Frequentieomvormers
Een frequentieregelaar of frequentieomvormer of kortweg drive in het jargon is een elektronische schakeling in staat de frequentie van een aangeboden signaal te veranderen terwijl de spanning mee varieert en het koppel behouden blijft. Frequentieregelaars worden meestal gebruikt om de snelheid van een driefasige asynchrone motor te regelen door de frequentie van het draaiveld te veranderen. Ook als aanloopinrichting kan de regelaar toegepast worden.
Het principe waarop men werkt is de frequentie aanpassen om de snelheid te regelen:
Waarbij:
- nr = Rotorsnelheid dus de snelheid van de motoras
- ns = Statorveldsnelheid, deze wordt nu opgedrongen door de frequentieregelaar
- g = De slip (snelheidsverschil tussen stator en rotor om koppel te produceren)
- f1 = De nieuwe frequentie door de frequentieregelaar
- p = Aantal poolparen, een constante dus (conventioneel is dit 2, dus bij een 4-polige motor)
De Engelse benamingen frequency converter, frequency controller of power inverter worden ook wel gebruikt.
Inhoud |
Werking
Het hart van de frequentieregelaar is een DC-AC-inverter (chopper). Dit component voorziet door middel van het in- en uitschakelen van de aangeboden voedingsspanning in een frequentie geregeld uitgangssignaal. De gewenste frequentie van het uitgangssignaal wordt benaderd doordat de schakelfrequentie (of modulatiefrequentie) veel hoger ligt dan de uitgangsfrequentie. Een microcontroller stuurt de schakelaars aan, waardoor een pulsbreedte gemoduleerd signaal wordt verkregen. Deze uitgangsspanning is een iets vervormde wisselspanning die zeer goed de basissinusvorm benadert. De afwijkingen worden omgezet in harmonische die zorgen voor een storend EMI veld rond de drive. Dit veld kan door verschillende filters worden beperkt.
De chopper heeft als voedingsspanning een gelijkspanning nodig, hiervoor wordt de aangeboden wisselspanning gelijkgericht. In de meest eenvoudigste vorm is dit een diodebrug.
Frequentieregelaars worden aangestuurd door de gewenste koppel, snelheid of positie die als wenswaarde aan de microcontroller wordt aangeboden. De microcontroller stuurt nu de inverter (meestal IGBT's) aan zodat er een bepaalde uitgangsspanning met een bepaalde frequentie gerealiseerd wordt.
Frequentieregelaars zijn voorhanden in verschillende aanstuurmodes, Open Loop, Closed Loop, Servo maar bijvoorbeeld ook regenererend, om de door remmende motoren teruggeleverde energie terug in het net te voeden.
Open Loop
Open loop regeling bestaat uit het aanbieden van een spanning + frequentie aan de motor waarop de motor zal gaan draaien overeenkomstig de aangeboden frequentie. Omdat hierbij geen terugkoppeling is zal de motorsnelheid niet altijd exact overeenkomen met de frequentie. Ook is in het lage frequentiegebied niet volledig koppel aanwezig en kan dit bij toepassingen met een groot aanloopkoppel ervoor zorgen dat de machine niet in beweging komt. Deze regeling wordt gebruikt voor eenvoudige toepassingen zonder de voorwaarden van exacte snelheid / koppel.
Closed Loop
Deze regeling gaat op dezelfde manier te werk als open loop echter wordt met een snelheidsmeting op de motor ervoor gezorgd dat de snelheid binnen bepaalde grenzen wordt geregeld. Zo kan er een nauwkeurige snelheid en koppelregeling worden uitgevoerd op de motor. Deze regeling wordt voornamelijk gebruikt in toepassingen waarin snelheid en/of positie precies geregeld en bewaakt moeten kunnen worden.
Servo
Een servoregeling is ook een closed loop regeling, de motoren zijn echter anders. Een moderne AC servo heeft een magnetisch anker en is dynamischer dan een standaard draaistroommotor.
Bij een cycloconverter wordt de wisselspanning niet eerst omgezet in een gelijkspanning. Dit is dus een directe omzetting.
1-fase frequentieregelaars Frequentieregelaars voor kleinere vermogens worden meestal gevoed door een netspanning van 230Vac. Dit type frequentieregelaar zet een constante fase 230Vac (meestal 50Hz) ingangsspanning om naar een variabele 3-fase 230Vac variabele uitgangsspanning met een regelbare frequentie.
3-fase frequentieregelaars Frequentieregelaars voor grotere vermogens worden meestal gevoed door een netspanning van 400Vac. Dit type frequentieregelaar zet een constante 3-fase 400Vac (meestal 50Hz) ingangsspanning om naar een variabele 3-fase 400Vac uitgangsspanning met een regelbare frequentie.
Aanloopstroom
De frequentieregelaar kan ook als aanloopinrichting fungeren. Een stilstaande motor heeft nog geen "impedantie" opgebouwd, dit betekent dat de weerstand van de motor nog minimaal is. Om de motor toch met maximaal 1,5-2 maal de nominaalstroom aan te zetten is bij 0Hz de uitgangsspanning van de regelaar ook nog minimaal. Bij het opdraaien van de frequentie wordt deze spanning ook hoger. Dus de motor trekt, tijdens de aanloop, bij 1 Hz net zo veel stroom als bij b.v. 25 Hz. En het koppel (en het opgenomen vermogen)nemen met de snelheid toe.
Acceleratie- en deceleratietijd
De acceleratietijd is de tijdsperiode waarin de frequentieregelaar de motor naar de gewenste frequentie (toerental) brengt. Dit staat in verhouding tot de tijd die het nodig is om van 0 naar maximaal te komen.
De deceleratietijd is de tijdsperiode waarin de frequentieregelaar de motor tot 0 Hz (stilstand) brengt. Hierbij geldt: hoe langer de uitlooptijd, hoe langzamer de frequentieregelaar terugregelt tot 0 Hz.
Bij systemen waarbij zware lasten aan de motor verbonden zijn, is het verstandig een lange acceleratie/deceleratietijd in te stellen. Wanneer de acceleratietijd niet lang genoeg blijkt, zal de frequentie regelaar overstuurd/oververhit kunnen raken en dit zal uitschakeling tot gevolg hebben. Wanneer de deceleratietijd niet lang genoeg blijkt, zal de motor gaan functioneren als generator. Dit zal resulteren in het terugleveren van energie aan de frequentieregelaar, wat kan resulteren in een uitschakelen. Bij de meeste frequentieregelaars is het mogelijk een remweerstand aan te sluiten, waardoor de teruggeleverde energie omgezet kan worden in thermische energie. Een frequentieregelaar kan een motor ook gewoon laten uitdraaien.
Koeling
Doordat ventilatoren op elektromotoren berekend zijn op een nominaal-toerental van 50Hz, verschaffen zij niet genoeg koeling wanneer de motor een lagere frequentie draait. Het kan dan nodig zijn om externe koeling aan te brengen. Motoren die in closed-loop mode geregeld worden moeten normaal gezien ook van een geforceerde koeling voorzien worden.
Stroombegrenzing
De frequentieomvormer is begrensd tot een nominaal leverbare actieve stroom (en dus ook nominaal koppel). Hij kan wel kortstondig (maximaal enkele seconden) de motor met een hogere actieve stroom belasten. Door de grote thermische traagheid van de motor (het duurt even om de spoelen op te warmen) is dit geen probleem.
Veldbehoud
Bij de studie van frequentieomvormers moet men volgende formule steeds in acht nemen:
Waarbij:
- Φ = Magnetische flux in Wb (weber)
- U1 = De spanning in volt geleverd door de frequentieregelaar
- f1 = De frequentie in hertz geleverd door de frequentieregelaar
Wanneer we nu de snelheid willen verlagen, zullen we (zoals in de inleiding gezien is) de frequentie verlagen. Uit bovenstaande formule weten we echter dat de Φ dan zal veranderen. Dit resulteert in meer magnetische verliezen. Om dit te vermijden, houden we de Φ constant door de spanning te verlagen.
Veldverzwakking
Uit dezelfde formule als hiervoor kunnen we ook inschatten wat er gebeurt bij het verhogen van de snelheid. We laten de frequentie boven de nominale frequentie (EU: 50 Hz). Met andere woorden we willen de motor sneller doen draaien dan de snelheid waarvoor hij ontworpen is. Dit is mogelijk met de frequentieregelaar mààr: bij verhoging van de frequentie zal de nominale spanning moeten stijgen. Het is echter onmogelijk om de nominale spanning te verhogen. Men spreekt van veldverzwakking.
Onderstaande formule zal dit nog meer verduidelijken:
Voor zover de arbeidsfactor (cos φ) constant is, stelt dit een constant vermogen voor dat in ons geval nominaal (maximaal) is.
Het maximaal koppel dat de motor kan leveren bij veldverzwakking zal dus omgekeerd evenredig met het toerental afnemen (boven de nominale frequentie). Want: 
Waarbij:
- Pem,max = constante
- ω = hoeksnelheid dus evenredig met de motorsnelheid nr
- Tem,max = Maximaal leverbaar elektromechanisch koppel
Deze formule mogen we dus als volgt interpreteren in veldverzwakking:
Besluit: Veldverzwakking laat ons toe om het werkingsgebied gevoelig uit te breiden boven het nominale. In dit gebied is echter het koppel begrensd met een curve omgekeerd evenredig met de draaisnelheid.
Vierkwadrantenbedrijf
Voor speciale toepassingen kunnen frequentieomvormers ook voor 'vierkwadrantenbedrijf' gemaakt worden, hierbij kan de normaal aangedreven motor ook elektrisch afgeremd worden en daarbij energie aan het net terugleveren. Bij vierkwandrantenbedrijf kan dit in beide draairichtingen gebeuren. In dit voorbeeld gebeurt energieteruglevering in het tweede kwadrant. Daar is het koppel negatief en de snelheid positief. Dit resulteert in negatief vermogen en dus terugleveren van energie aan het wisselspanningsnet (zie formule vermogen van daarnet). De frequentieregelaar eindigt zijn regeling in het punt dat overeenkomt met de gewenste snelheid in het derde kwadrant (negatief koppel en snelheid resulteert in positief vermogen).
Toepassingen
Frequentieregelaars worden gebruikt voor elektrische aandrijvingen als men het verloop van de snelheid precies wil regelen, zoals bij:
- transportbanden
- ventilatoren,
- hijsinstallaties
- wikkelapplicaties
- roerwerken
en verder bij veel hout/metaalbewerkingsapparatuur waarbij de snelheid variabel moet zijn voor verschillende materialen, zoals kolomboormachines, draaibanken en freesbanken. Frequentieregelaars worden ook veel ingezet om energie te besparen, bijvoorbeeld bij ventilatoren. Ook om mechanische belastingen tot een aanvaardbaar niveau te beperken worden er soms frequentieregelaars gebruikt.
Transportband
Een transportband moet in snelheid geregeld worden zodat de producten tijdens het aan- en uitzetten niet van de baan vallen. Om dit te voorkomen zorgt de frequentieregelaar er voor dat er langzaam versneld en gestopt wordt. Er wordt dus een grote relatief lange tijdsduur voor acceleratie en deceleratie in de frequentieregelaar ingesteld. Echter de meest toegepaste vorm van gebruik van een frequentieregelaar is het "fijn" afstellen van de benodigde snelheid van een transportmiddel. Voor standaard toepassingen zal het gebruik niet snel nodig zijn, aangezien er een redelijk grote verscheidenheid aan rotaties van motoren te verkrijgen is. Wanneer echter een hogere nauwkeurigheid van het verplaatsen van goederen binnen een bepaalde tijd vereist wordt, is het gebruik van een frequentieregelaar aan te raden. Verder kan door middel van "opgeslagen" frequentie sterktes binnen een besturingsprogramma dezelfde transportband meerdere (verschillende) snelheden lopen. Dit is handig wanneer producten snel vanuit een machine afgevoerd moeten worden en daarna met een lagere snelheid op een verzamelbaan getransporteerd worden.
Wikkelapplicatie
Om bijvoorbeeld draad op te rollen is het belangrijk dat er met een constante trekkracht getrokken wordt, zodat de draad niet breekt. Als de wikkelrol een constante omwentelingssnelheid zou hebben, zou de draad steeds harder aangetrokken worden, omdat de straal van het opgerolde draad groter wordt. Daardoor zou ook de spanning op het draad toenemen.
Om dit te voorkomen is de frequentieregelaar uitgerust met een koppelregeling. De frequentieregelaar zorgt er voor dat de motor een bepaald koppel zal gaan draaien zodat de motor precies de juiste snelheid draait bij veranderde diameter.
