichters voor toepassingen waarbij een zeer lage totale harmonische vervorming (THD) van cruciaal belang is, hoewel deze opties de initiële kapitaalkosten verhogen.
EENdditionally, the high-speed switching of the IGBTs can generate voltage spikes, which may damage the motor windings over time. For longer motor lead lengths (typically over 50 feet), the installation of load reactors or output filters is highly recommended to protect the motor insulation.
