1. Inleiding tot frequentieregelaars (variabele frequentieregelaars) Op het gebied van moderne industriële controle en......
LEES MEEREen variabele frequentieaandrijving (VFD) is een elektronische controller die de snelheid van een AC-elektromotor aanpast door de frequentie en spanning van de geleverde stroom te variëren. In plaats van een motor te laten draaien op een vaste snelheid die wordt bepaald door de lijnfrequentie (meestal 50 Hz of 60 Hz, afhankelijk van het land), zorgt een VFD ervoor dat de motor precies op de snelheid kan draaien die de toepassing op een bepaald moment nodig heeft. Deze ogenschijnlijk eenvoudige mogelijkheid heeft diepgaande gevolgen voor het energieverbruik, mechanische slijtage, procescontrole en operationele flexibiliteit in vrijwel elke industrie die gebruik maakt van elektromotoren.
Om te begrijpen waarom dit belangrijk is, kunnen we een pomp overwegen die vloeistof door een pijp beweegt. Een motor die op vaste volle snelheid draait, levert een maximale stroom, ongeacht of de maximale stroom daadwerkelijk nodig is. Historisch gezien was de enige manier om de stroom te verminderen het gedeeltelijk sluiten van een klep, waardoor de energie werd verspild die nog steeds werd verbruikt om vloeistof tegen de restrictie te duwen. Een VFD lost dit op door de motor simpelweg te vertragen als er minder vermogen nodig is. Omdat het stroomverbruik in centrifugaalbelastingen zoals pompen en ventilatoren de kubuswet volgt, waardoor het motortoerental met slechts 1,5% wordt verlaagd 20% verlaagt het energieverbruik met ongeveer 49% . Die relatie is de belangrijkste reden waarom VFD's zo snel rendement genereren op investeringen in toepassingen met variabele belasting.
VFD's zijn ook bekend onder verschillende andere namen, afhankelijk van de branche en regio: aandrijvingen met variabele snelheid (VSD's) , frequentieomvormers (AFD's) , inverter-aandrijvingen , en AC-aandrijvingen ze verwijzen allemaal naar in wezen dezelfde technologie. In sommige contexten wordt de term "omvormer" specifiek gebruikt - een verwijzing naar de laatste fase van het interne stroomconversieproces van de VFD.
Begrijpen wat er gebeurt in een variabele frequentie aandrijving maakt duidelijk waarom het presteert zoals het doet – en waarom er bepaalde installatie- en beschermingsvereisten bestaan. Het conversieproces vindt plaats in drie verschillende fasen: rectificatie, DC-busfiltering en inversie.
Inkomende wisselstroom uit de voeding (eenfasig of driefasig) komt eerst in het gelijkrichtergedeelte. De gelijkrichter zet wisselspanning om in gelijkspanning met behulp van een diodebrug of, in meer geavanceerde aandrijvingen, een set gecontroleerde thyristors of IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistors). Een standaard diodegelijkrichter met zes pulsen is de meest voorkomende configuratie in industriële VFD's. De uitgang van de gelijkrichter is een pulserende gelijkspanning die nog steeds een aanzienlijke AC-rimpelcomponent bevat.
De pulserende gelijkstroom van de gelijkrichter gaat door een gelijkstroombus – in wezen een reeks grote condensatoren en soms inductoren – die de spanning afvlakt tot een stabiel gelijkstroomniveau. Deze tussenliggende DC-bus bevindt zich doorgaans op ongeveer 1,35 keer de inkomende lijn-tot-lijn RMS-spanning : ongeveer 650–700V DC voor een 480V AC-voeding, of 270–310V DC voor een 230V AC-voeding. De DC-bus dient ook als energieopslagbuffer en absorbeert de regeneratieve energie die wordt geproduceerd wanneer de motor vertraagt. Bij aandrijvingen zonder remweerstand of regeneratief front-end moet deze energie worden afgevoerd. Daarom zijn remweerstanden vereist in toepassingen met belastingen met een hoge traagheid die regelmatig stoppen.
Het invertergedeelte zet de stabiele gelijkspanning weer om in een synthetische AC-uitgang met variabele frequentie en amplitude. Moderne VFD's bereiken dit met behulp van IGBT-schakeltransistoren die worden bestuurd door Pulse Length Modulation (PWM). De IGBT's schakelen doorgaans met hoge frequentie in en uit 2 tot 16 kHz — het creëren van een reeks pulsen waarvan de breedte varieert in een patroon dat, wanneer het in de loop van de tijd wordt geïntegreerd, een sinusoïdale golfvorm met de gewenste frequentie en spanning produceert. Door het PWM-patroon aan te passen kan de frequentieregelaar uitgangsfrequenties produceren van bijna nul tot 400 Hz of meer, overeenkomend met motorsnelheden van vrijwel gestopt tot meerdere keren de basissnelheid. De inductantie van de motor fungeert als een natuurlijk filter en zet de PWM-pulstrein om in een soepele sinusoïdale stroom door de motorwikkelingen.
Niet alle VFD's zijn op dezelfde manier ontworpen. Verschillende schijftopologieën zijn geoptimaliseerd voor specifieke toepassingsvereisten, vermogensbereiken en operationele omgevingen. Als u het verkeerde type voor de toepassing selecteert, ontstaan er problemen die niet alleen door parameteraanpassing kunnen worden verholpen.
VSI-drives – waartoe de overgrote meerderheid van de huidige VFD’s voor algemeen gebruik behoren – regelen de spanning op de DC-bus en gebruiken PWM om een AC-uitgang met variabele frequentie te genereren. Ze zijn veelzijdig, kosteneffectief en verkrijgbaar in een vermogensbereik van een fractie van een paar pk tot enkele megawatt. VSI-aandrijvingen zijn geschikt voor de meeste pomp-, ventilator-, transportband- en compressortoepassingen. Hun belangrijkste beperking is dat ze een niet-sinusvormige output produceren die extra verwarming in de motorwikkelingen kan veroorzaken - vooral relevant voor oudere motoren die niet zijn ontworpen met een inverter-belasting.
CSI-drives regelen de stroom in plaats van de spanning op de DC-bus. Ze zijn van nature in staat tot regeneratief remmen – het teruggeven van remenergie aan het elektriciteitsnet – zonder extra hardware. CSI-schijven worden doorgaans gebruikt in bovengenoemde toepassingen met hoog vermogen 500 kW , zoals grote compressoren, mijnliften en industriële molens, waar hun vermogen om zeer grote motorstromen aan te kunnen en op economische wijze energie te regenereren hun hogere kosten en grotere fysieke voetafdruk rechtvaardigt.
DTC is eerder een besturingsalgoritme dan een afzonderlijke hardwaretopologie, maar vertegenwoordigt een betekenisvol categorieonderscheid bij de schijfselectie. In plaats van het motortoerental te regelen door de uitgangsfrequentie en de spanning aan te passen via een vast PWM-patroon, schatten DTC-aandrijvingen continu de motorflux en het koppel in realtime en passen ze de omvormerschakeling direct aan om deze grootheden te regelen. Het resultaat is een extreem snelle koppelrespons. De DTC-implementatie van ABB bereikt koppelresponstijden onder 2 milliseconden — en nauwkeurige snelheidsregeling zonder de noodzaak van een encoder op de motoras. DTC-aandrijvingen worden gebruikt in veeleisende toepassingen, waaronder papiermachines, kranen en wikkelapparatuur, waarbij koppelprecisie en dynamische respons van cruciaal belang zijn.
Standaard VFD's dissiperen remenergie als warmte via een remweerstand. Regeneratieve aandrijvingen gebruiken een actieve front-end gelijkrichter die deze energie als bruikbare wisselstroom aan het elektriciteitsnet kan teruggeven. In toepassingen waarbij de motor vaak zware lasten vertraagt (liften, testbanken op rollenbanken, transportbanden voor afdalingen) kan de energie die verloren gaat als warmte in plaats daarvan 15 tot 40% van het totale energieverbruik van de aandrijving , waardoor regeneratieve aandrijvingen ondanks hun hogere initiële kosten economisch aantrekkelijk zijn.
| VFD-type | Typisch vermogensbereik | Belangrijkste voordeel | Beste applicatie |
|---|---|---|---|
| Spanningsbronomvormer (VSI) | 0,1 kW – 2 MW | Kosteneffectief, veelzijdig | Pompen, ventilatoren, transportbanden, HVAC |
| Stroombronomvormer (CSI) | 500 kW – 100 MW | Inheemse regeneratie, hoog vermogen | Grote compressoren, mijnliften |
| Directe koppelregeling (DTC) | 0,5 kW – 5 MW | Snelle koppelrespons, geen encoder nodig | Kranen, wikkelaars, papiermachines |
| Regeneratieve actieve front-end | 7,5 kW – 1 MW | Geeft remenergie terug aan het elektriciteitsnet | Liften, testopstellingen, transportbanden voor afdalingen |
VFD's worden in een enorm scala aan industrieën en toepassingen geïnstalleerd, maar hun waarde is niet voor alle sectoren hetzelfde. De sterkste gevallen voor de inzet van VFD delen specifieke kenmerken: variabele belastingvraag, hoge jaarlijkse bedrijfsuren en centrifugale of variabele koppelbelastingsprofielen.
Verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsystemen vertegenwoordigen wereldwijd het grootste toepassingssegment voor VFD's. Toevoerluchtventilatoren, retourluchtventilatoren, gekoeldwaterpompen, condensorwaterpompen en koeltorenventilatoren werken allemaal als centrifugaaltoepassingen met variabele belasting. Het HVAC-systeem van een commercieel gebouw vereist zelden de volledige ontwerpcapaciteit; het kan zijn dat er sprake is van alleen werking op volle belasting 1 tot 5% van de jaarlijkse bedrijfsuren . VFD's op HVAC-ventilatoren en -pompen verminderen doorgaans het jaarlijkse energieverbruik voor die motoren met 30 tot 60% vergeleken met werking met vaste snelheid met demper of klepsmoring. De terugverdientijden bij commerciële HVAC-retrofits liggen doorgaans tussen de 1,5 en 3 jaar.
Gemeentelijke waterdistributiesystemen gebruiken VFD's op boosterpompstations om een constante systeemdruk te handhaven, ongeacht de vraagschommelingen gedurende de dag. Zonder aandrijvingen draaien pompen met een vaste snelheid aan en uit om de druk op peil te houden, waardoor waterslag, versnelde klepslijtage en druktransiënten ontstaan die de leidinginfrastructuur onder druk zetten. Een VFD-gestuurde pomp die continu op variabele snelheid draait, handhaaft een stabielere druk, elimineert waterslag en reduceert het aantal motorstarts van mogelijk honderden per dag tot een continue werkingscyclus op lage snelheid. Ook ventilatoren voor afvalwaterbeluchting profiteren aanzienlijk: de beluchting vertegenwoordigt ongeveer 50 tot 60% van het totale energiebudget van een afvalwaterzuiveringsinstallatie , en VFD control of blowers to match dissolved oxygen demand rather than running at fixed output generates substantial utility savings.
In de productie zorgen VFD's voor nauwkeurige snelheidsregeling voor transportbanden, mixers, extruders en spindels van werktuigmachines. Een transportband van een verpakkingslijn die draait met een snelheid die precies is afgestemd op de stroomopwaartse procesoutput, vermijdt ophoping van producten en vermindert de mechanische spanning op de transportbandstructuur. Met extruderschroeven die worden aangestuurd door VFD's kunnen processors exacte uitvoersnelheden instellen en in realtime reageren op veranderingen in de materiaalviscositeit. In de textielindustrie vereisen vezelverwerkingsmachines snelheidscoördinatie over meerdere assen; VFD's die zijn aangesloten op een toezichthoudend controlesysteem handhaven de precieze snelheidsverhoudingen die de vezelspanning en -kwaliteit bepalen.
Elektrische dompelpompen (ESP's) die bij de productie van oliebronnen worden gebruikt, werken onder zeer variabele omstandigheden, omdat de reservoirdruk en de vloeistofsamenstelling veranderen gedurende de productielevensduur van de put. VFD-regeling van ESP's maakt het mogelijk de productie continu te optimaliseren in plaats van een uitvoer met een vaste snelheid te accepteren die over- of onderpompen kan veroorzaken ten opzichte van de instroom in het reservoir. Op pijpleidingcompressorstations zorgen aandrijvingen met variabele snelheid op gascompressoren ervoor dat de persdruk nauwkeurig kan worden gehandhaafd onder variërende inlaatomstandigheden en stroomvereisten, waardoor mechanische smoring wordt vervangen die compressie-energie verspilt en de onderhoudskosten van de kleppen verhoogt.
De business case voor een VFD-investering moet vóór de aankoop worden gekwantificeerd en mag niet worden aangenomen. De berekening is eenvoudig voor centrifugale belastingen en vereist slechts een paar bekende waarden: nominaal motorvermogen, jaarlijkse bedrijfsuren, gemiddeld belastingsprofiel en lokale elektriciteitskosten.
Voor een centrifugaalpomp of ventilator beschrijven de affiniteitswetten nauwkeurig de relatie tussen snelheid en energieverbruik:
Als uitgewerkt voorbeeld: een centrifugaalpompmotor van 75 kW die 6.000 uur per jaar draait op een gemiddeld toerental van 80% verbruikt ongeveer 75 × (0,8)³ × 6.000 = 230.400 kWh per jaar , vergeleken met 75 × 6.000 = 450.000 kWh per jaar op vaste volle snelheid. Bij een elektriciteitstarief van $ 0,10/kWh bedraagt de jaarlijkse besparing ongeveer $ 21.960 . Als de VFD €8.000,- kost als hij geïnstalleerd is, bedraagt de eenvoudige terugverdientijd minder dan 4,5 maanden – een rendement dat vrijwel geen enkele andere kapitaalinvestering in een industriële omgeving kan evenaren.
Voor belastingen met een constant koppel, zoals transportbanden en verdringerpompen, is de kubieke relatie niet van toepassing: het vermogen schaalt meer lineair met de snelheid. VFD's leveren nog steeds waarde in deze toepassingen door zachte start, procesprecisie en verminderde mechanische slijtage, maar de berekening van de energiebesparing moet de werkelijke belastingskarakteristiek weerspiegelen in plaats van uit te gaan van centrifugaalgedrag.
Het selecteren van een frequentieregelaar houdt meer in dan alleen het afstemmen van het kilowatt- of paardenvermogen van de motor. Een schijf die correct is gespecificeerd voor de toepassing, zal tientallen jaren betrouwbaar presteren; een verkeerd gespecificeerd exemplaar kan voortijdig defect raken, bij normaal gebruik door fouten struikelen of motorschade veroorzaken. De volgende parameters moeten worden bevestigd voordat u bestelt.
Maat een VFD altijd op basis van zijn afmetingen uitgangsstroom in ampère , niet alleen in kilowatt of paardenkracht. De vollaststroomsterkte (FLA) op het typeplaatje van de motor moet op of onder de continue uitgangsstroom van de VFD vallen. Voor toepassingen waarbij een hoog startkoppel nodig is of frequente acceleratiecycli, kijkt u naar de overbelastingsstroom van de frequentieregelaar – meestal uitgedrukt als een percentage van de continue waarde voor een gedefinieerde duur, zoals 150% gedurende 60 seconden . Toepassingen die een zeer hoog startkoppel vereisen (brekers, belaste transportbanden) hebben mogelijk een aandrijving nodig die geschikt is voor zware bedrijfscycli met 150-200% overbelasting in plaats van normale bedrijfscycli.
Bevestig de beschikbare voedingsspanning en het aantal fasen op het installatiepunt: eenfasige 120V, eenfasige 230V, driefasige 230V, driefasige 460/480V of driefasige 575/600V zijn de meest voorkomende in Noord-Amerikaanse installaties. Europese en Aziatische installaties maken voornamelijk gebruik van 400V of 415V driefasig. Er zijn enkelfasige ingangsaandrijvingen beschikbaar tot ongeveer 4 kW (5 pk) — boven dit vermogensniveau is driefasige voeding vereist. Het bedienen van een driefasige VFD vanuit eenfasige voeding door slechts twee ingangsklemmen aan te sluiten is mogelijk als tijdelijke maatregel, maar resulteert in een aanzienlijke DC-busrimpeling, verminderde uitgangscapaciteit en versnelde degradatie van de condensator - het is geen aanbevolen praktijk voor de lange termijn.
De classificaties van de VFD-behuizing moeten overeenkomen met de installatieomgeving. IP20- of NEMA 1-behuizingen (geventileerd, vingerveilig) zijn geschikt voor schone, klimaatgecontroleerde elektrische ruimtes. IP54 of NEMA 12 (stofdicht, spatwaterdicht) is nodig voor industriële vloeren met verontreinigingen in de lucht. IP55 of NEMA 4 (wasbestendig) is vereist in voedselverwerkings-, farmaceutische en buitentoepassingen waarbij de frequentieregelaar kan worden blootgesteld aan directe waternevel. Het installeren van een IP20-schijf in een stoffige of natte omgeving is een van de meest voorkomende oorzaken van voortijdige schijfstoringen; het kostenverschil tussen de behuizingsclassificaties is verwaarloosbaar vergeleken met de kosten van schijfvervanging en productie-uitval.
Lange motorkabels tussen een VFD en de motor veroorzaken spanningsreflectieverschijnselen bij de motorklemmen. Snel stijgende PWM-spanningspulsen weerkaatsen op de discontinuïteit van de kabel-motorimpedantie en kunnen piekspanningen produceren bij de motorklemmen die aanzienlijk hoger zijn dan de DC-busspanning van de omvormer. Als algemene richtlijn geldt dat wanneer de motorkabel langer is dan 50 meter (ongeveer 150 voet) moet er een uitgangs-dV/dt-filter of sinusgolffilter worden geïnstalleerd tussen de omvormer en de motor om de isolatie van de motorwikkelingen te beschermen. Dit is vooral belangrijk voor oudere motoren die niet geschikt zijn voor gebruik door omvormers en die een dunnere wikkelingsisolatie hebben dan moderne ontwerpen met omvormer-classificatie.
Zelfs goed gespecificeerde en correct geïnstalleerde schijven ondervinden operationele problemen. De meeste fouten zijn herhaalbaar en kunnen worden gediagnosticeerd op basis van het foutgeschiedenislogboek van de frequentieregelaar, gecombineerd met kennis van de toepassingsomstandigheden op het moment van de fout.
Overstroomtrips treden op wanneer de motor meer stroom trekt dan de overstroomdrempel van de frequentieregelaar, doorgaans ingesteld op 150–200% van de nominale stroom. De meest voorkomende oorzaken zijn de acceleratie-aanlooptijden die te kort zijn ingesteld voor de traagheid van de aangesloten belasting, mechanische vastlopen of vastlopen in de aangedreven apparatuur, onjuiste motorparameters die in de frequentieregelaar zijn geprogrammeerd, of een defecte motor met kortgesloten windingen die overmatige stroom trekt. Controleer de tijdstempel van het foutenlogboek aan de hand van de procesomstandigheden, verifieer de instellingen van de acceleratiehelling aan de hand van de werkelijke traagheidsvereisten van de belasting en controleer of de parameters op het typeplaatje van de motor correct zijn ingevoerd in de configuratie van de omvormer.
Wanneer een motor vertraagt, fungeert deze als een generator en duwt hij energie terug naar de DC-bus van de VFD. Als de vertragingssnelheid hoger is dan de DC-buscondensatoren kunnen absorberen of de remweerstand kan dissiperen, stijgt de DC-busspanning totdat de frequentieregelaar uitschakelt vanwege overspanning. De oplossing is meestal het verlengen van de vertragingstijd, het verifiëren dat een remweerstand met de juiste afmetingen is geïnstalleerd en functioneert, of het upgraden naar een regeneratieve aandrijving als frequente snelle vertraging van belastingen met hoge traagheid een inherente toepassingsvereiste is.
VFD's genereren doorgaans warmte uit schakelverliezen in de IGBT-omvormerfase 3 tot 5% van het nominale doorvoervermogen als warmte. Deze warmte moet worden afgevoerd door het koelsysteem van de schijf, dat bestaat uit interne koellichamen en geforceerde koelventilatoren. Overtemperatuurfouten geven aan dat de interne temperatuur van de drive de veilige bedrijfsdrempel heeft overschreden. Veelvoorkomende oorzaken zijn onder meer geblokkeerde ventilatieopeningen of door stof verstopte koelribben, de omgevingstemperatuur in de behuizing die het nominale maximum van de schijf overschrijdt (doorgaans 40–50 °C), onvoldoende ventilatie in een afgesloten behuizing of een defecte interne koelventilator. Regelmatig reinigen van de koelribben van het koellichaam en het verifiëren van de adequate ventilatie van de behuizing voorkomen de meeste fouten door oververhitting.
Aardfouttrips geven aan dat er stroom van een of meer motorfasen naar de aarde vloeit, meestal door een slechte isolatie van de motorwikkelingen of een beschadigde motorkabel. Omdat de VFD-uitvoer hoogfrequente PWM-componenten bevat, is de lekstroom door de kabelcapaciteit naar aarde inherent en neemt deze toe met de kabellengte. Omvormers die zijn ingesteld met zeer gevoelige aardfoutdrempels kunnen hinderlijk uitschakelen vanwege deze lekstroom in installaties met lange motorkabels. Als een aardfouttrip niet kan worden gecorreleerd met daadwerkelijke isolatiefout, controleer dan de aardfoutgevoeligheidsinstelling van de omvormer en verifieer de motorisolatieweerstand met een megohmmeter (minimaal 1 MΩ bij 500V DC is een standaard acceptatiedrempel voor motoren in VFD-service).
Het merendeel van de VFD-veldproblemen (hinderlijke storingen, voortijdige storingen, interferentie met apparatuur in de buurt) is eerder te wijten aan installatiefouten dan aan schijfdefecten. Door de vastgestelde installatierichtlijnen te volgen, worden de meeste van deze problemen geëlimineerd voordat ze zich voordoen.