Kjerneprinsipp: Hvordan lavspente VFD-er regulerer motorhastighet og kraft
A Lavspent variabel frekvensomformer (VFD), ofte referert til som en Adjustable Speed Drive (ASD), er en essensiell komponent for å kontrollere rotasjonshastigheten til en vekselstrømsmotor (AC) ved å styre den elektriske kraften som tilføres den. "Lavspennings"-betegnelsen gjelder vanligvis for VFD-er som opererer på standard industrielle spenninger opp til 690V. Den grunnleggende operasjonen er basert på å variere frekvensen og spenningen samtidig, og opprettholde et konstant spenning-til-frekvens-forhold (V/f) for å sikre at motorens magnetiske fluks forblir konstant og at den kan levere det nødvendige dreiemomentet.
VFD konverterer internt den innkommende vekselstrøm til likestrøm (DC) ved hjelp av en likeretterseksjon, typisk en diodebro. Denne DC-kraften blir deretter filtrert av en DC-link-kondensatorbank, som jevner ut strømmen. Til slutt konverterer en vekselretterseksjon, vanligvis bestående av Isolated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), DC-en tilbake til en presis variabel frekvens og variabel spenning AC-bølgeform ved hjelp av en teknikk kalt Pulse Width Modulation (PWM).
Praktiske fordeler og umiddelbare kostnadsbesparelser ved implementering av VFD
De praktiske fordelene ved å integrere VFD-er i industrielle og kommersielle systemer strekker seg utover enkel hastighetskontroll, og påvirker direkte driftskostnadene, utstyrets levetid og prosesskvaliteten. Disse fordelene gir en rask avkastning på investeringen, spesielt i væskehåndteringsapplikasjoner.
Betydelig energireduksjon gjennom affinitetslover
For sentrifugallaster som pumper og vifter følger motorens strømforbruk terningen på turtallet (Affinity Law). Dette betyr at en liten reduksjon i hastighet resulterer i en massiv reduksjon i trukket kraft. For eksempel reduseres strømforbruket med nesten 50 % ($0,8^3 = 0,512$) ved å redusere hastigheten med bare 20 % (drift på 80 % hastighet). Dette proporsjonale forholdet er den primære driveren for massive energibesparelser i HVAC og vannbehandlingsanlegg.
Forbedret prosesskontroll og utstyrsbeskyttelse
VFD-er gir en "myk start"-funksjon ved sakte å øke motoren fra null hastighet til driftshastigheten. Dette eliminerer den massive innkoblingsstrømmen og det mekaniske støtet forbundet med "Across-the-Line"-start, hvor motoren mottar full spenning umiddelbart. Ved å redusere elektrisk belastning og mekanisk slitasje på komponenter som gir, belter og koblinger, forlenger VFD vedlikeholdsintervallene og den totale levetiden til det drevne utstyret. Videre tillater presis hastighetskontroll nøyaktig regulering av strømning, trykk eller temperatur, noe som forbedrer produktkvaliteten i produksjonsprosesser.
Vanlige lavspente VFD-applikasjonsprofiler
Lavspente VFD-er er allsidige og distribueres over nesten alle industrisektorer. Anvendelsen deres er vanligvis kategorisert etter belastningstypen: variabelt dreiemoment, konstant dreiemoment eller konstant kraft.
Tabellen nedenfor oppsummerer vanlige applikasjoner og deres egenskaper:
| Søknadstype | Typiske belastninger | Momentprofil | Primær fordel |
| VVS og pumping | Sentrifugalvifter, vifter, pumper | Variabelt dreiemoment (dreiemoment $\propto$ Hastighet$^2$) | Maksimal energisparing (tilknytningslov) |
| Materialhåndtering | Transportører, ekstrudere, blandere | Konstant dreiemoment (moment er fast) | Nøyaktig hastighet/posisjonskontroll |
| Maskinverktøy | Dreiebenker, freser, spindler | Konstant kraft (dreiemoment omvendt $\propto$ hastighet) | Bredt hastighetsområde for maskinering |
Praktiske vurderinger for valg og installasjon av VFD
Riktig valg og installasjon er avgjørende for å oppnå de fulle fordelene med en VFD. Viktige hensyn inkluderer miljøforhold, motorkompatibilitet og reduksjon av potensielle problemer med strømkvalitet.
Dimensjonering, kabinetter og miljøfaktorer
VFD-en må være riktig dimensjonert til motorens fulllaststrøm (FLA), og ofte litt overdimensjonert for applikasjoner med krevende driftssykluser eller høye startmomentkrav. Kapslingstypen må være egnet for miljøet, alt fra NEMA 1 (generelt bruk, innendørs) til NEMA 4X (korrosjonsbestandig, utendørs/vasking). VFD genererer varme, så tilstrekkelig kjøleklaring og omgivelsestemperaturkontroll er obligatorisk for pålitelig drift.
Redusere strømkvalitet og harmoniske problemer
VFDs likeretterseksjon trekker strøm i korte pulser med høy amplitude, som kan introdusere harmonisk forvrengning tilbake i den elektriske forsyningsledningen. Dette kan påvirke annet sensitivt utstyr negativt. Praktiske avbøtende strategier inkluderer:
- Legge til AC-linjereaktorer på inngangssiden for å jevne ut den innkommende strømmen og redusere harmonisk innhold.
- Installere DC Link-chokes mellom likeretteren og kondensatorbanken for å redusere harmoniske og forbedre DC-bussens stabilitet.
- Bruk av Active Front End (AFE) VFD-er eller 18-puls likerettere for applikasjoner der svært lav total harmonisk forvrengning (THD) er kritisk, selv om disse alternativene øker startkapitalkostnaden.
I tillegg kan høyhastighetssvitsjen til IGBT-ene generere spenningstopper, som kan skade motorviklingene over tid. For lengre motorledningslengder (vanligvis over 50 fot), anbefales installasjon av belastningsreaktorer eller utgangsfiltre for å beskytte motorisolasjonen.
