Perusperiaate: Kuinka matalajännitteiset VFD-laitteet säätelevät moottorin nopeutta ja tehoa
A Pienjännitteinen taajuusmuuttaja (VFD), jota usein kutsutaan säädettäväksi nopeudeksi säädettäväksi nopeudeksi (ASD), on olennainen komponentti vaihtovirtamoottorin (AC) pyörimisnopeuden säätelyssä ohjaamalla siihen syötettyä sähkötehoa. "Matalajännite"-merkintä koskee tyypillisesti VFD-laitteita, jotka toimivat normaalilla teollisuusjännitteellä 690 V:iin asti. Perustoiminta perustuu taajuuden ja jännitteen samanaikaiseen vaihtelemiseen, vakiojännite-taajuus (V/f) -suhteen ylläpitämiseen, jotta moottorin magneettivuo pysyy vakiona ja se pystyy toimittamaan vaaditun vääntömomentin.
VFD muuntaa sisään tulevan vaihtovirtatehon tasavirraksi (DC) tasasuuntaajaosan, tyypillisesti diodisillan, avulla. Tämä tasavirta suodatetaan sitten DC-välipiirikondensaattoriryhmällä, joka tasoittaa tehoa. Lopuksi invertteriosa, joka koostuu tavallisesti eristetyistä hila-bipolaarisista transistoreista (IGBT), muuntaa DC:n takaisin tarkaksi muuttuvataajuiseksi ja vaihtelevajännitteiseksi AC-aaltomuodoksi käyttämällä tekniikkaa nimeltä Pulse Width Modulation (PWM).
Käytännön edut ja välittömät kustannussäästöt VFD:n käyttöönotosta
Käytännön hyödyt VFD:iden integroimisesta teollisiin ja kaupallisiin järjestelmiin ulottuvat yksinkertaista nopeudensäätöä pidemmälle, ja ne vaikuttavat suoraan käyttökustannuksiin, laitteiden käyttöikään ja prosessien laatuun. Nämä edut tarjoavat nopean sijoitetun pääoman tuoton erityisesti nesteenkäsittelysovelluksissa.
Merkittävä energian vähennys affiniteettilakien avulla
Keskipakoiskuormituksilla, kuten pumpuilla ja puhaltimilla, moottorin virrankulutus seuraa nopeuden kuutiota (affiniteettilaki). Tämä tarkoittaa, että pieni nopeuden aleneminen johtaa valtavaan kulutetun tehon vähenemiseen. Esimerkiksi nopeuden vähentäminen vain 20 % (käyttö 80 % nopeudella) vähentää virrankulutusta lähes 50 % (0,8^3 $ = 0,512 $). Tämä suhteellinen suhde on ensisijainen voima valtaviin energiansäästöihin LVI- ja vedenkäsittelylaitoksissa.
Parannettu prosessinohjaus ja laitteiden suojaus
VFD:t tarjoavat "pehmeän käynnistyksen" -ominaisuuden nostamalla moottoria hitaasti nollanopeudesta käyttönopeuteen. Tämä eliminoi massiivisen käynnistysvirran ja mekaanisen iskun, jotka liittyvät "Across-the-Line" -käynnistykseen, jolloin moottori saa täyden jännitteen välittömästi. Vähentämällä komponenttien, kuten hammaspyörien, hihnojen ja kytkimien sähköistä rasitusta ja mekaanista kulumista, VFD pidentää käytettävän laitteen huoltovälejä ja kokonaiskäyttöikää. Lisäksi tarkka nopeudensäätö mahdollistaa virtauksen, paineen tai lämpötilan tarkan säätelyn, mikä parantaa tuotteiden laatua valmistusprosesseissa.
Yleiset pienjännite-VFD-sovellusprofiilit
Pienjännitteiset VFD:t ovat monipuolisia ja niitä käytetään lähes kaikilla teollisuuden aloilla. Niiden käyttö on tyypillisesti luokiteltu kuormitustyypin mukaan: muuttuva vääntömomentti, vakiomomentti tai vakioteho.
Alla olevassa taulukossa on yhteenveto yleisistä sovelluksista ja niiden ominaisuuksista:
| Sovellustyyppi | Tyypilliset kuormat | Vääntömomenttiprofiili | Ensisijainen etu |
| LVI ja pumppaus | Keskipakotuulettimet, puhaltimet, pumput | Muuttuva vääntömomentti (vääntömomentti $\propto$ Speed$^2$) | Suurin energiansäästö (affiniteettilaki) |
| Materiaalinkäsittely | Kuljettimet, suulakepuristimet, sekoittimet | Vakio vääntömomentti (vääntömomentti on kiinteä) | Tarkka nopeuden/asennon hallinta |
| Työstökoneet | Sorvit, Jyrsimet, Karat | Vakioteho (vääntömomentti käänteisesti $\propto$ nopeus) | Laaja nopeusalue koneistukseen |
Käytännön huomioita VFD:n valinnassa ja asennuksessa
Oikea valinta ja asennus ovat ratkaisevan tärkeitä VFD:n kaikkien etujen saavuttamiseksi. Keskeisiä näkökohtia ovat ympäristöolosuhteet, moottorien yhteensopivuus ja mahdollisten sähkönlaatuongelmien lieventäminen.
Mitoitus, kotelot ja ympäristötekijät
VFD on mitoitettava oikein moottorin täyskuormitusvirran (FLA) mukaan ja usein hieman ylimitoitettu sovelluksissa, joissa on vaativia käyttöjaksoja tai suuria käynnistysmomenttivaatimuksia. Kotelotyypin on oltava ympäristöön sopiva, aina NEMA 1:stä (yleiskäyttöön tarkoitettu, sisätiloissa) NEMA 4X:ään (korroosionkestävä, ulko/pesu). VFD tuottaa lämpöä, joten riittävä jäähdytysväli ja ympäristön lämpötilan säätö ovat pakollisia luotettavan toiminnan takaamiseksi.
Virranlaatu- ja harmonisten ongelmien lieventäminen
VFD:n tasasuuntaajaosa ottaa virtaa lyhyinä, suuriamplitudisina pulsseina, jotka voivat aiheuttaa harmonisia vääristymiä takaisin sähkönsyöttölinjaan. Tämä voi vaikuttaa negatiivisesti muihin herkkiin laitteisiin. Käytännön lieventämisstrategioita ovat mm.
- Lisätään AC Line Reactors tulopuolelle tasaamaan tulevaa virtaa ja vähentämään harmonista sisältöä.
- Tasasuuntaajan ja kondensaattoripariston väliin asennetaan DC Link -kuristimia harmonisten yliaaltojen vähentämiseksi ja tasavirtaväylän vakauden parantamiseksi.
- Active Front End (AFE) VFD:n tai 18-pulssin tasasuuntaajan käyttäminen sovelluksissa, joissa erittäin alhainen harmoninen kokonaissärö (THD) on kriittinen, vaikka nämä vaihtoehdot lisäävät alkupääomakustannuksia.
Lisäksi IGBT:iden nopea kytkentä voi aiheuttaa jännitepiikkejä, jotka voivat vaurioittaa moottorin käämiä ajan myötä. Pidemmillä moottorin johdinpituuksilla (yleensä yli 50 jalkaa) kuormitusreaktorien tai lähtösuodattimien asentaminen on erittäin suositeltavaa moottorin eristyksen suojaamiseksi.
