Základní princip: Jak nízkonapěťové VFD regulují otáčky a výkon motoru
A Nízkonapěťový frekvenční měnič (VFD), často označovaný jako pohon s nastavitelnou rychlostí (ASD), je nezbytnou součástí pro řízení rychlosti otáčení motoru na střídavý proud (AC) řízením elektrické energie, která je do něj dodávána. Označení "nízké napětí" se obvykle vztahuje na VFD pracující se standardním průmyslovým napětím do 690 V. Základní operace je založena na současné změně frekvence a napětí, udržování konstantního poměru napětí a frekvence (V/f), aby se zajistilo, že magnetický tok motoru zůstane konstantní a motor může dodat požadovaný točivý moment.
VFD interně převádí příchozí střídavý proud na stejnosměrný proud (DC) pomocí usměrňovací části, obvykle diodového můstku. Tento stejnosměrný výkon je poté filtrován stejnosměrnou baterií kondenzátorů, která vyhladí napájení. Konečně sekce invertoru, obvykle sestávající z bipolárních tranzistorů s izolovaným hradlem (IGBT), převádí stejnosměrný proud zpět na přesnou střídavou vlnu s proměnnou frekvencí a proměnným napětím pomocí techniky zvané Pulse Width Modulation (PWM).
Praktické výhody a okamžité úspory nákladů implementace VFD
Praktické výhody integrace VFD do průmyslových a komerčních systémů přesahují jednoduché řízení rychlosti a přímo ovlivňují provozní náklady, životnost zařízení a kvalitu procesu. Tyto výhody poskytují rychlou návratnost investic, zejména v aplikacích pro manipulaci s kapalinami.
Významné snížení energie prostřednictvím zákonů afinity
U odstředivých zátěží, jako jsou čerpadla a ventilátory, se spotřeba motoru řídí třetí mocninou rychlosti (zákon afinity). To znamená, že malé snížení rychlosti má za následek masivní snížení odebíraného výkonu. Například snížení rychlosti o pouhých 20 % (provoz při 80 % rychlosti) snižuje spotřebu energie téměř o 50 % (0,8^3 $ = 0,512 $). Tento proporcionální vztah je primární hnací silou pro masivní úspory energie v zařízeních HVAC a úpravnách vody.
Vylepšená kontrola procesů a ochrana zařízení
Frekvenční měniče poskytují možnost „soft startu“ pomalým rozběhem motoru z nulové rychlosti na provozní rychlost. To eliminuje masivní náběhový proud a mechanické rázy spojené se spouštěním „přes čáru“, kdy motor okamžitě obdrží plné napětí. Zmírněním elektrického namáhání a mechanického opotřebení součástí, jako jsou ozubená kola, řemeny a spojky, prodlužuje VFD intervaly údržby a celkovou provozní životnost poháněného zařízení. Přesná regulace rychlosti navíc umožňuje přesnou regulaci průtoku, tlaku nebo teploty a zlepšuje kvalitu produktu ve výrobních procesech.
Běžné nízkonapěťové aplikační profily VFD
Nízkonapěťové VFD jsou všestranné a používají se téměř ve všech průmyslových odvětvích. Jejich použití je obvykle kategorizováno podle typu zátěže: proměnný točivý moment, konstantní točivý moment nebo konstantní výkon.
Níže uvedená tabulka shrnuje běžné aplikace a jejich vlastnosti:
| Typ aplikace | Typické zatížení | Profil točivého momentu | Primární přínos |
| HVAC a čerpání | Radiální ventilátory, dmychadla, čerpadla | Proměnný točivý moment (Točivý moment $\propto$ Rychlost$^2$) | Maximální úspory energie (zákon afinity) |
| Manipulace s materiálem | Dopravníky, extrudéry, míchačky | Konstantní točivý moment (točivý moment je pevný) | Přesné ovládání rychlosti/polohy |
| Obráběcí stroje | Soustruhy, frézy, vřetena | Konstantní výkon (Točivý moment inverzně $\propto$ Rychlost) | Široký rozsah otáček pro obrábění |
Praktické úvahy pro výběr a instalaci VFD
Správný výběr a instalace jsou zásadní pro dosažení všech výhod VFD. Klíčová hlediska zahrnují podmínky prostředí, kompatibilitu motoru a zmírnění potenciálních problémů s kvalitou napájení.
Dimenzování, kryty a faktory prostředí
VFD musí být správně dimenzován podle jmenovitého proudu motoru při plném zatížení (FLA) a často mírně předimenzován pro aplikace s náročnými pracovními cykly nebo požadavky na vysoký rozběhový moment. Typ krytu musí být vhodný pro prostředí, v rozsahu od NEMA 1 (univerzální, vnitřní) až po NEMA 4X (odolné proti korozi, venkovní/splachovací). VFD generuje teplo, takže pro spolehlivý provoz je nezbytná dostatečná chladicí vůle a regulace okolní teploty.
Zmírnění problémů s kvalitou energie a harmonickými
Sekce usměrňovače VFD odebírá proud v krátkých pulzech s vysokou amplitudou, které mohou zavést harmonické zkreslení zpět do elektrického napájecího vedení. To může negativně ovlivnit další citlivá zařízení. Mezi praktické zmírňující strategie patří:
- Přidání AC linkových tlumivek na vstupní straně pro vyhlazení příchozího proudu a snížení obsahu harmonických.
- Instalace stejnosměrných tlumivek mezi usměrňovač a kondenzátorovou banku pro snížení harmonických a zlepšení stability stejnosměrné sběrnice.
- Využití aktivních front-end (AFE) VFD nebo 18-pulzních usměrňovačů pro aplikace, kde je kritické velmi nízké celkové harmonické zkreslení (THD), ačkoli tyto možnosti zvyšují počáteční kapitálové náklady.
Kromě toho může vysokorychlostní spínání IGBT generovat napěťové špičky, které mohou časem poškodit vinutí motoru. Pro větší délky vedení motoru (obvykle přes 50 stop) se důrazně doporučuje instalace zátěžových tlumivek nebo výstupních filtrů pro ochranu izolace motoru.
