Základný princíp: Ako nízkonapäťové VFD regulujú otáčky a výkon motora
A Nízkonapäťový pohon s premenlivou frekvenciou (VFD), často označovaný ako pohon s nastaviteľnou rýchlosťou (ASD), je základným komponentom na riadenie rýchlosti otáčania motora na striedavý prúd (AC) riadením dodávanej elektrickej energie. Označenie "nízke napätie" sa zvyčajne vzťahuje na VFD pracujúce pri štandardnom priemyselnom napätí do 690 V. Základná prevádzka je založená na súčasnej zmene frekvencie a napätia, udržiavaní konštantného pomeru napätia a frekvencie (V/f), aby sa zabezpečilo, že magnetický tok motora zostane konštantný a motor môže dodať požadovaný krútiaci moment.
VFD interne konvertuje prichádzajúci striedavý prúd na jednosmerný prúd (DC) pomocou časti usmerňovača, zvyčajne diódového mostíka. Tento jednosmerný prúd je potom filtrovaný kondenzátorovou bankou jednosmerného medziobvodu, ktorá vyhladzuje napájanie. Nakoniec invertorová sekcia, ktorá sa zvyčajne skladá z bipolárnych tranzistorov s izolovanou bránou (IGBT), konvertuje jednosmerný prúd späť na presnú striedavú vlnu s premenlivou frekvenciou a premenlivým napätím pomocou techniky nazývanej modulácia šírky impulzov (PWM).
Praktické výhody a okamžité úspory nákladov implementácie VFD
Praktické výhody integrácie VFD do priemyselných a komerčných systémov presahujú jednoduché riadenie rýchlosti a priamo ovplyvňujú prevádzkové náklady, životnosť zariadenia a kvalitu procesu. Tieto výhody poskytujú rýchlu návratnosť investícií, najmä v aplikáciách na manipuláciu s kvapalinami.
Významné zníženie energie prostredníctvom zákonov afinity
Pri odstredivých zaťaženiach, ako sú čerpadlá a ventilátory, sa spotreba energie motora riadi kockou rýchlosti (zákon afinity). To znamená, že malé zníženie rýchlosti má za následok masívne zníženie spotreby energie. Napríklad zníženie rýchlosti len o 20 % (prevádzka pri 80 % rýchlosti) znižuje spotrebu energie takmer o 50 % (0,8^3 $ = 0,512 $). Tento proporcionálny vzťah je primárnou hnacou silou pre masívne úspory energie v zariadeniach HVAC a úpravne vody.
Vylepšená kontrola procesov a ochrana zariadení
VFD poskytujú možnosť „mäkkého štartu“ pomalým zvyšovaním rýchlosti motora z nulovej rýchlosti na prevádzkovú rýchlosť. Tým sa eliminuje masívny nábehový prúd a mechanické otrasy spojené s „cez-line“ štartovaním, pri ktorom motor okamžite dostane plné napätie. Zmierňovaním elektrického namáhania a mechanického opotrebenia komponentov, ako sú ozubené kolesá, remene a spojky, VFD predlžuje intervaly údržby a celkovú životnosť poháňaného zariadenia. Okrem toho presná regulácia rýchlosti umožňuje presnú reguláciu prietoku, tlaku alebo teploty, čím sa zlepšuje kvalita produktu vo výrobných procesoch.
Bežné nízkonapäťové aplikačné profily VFD
Nízkonapäťové VFD sú všestranné a používajú sa takmer v každom priemyselnom sektore. Ich použitie je zvyčajne kategorizované podľa typu zaťaženia: premenlivý krútiaci moment, konštantný krútiaci moment alebo konštantný výkon.
V tabuľke nižšie sú zhrnuté bežné aplikácie a ich vlastnosti:
| Typ aplikácie | Typické zaťaženie | Profil krútiaceho momentu | Primárny úžitok |
| HVAC a čerpanie | Odstredivé ventilátory, dúchadlá, čerpadlá | Variabilný krútiaci moment (Krútiaci moment $\propto$ Rýchlosť$^2$) | Maximálna úspora energie (zákon o afinite) |
| Manipulácia s materiálom | Dopravníky, extrudéry, miešačky | Konštantný krútiaci moment (krútiaci moment je pevný) | Presné ovládanie rýchlosti/polohy |
| Obrábacie stroje | Sústruhy, frézy, vretená | Konštantný výkon (krútiaci moment inverzne $\propto$ rýchlosť) | Široký rozsah otáčok na obrábanie |
Praktické úvahy pre výber a inštaláciu VFD
Správny výber a inštalácia sú rozhodujúce pre dosiahnutie všetkých výhod VFD. Kľúčové úvahy zahŕňajú podmienky prostredia, kompatibilitu motora a zmiernenie potenciálnych problémov s kvalitou napájania.
Dimenzovanie, kryty a faktory prostredia
VFD musí mať správnu veľkosť podľa menovitého prúdu motora pri plnom zaťažení (FLA) a často mierne predimenzovaný pre aplikácie s náročnými pracovnými cyklami alebo požiadavkami na vysoký rozbehový krútiaci moment. Typ krytu musí byť vhodný pre prostredie v rozsahu od NEMA 1 (univerzálne, vnútorné) po NEMA 4X (odolné voči korózii, vonkajšie/umývané). VFD generuje teplo, takže pre spoľahlivú prevádzku je nevyhnutná primeraná vôľa chladenia a regulácia teploty okolia.
Zmiernenie problémov s kvalitou energie a harmonickými
Sekcia usmerňovača VFD odoberá prúd v krátkych impulzoch s vysokou amplitúdou, ktoré môžu zaviesť harmonické skreslenie späť do elektrického napájacieho vedenia. To môže negatívne ovplyvniť iné citlivé zariadenia. Praktické stratégie zmierňovania zahŕňajú:
- Pridanie AC Line Reactors na vstupnej strane na vyhladenie prichádzajúceho prúdu a zníženie obsahu harmonických.
- Inštalácia DC Link tlmivky medzi usmerňovač a kondenzátorovú banku na zníženie harmonických a zlepšenie stability DC zbernice.
- Využitie aktívnych frontendových (AFE) VFD alebo 18-pulzných usmerňovačov pre aplikácie, kde je kritické veľmi nízke celkové harmonické skreslenie (THD), hoci tieto možnosti zvyšujú počiatočné kapitálové náklady.
Navyše, vysokorýchlostné spínanie IGBT môže generovať napäťové špičky, ktoré môžu časom poškodiť vinutia motora. Pri dlhších dĺžkach vedenia motora (zvyčajne nad 50 stôp) sa dôrazne odporúča inštalácia záťažových tlmiviek alebo výstupných filtrov na ochranu izolácie motora.
