Als je een beginner bent die net iets over elektromotoren leert, heb je de term 'VFD' misschien al vaak gehoord. Maar wat een VFD is en hoe deze werkt, de soorten VFD, de voor- en nadelen van VFD en de gerelateerde toepassingen van VFD zijn de basisprincipes van VFD die u misschien niet zo goed kent, en dit artikel is zeer geschikt voor een beginner.
What is a VFD?
Een VFD of frequentieregelaar is een soort elektronisch apparaat dat wordt gebruikt om een AC-inductie- of synchrone motor te besturen door de frequentie en spanning van de voeding te variëren om de motor aan te drijven. Ondanks het feit dat de frequentieregelaar de frequentie en spanning regelt die aan de motor worden geleverd, noemen we dit meestal snelheidsregeling omdat het resultaat een aanpassing van de snelheid van de motor is. Andere namen voor VFD zijn: frequentieregelaar, frequentieregelaar, variabele spanning/frequentieregelaar, AC-aandrijving, microdrive, omvormer, frequentieregelaar.
Een aandrijving met variabele frequentie is een apparaat dat wordt gebruikt in een aandrijfsysteem dat bestaat uit drie hoofdsubsystemen: de AC-motor, de hoofdaandrijvingscontroller en de aandrijving/operatorinterface.
- Een wisselstroommotor, meestal een driefasige inductiemotor, maar soms ook een enkelfasige of synchrone motor.
- Een hoofdaandrijvingscontroller, die gebruik maakt van een solid-state vermogenselektronisch conversiesysteem, bestaande uit drie verschillende subsystemen: een gelijkrichtbrugomzetter, een DC-link en een omvormer.
- Een monitoring- en besturingsinterface, die de operator of PLC de middelen biedt om de motor te starten en stoppen, de snelheid aan te passen, van richting te veranderen, enz. De interface biedt ook informatie over de bediening van de motor, de gezondheid van de aandrijving, enz. Communicatie met een PLC kan tot stand worden gebracht via een aantal seriële communicatieprotocollen of via ouderwetse relaisingangen en -uitgangen gecombineerd met analoge signalen van 4-20 mA of 0-10 V.
Hoe werkt een VFD?
Om te begrijpen hoe een VFD werkt, zal ik vervolgens de vier belangrijkste onderdelen van een VFD uitleggen: gelijkrichter, DC-bus/DC-link, omvormer en stuurcircuit.
1. Gelijkrichter
Het converteert de AC-ingang van de hoofdvoeding naar DC. Dit onderdeel kan unidirectioneel of bidirectioneel zijn, afhankelijk van de gebruikte toepassing, zoals de vierkwadrantwerking van een motor. Het maakt gebruik van diodes, thyristors, transistors en andere elektronische schakelapparaten.
2. DC-bus/DC-link
De DC-link slaat het vermogen op dat door de gelijkrichter wordt omgezet, waardoor rimpelingen uit de pulserende DC-uitgang van de gelijkrichter worden verwijderd en een gelijkmatige gelijkspanning wordt geleverd. Het bestaat voornamelijk uit condensatoren om de rimpelingen uit de pulserende gelijkstroom te filteren en op te slaan. Het kan ook een inductor bevatten, afhankelijk van het type rimpelingen.
3. Omvormer
Dit onderdeel bestaat uit elektronische schakelaars, zoals transistors, thyristors, IGBT's, enz. Het ontvangt een constante gelijkstroom van de DC-tussenkring en zet deze om in een wisselstroom met instelbare frequentie, die vervolgens aan de motor wordt geleverd. Het maakt gebruik van modulatietechnieken zoals pulsbreedtemodulatie om de uitgangsfrequentie te variëren en zo de snelheid van de inductiemotor te regelen.
4. Controlecircuit
Het bestaat uit een microprocessoreenheid. Het zendt signalen naar de gelijkrichter, DC-bus en omvormer, en ontvangt ook signalen van deze onderdelen. Het gebruikt de signalen om de halfgeleiderapparaten van de omvormer in en uit te schakelen, levert verschillende besturingssignalen om de omvormer te bedienen en bewaakt de bedrijfsstatus van de omvormer om beveiligingsfuncties te bieden.
Types of VFD
Er zijn twee hoofdtypen frequentieregelaars op de markt: mechanische en elektrische.
Soorten mechanische VFD's
1. Variabele pitch-aandrijving
Deze VFD is een riem- en katrolaandrijving, waarbij de steekdiameter van één of beide katrollen kan worden aangepast aan specifieke vereisten. Dit mechanisme legt een meervoudige verhouding op, wat uiteindelijk resulteert in een variabele uitvoersnelheid.
2. Tractieaandrijving
In deze VFD is de diameter van het contactpad dat bij de twee bijpassende metalen rollen hoort, instelbaar, wat een meervoudige verhouding oplevert en dus een variabele uitvoersnelheid.
3. Hydrostatische aandrijving
Deze VFD bestaat uit een hydraulische pomp en motor met positieve verplaatsing. Het volume vloeistofuitvoer van de pomp wordt gevarieerd met behulp van kleppen of door de verplaatsing te veranderen.
4. Hydraulische hydro-viskeuze aandrijving
In deze VFD wordt een aantal schijven op de ingaande as tegen een overeenkomstig aantal schijven op de uitgaande as gedrukt. Tussen deze schijven zit een dun laagje olie. Door de druk van de samengedrukte schijven te veranderen, kan de koppeloverdracht worden gewijzigd, waardoor een werking met variabele snelheid wordt bereikt.
5. Hydraulische hydrodynamische aandrijving of vloeistofkoppeling
In deze VFD zijn de twee waaiers aan elkaar gekoppeld met behulp van hydraulische vloeistof. Door het volume van de vloeistof te veranderen, kan de mate van koppeling van primair naar output worden gevarieerd, wat resulteert in variabele snelheden. Het is de meest gebruikte mechanische VFD in de industrie.
Soorten elektrische aandrijvingen
Wervelstroomkoppeling
Deze VFD bestaat tussen een motor met vast toerental en de toepassing die door de motor wordt aangedreven. Het bestaat uit een rotor met vaste snelheid en een rotor met variabele snelheid met een kleine luchtspleet ertussen. Op één van de rotoren is een bekrachtigingswikkeling aangebracht om een magnetisch veld te creëren dat de rotoren aan elkaar koppelt en het overgedragen koppel bepaalt.
DC-schijven
Een DC-drive omvat een DC-omzetter die de geleverde AC-stroom omzet in een DC-spanning van variabele grootte en deze levert aan de ankerwikkeling van een DC-motor. DC-drives maken doorgaans gebruik van thyristortechnologie en kunnen worden gebruikt in alle bovengenoemde toepassingen in niet-gevaarlijke omgevingen.
AC-schijven
Er zijn drie hoofdtypen VFD's, die allemaal AC-invoer naar DC omzetten en vervolgens de DC naar variabele AC-uitvoer veranderen met behulp van een omvormer.
- Directe conversie: Dit type omvat cyclo-converters en andere matrixtopologieën waarbij de ingangs-AC in één fase wordt geconverteerd naar variabele AC. Deze VFD's zijn meestal cyclo-converters die synchrone motoren besturen met borstel- of borstelloze excitatie. Deze VFD's worden gebruikt in toepassingen waarbij het motortoerental laag is en de koppelvereiste hoog.
- Huidige bron: Het gedraagt zich als een constante stroomgenerator en produceert een bijna vierkante stroomgolf. De huidige bron-VFD voor het aansturen van synchrone motoren wordt ook wel een Load Commutated Inverter (LCI) VFD genoemd en maakt doorgaans gebruik van thyristortechnologie. De respons is veel langzamer vanwege de inductieve bron, dus hij is alleen geschikt voor ventilator- en pompbelastingen.
- Voltage source: Bij een VSI-aandrijving slaat de DC-uitgang van een diodebrugomzetter energie op in een condensatorbus om een stijve spanningsingang aan de omvormer te leveren. VSI-aandrijvingen werken met zowel inductie- als synchrone motoren. Spanningsbronomvormers zijn de enige keuze voor aandrijvingen boven een bepaald nominaal vermogen. De overgrote meerderheid van de aandrijvingen is van het VSI-type met PWM-spanningsuitgang. Momenteel zijn de meest voorkomende elektrische VFD's die in de industrie worden gebruikt AC-omvormers die gebruik maken van het type spanningsbronomvormer (VSI).
Voordelen van VFD
Energie & Besparing op energiekosten
Motorsystemen verbruiken meer dan 65% van de elektriciteit die tegenwoordig in de industrie wordt verbruikt. Het optimaliseren van motorbesturingssystemen met behulp van VFD's kan leiden tot een aanzienlijke vermindering van het energieverbruik van apparatuur. Vooral bij pompen, ventilatoren en compressoren kunnen VFD's aanzienlijke besparingen op de energiekosten realiseren.
Efficiënte en soepele bediening
Door de motor op de meest efficiënte snelheid te regelen, worden fouten verminderd. VFD maakt een soepelere band- en transportbandbeweging mogelijk, waardoor trillingen bij het opstarten worden geëlimineerd en de thermische en mechanische belasting op de motor en riemaandrijving worden verminderd.
Hoge arbeidsfactor
De arbeidsfactorcorrectiecircuits die in de DC-link van de VFD zijn ingebouwd, verminderen de behoefte aan extra arbeidsfactorcorrectieapparatuur. Dit elimineert de noodzaak voor extra dure condensatorbanken.
Een typische AC-motor kan een vermogensfactor bij volledige belasting hebben tussen 0,7 en 0,8. Naarmate de motorbelasting afneemt, wordt de arbeidsfactor lager. Vooral bij onbelaste toepassingen hebben inductiemotoren een zeer lage vermogensfactor. Een lage arbeidsfactor veroorzaakt een laag energieverbruik als gevolg van hoge reactieve vermogensverliezen.
Verleng de levensduur van apparatuur en verminder het onderhoud
VFD biedt een betere bescherming van uw motor tegen problemen zoals elektrische overbelasting, fasebeveiliging, onderspanning, overspanning, enz. vanwege de geoptimaliseerde regeling van de motorfrequentie en -spanning. Het gebruik van een VFD om een belasting te starten beschermt de motor of de aangedreven belasting tegen de "onmiddellijke schok" bij starten over de hele lijn. Een soepele start elimineert veel slijtage van de riem, tandwielen en lagers. Een bijkomend voordeel is de vermindering of eliminatie van waterslag door soepele acceleratie- en vertragingscycli. Dit kan helpen de levensduur van de apparatuur te verlengen en de uitvaltijd als gevolg van onderhoud te minimaliseren.
Nadelen van VFD
- De initiële kosten van een VFD zijn doorgaans hoger dan die van andere apparaten met variabele snelheidsregeling.
- De gebruikersinterface van een VFD is nog steeds complexer dan die van een cross-line starter.
- Geïnduceerde harmonischen:Een aandrijving met variabele snelheid is een niet-lineaire belasting die harmonischen in de stroomlijn induceert. VFD's, vooral aandrijvingen met een hoog vermogen, hebben harmonische filters op hun lijnen nodig, zodat deze vervorming niet wordt doorgegeven aan potentieel gevoelige elektrische apparatuur.
Toepassingen van VFD
In feite is er geen toepassing waarvoor een AC-motor niet geschikt is voor VFD-werking. Als de VFD veel voordelen biedt voor een specifieke toepassing en de kosten redelijk zijn, dan is de VFD-toepassing acceptabel.
Het gebruik van VFD's in HVAC-ventilator- en pomptoepassingen kan energie en energiekosten besparen, en kan in industriële toepassingen de motorkoppel- en snelheidsregeling verbeteren, evenals de motorbescherming verbeteren.
