Temeljni princip: Kako niskonaponski VFD-ovi reguliraju brzinu i snagu motora
A Niskonaponski pogon promjenjive frekvencije (VFD), koji se često naziva i pogon s podesivom brzinom (ASD), ključna je komponenta za kontrolu brzine vrtnje motora izmjenične struje (AC) upravljanjem električnom energijom koja mu se dovodi. Oznaka "niskog napona" obično se odnosi na VFD uređaje koji rade na standardnim industrijskim naponima do 690V. Temeljni rad temelji se na mijenjanju frekvencije i napona istovremeno, održavajući konstantan omjer napona i frekvencije (V/f) kako bi se osiguralo da magnetski tok motora ostane konstantan i da može isporučiti potrebni moment.
VFD interno pretvara dolaznu izmjeničnu struju u istosmjernu struju (DC) pomoću dijela ispravljača, obično diodnog mosta. Ovu istosmjernu snagu zatim filtrira kondenzatorska baterija istosmjernog međukruga, koja ujednačava snagu. Konačno, inverterska sekcija, koja se obično sastoji od bipolarnih tranzistora s izoliranim vratima (IGBT), pretvara istosmjernu struju natrag u preciznu varijabilnu frekvenciju i varijabilni napon AC valnog oblika koristeći tehniku zvanu modulacija širine pulsa (PWM).
Praktične prednosti i trenutna ušteda troškova implementacije VFD
Praktične prednosti integriranja VFD-ova u industrijske i komercijalne sustave proširuju se izvan jednostavne kontrole brzine, izravno utječući na operativne troškove, vijek trajanja opreme i kvalitetu procesa. Ove prednosti omogućuju brzi povrat ulaganja, posebno u aplikacijama za rukovanje tekućinama.
Značajno smanjenje energije kroz zakone afiniteta
Za centrifugalna opterećenja kao što su pumpe i ventilatori, potrošnja energije motora slijedi kub brzine (Zakon afiniteta). To znači da malo smanjenje brzine rezultira velikim smanjenjem potrošene snage. Na primjer, smanjenje brzine za samo 20% (rad brzinom od 80%) smanjuje potrošnju energije za gotovo 50% (0,8$^3 = 0,512$). Ovaj proporcionalni odnos primarni je pokretač velikih ušteda energije u HVAC i postrojenjima za pročišćavanje vode.
Poboljšana kontrola procesa i zaštita opreme
VFD-ovi omogućuju 'meko pokretanje' polaganim povećanjem motora od nulte brzine do radne brzine. Ovo eliminira ogromnu udarnu struju i mehaničke udare povezane s 'Across-the-Line' startanjem, gdje motor trenutačno dobiva puni napon. Ublažavanjem električnog naprezanja i mehaničkog trošenja komponenti poput zupčanika, remena i spojki, VFD produljuje intervale održavanja i cjelokupni radni vijek pogonske opreme. Nadalje, precizna kontrola brzine omogućuje točnu regulaciju protoka, tlaka ili temperature, poboljšavajući kvalitetu proizvoda u proizvodnim procesima.
Uobičajeni niskonaponski VFD profili primjene
Niskonaponski VFD-ovi su svestrani i koriste se u gotovo svim industrijskim sektorima. Njihova se primjena obično kategorizira prema vrsti opterećenja: promjenjivi moment, konstantni moment ili konstantna snaga.
Donja tablica sažima uobičajene primjene i njihove karakteristike:
| Vrsta aplikacije | Tipična opterećenja | Profil momenta | Primarna korist |
| HVAC i pumpanje | Centrifugalni ventilatori, puhala, pumpe | Promjenjivi moment (moment $\propto$ brzina$^2$) | Maksimalna ušteda energije (Zakon afiniteta) |
| Rukovanje materijalom | Transportne trake, ekstruderi, mikseri | Konstantni zakretni moment (okretni moment je fiksan) | Precizna kontrola brzine/pozicije |
| Alatni strojevi | Strugovi, glodalice, vretena | Konstantna snaga (okretni moment obrnuto $\propto$ brzini) | Širok raspon brzina za strojnu obradu |
Praktična razmatranja za odabir i ugradnju VFD
Ispravan odabir i ugradnja ključni su za postizanje svih prednosti VFD-a. Ključna razmatranja uključuju uvjete okoline, kompatibilnost motora i ublažavanje potencijalnih problema s kvalitetom električne energije.
Dimenzioniranje, kućišta i čimbenici okoliša
VFD mora biti pravilno dimenzioniran prema nazivnoj struji punog opterećenja (FLA) motora i često malo prevelik za primjene sa zahtjevnim radnim ciklusima ili visokim zahtjevima za momentom pokretanja. Vrsta kućišta mora biti prikladna za okoliš, u rasponu od NEMA 1 (opća namjena, unutarnja) do NEMA 4X (otporna na koroziju, vanjska/pranje). VFD stvara toplinu, pa su za pouzdan rad obavezni odgovarajući prostor za hlađenje i kontrola temperature okoline.
Ublažavanje problema s kvalitetom električne energije i harmonijom
Dio ispravljača VFD-a povlači struju u kratkim impulsima visoke amplitude, što može unijeti harmonijsko izobličenje natrag u električnu opskrbnu liniju. To može negativno utjecati na drugu osjetljivu opremu. Praktične strategije ublažavanja uključuju:
- Dodavanje mrežnih prigušnica izmjenične struje na ulaznoj strani kako bi se ujednačila dolazna struja i smanjio sadržaj harmonika.
- Instaliranje prigušnica istosmjerne veze između ispravljača i kondenzatorske baterije za smanjenje harmonika i poboljšanje stabilnosti istosmjerne sabirnice.
- Korištenje aktivnih prednjih (AFE) VFD-ova ili 18-pulsnih ispravljača za aplikacije gdje je kritično vrlo nisko ukupno harmonijsko izobličenje (THD), iako ove opcije povećavaju početne troškove kapitala.
Dodatno, brzo preklapanje IGBT-a može generirati skokove napona, koji mogu oštetiti namote motora tijekom vremena. Za veće duljine vodiča motora (obično preko 50 stopa), preporučuje se ugradnja prigušnica za opterećenje ili izlaznih filtara za zaštitu izolacije motora.
