Frequentieomvormers

Draaistoommotoren komen vaak voor in de industriële sector. Maar als u een draaistoommotor aansluit op het net, zal deze snel accelereren tot een bepaald toerental. Dit zorgt ervoor dat uw motor sneller verslijt. Hier komt een frequentieomvormer goed van pas. Hieronder geven wij meer uitleg:

Wat is een frequentieomvormer?

Een frequentieomvormer zet de opgegeven wisselspanning van het lokale stroomnet om in een wisselspanning met variabele amplitude en frequentie. Op deze manier kunnen spanningen worden gegenereerd die precies op het aangesloten apparaat zijn afgestemd.

Frequentieomvormers worden voornamelijk gebruikt om het start- en snelheidsgedrag van draaistroommotoren te verbeteren. Zulke motoren zouden niet oneindig variabel zijn zonder een frequentieomvormer, maar zouden alleen kunnen werken met de constante snelheid die wordt gespecificeerd door de voeding.

Frequentieomvormers kunnen worden geleverd voor twee verschillende bedrijfsmodi:

• In eenfasige werking is de omzetter verbonden met het conventionele AC-netwerk. De naam van de bedrijfsmodus verwijst naar de voedingsspanning, die in dit geval eenfase is.

• In driefasig bedrijf wordt de omzetter gevoed met driefasenstroom. Ook hier verwijst de naam van de bedrijfsmodus naar de voedingsspanning, die driefasig met driefasestroom is.

Een moderne frequentieomvormer in een compact ontwerp

Met frequentieomvormers kunnen snelheden tot het nominale toerental van de motor worden ingesteld zonder dat het motorkoppel afneemt. Als het nominale toerental, waarbij de motor het maximale vermogen bereikt bij volledige belasting, wordt overschreden, daalt het geleverde koppel.

Hoe werkt een frequentieomvormer?

Om ervoor te zorgen dat de snelheid van een motor afzonderlijk kan worden geregeld in de aandrijftechnologie, moet de voedingsspanning van de driefasige motor een variabele frequentie hebben. Het moet worden losgekoppeld van de ingangsfrequentie. Voor dit doel wordt de ingangsspanning van het voedingsnetwerk, dat een vaste frequentie heeft, omgezet in een gelijkspanning. Deze DC-spanning wordt vervolgens in een geklokte volgorde aan de uitgang afgegeven.

Structuur en samenstellingen

1. Gelijkrichter
   De bruggelijkrichter (diode D1 - D6) "vouwt" de negatieve halve golven van de sinusvormige AC-netspanningen omhoog. Als een resultaat dienen de negatieve componenten van de wisselspanning ook om stroom te leveren aan het volgende circuit. In de praktijk resulteert dit in een gelijkspanning met een bepaalde restrimpeling. De noodzakelijke EMC-filters (elektromagnetische compatibiliteit) zijn ook in de rectificatie geïntegreerd. Dit zorgt ervoor dat er geen netstoringen in de frequentieomvormer komen en geen storingen in het net worden vrijgegeven.
2. DC
   Een condensator (C) is geïnstalleerd in het tussencircuit, dat de resterende rimpel van de spanning die door de gelijkrichter wordt gegenereerd, afvlakt. Om grote schommelingen in de stroom te dempen, zijn spoelen (L) gedeeltelijk in de DC-link geïntegreerd. De spoelen zijn minder relevant voor de illustratie van de functie. De remchopper (chopper), die zich ook in het tussencircuit bevindt, is veel belangrijker. Deze bestaat uit een elektronische schakelaar (transistor T7) en een remweerstand (R). Dit zet de overtollige energie die de motor genereert bij overschrijding om in warmte en remt de motor effectief.
3. Omvormers
   De omvormer bestuurt de motor. In principe kan de omvormer worden beschouwd als een opstelling van zes elektronische schakelaars (vermogenstransistor T1 - T6). Er zijn altijd twee transistoren in serie geschakeld, met een motoraansluitleiding naar buiten tussen de transistoren. De transistors worden bestuurd door complexe besturingselektronica.
4. Regeltechniek
   De besturingselektronica bestuurt de vermogenstransistors volgens de respectieve behoeften. Voor dit doel heeft de processorgestuurde elektronica de nodige ingangen voor een besturingspotentiometer of bijbehorende bussystemen zoals EtherCAT, POWERLINK of PROFIBUS-DP. Als alternatief kunnen de vereiste instellingen ook worden gemaakt met behulp van een toetsenbord met een display. Uitgebreide beveiligingscircuits en uitgangen voor status- en foutmeldingen ronden het bereik van de elektronica af.
5. Sinusfilter
   In de aandrijftechnologie worden enorme interferentiesignalen gegenereerd door zeer hoge stromen te schakelen. Dit plaatst een zware belasting op de motor en vooral de isolatie. Daarom worden sinusfilters gebruikt, die alle fouten onderdrukken en een schone sinusspanning naar de motor overbrengen (M).

Hoe werkt de omvormer?

Om een sinusuitgangsspanning te genereren, zou de spanning moeten dalen van de waarde "0" naar het respectieve maximum en vervolgens terug naar "0". In het tussencircuit is echter alleen een DC-spanning met een constant niveau beschikbaar.
Daarom wordt pulsbreedtemodulatie (PWM) gebruikt. Dit betekent: De hoogspanning van de DC-link wordt ingeschakeld en onmiddellijk weer uitgeschakeld. Na een korte pauze wordt de spanning in- en uitgeschakeld. Dit schakelritme wordt continu herhaald.
Het bijgevoegde schakelschema illustreert het effect van de pulsbreedte gemoduleerde stuurpulsen. Zelfs als de schakelimpulsen, die altijd hetzelfde zijn, niet op een sinusgolf lijken, hebben ze toch een sinusachtig effect in relatie tot de motorstroom. Smalle inschakelpulsen met lange pauzes tussen de pulsen genereren een lage stroom. Brede pulsen met korte pauzes genereren een hoge motorstroom.
Voor een beter overzicht worden in het diagram slechts enkele schakelimpulsen getoond. In de praktijk worden echter enkele duizenden schakelpulsen per seconde gegenereerd. Met de juiste constellatie kunnen de frequentie en amplitude van de motorstroom individueel worden gewijzigd.

Wat zijn de voordelen van een frequentieomvormer?

In veel toepassingen is het noodzakelijk dat bewegingsreeksen langzaam opstarten en de snelheid op een gerichte manier kan worden geregeld. Dit betreft niet alleen industriële installaties of machines. Zelfs de lift in het kantoorgebouw moet voorzichtig opstarten en net zo zacht remmen. Behalve dat het handiger in gebruik is, heeft een bediening met softstart ook een zeer positief effect op de slijtage van alle bewegende mechanische onderdelen en tandwielen. In het verleden waren snelheidsgestuurde aandrijvingen alleen mogelijk met een thyristorregeling en een dure en onderhoudsintensieve DC-motor. Goedkope asynchrone motoren kunnen worden gebruikt met een frequentieomvormer, die ook minimaal onderhoud vereist.

Welke soorten frequentieomvormers zijn er?

Met de hierboven beschreven indirecte frequentieomvormer stroomt de binnenkomende wisselspanning in een gelijkrichter, die vervolgens een tussenkring met gelijkspanning voedt. In het tussencircuit wordt de stroom afgevlakt door buffercondensatoren en onderdrukt door inductieve spoelen. Het tussencircuit voedt op zijn beurt een invertor, die vervolgens een uitgangsspanning uitvoert in de gewenste amplitude en frequentie voor het te voeden apparaat. In tegenstelling hiermee is er geen DC-link voor de directe converter (ook wel matrix-converter genoemd). In plaats daarvan wordt de frequentieomzetting uitgevoerd in een enkele, nogal gecompliceerde schakeling met verschillende paden. Een groot voordeel van directe converters is dat ze regeneratief zijn en dat ze vrijwel zonder verlies werken bij dezelfde invoer- en uitvoerfrequentie. Ze hebben echter een volledige energietoevoer nodig (in de vorm van een driefasenstroom). Ze leveren ook een relatief lage maximale uitgangsspanning.

Regeneratieve converters

Met regeneratieve converters gaat de conversie in beide richtingen: u kunt ook energie die vrijkomt tijdens het remmen, bijvoorbeeld terug naar het stroomnet overbrengen. Met andere woorden: de omzetter kan ook als generator worden gebruikt! Dit mechanisme is met name handig wanneer aandrijvingen frequent moeten worden afgeremd, bijvoorbeeld in centrifuges, liften of elektrische locomotieven.

Goed om te weten: kies geschikte motoren

Aangezien gedeeltelijke ontladingen met grote spanningsveranderingen en hoge stroompieken optreden in de omzetter, wordt de isolatie van de motorwikkelingen relatief zwaar belast. Daarom zijn alleen bepaalde motortypen geschikt voor gebruik met frequentieomvormers (zie norm DIN VDE 0530-25). EMC-conforme bedrading van de motor is ook essentieel.

Aankoopcriteria voor frequentieomvormers: waar moet u op letten?

De volgende technische parameters van een frequentieomvormer moeten voldoen aan de vereisten van de toepassing die u plant:

• Welke ingangsspanning heb je? Afhankelijk van het model kunnen frequentieomvormers 230 V, 400 V, 480 V of 580 V AC of driefasige stroom verwerken.

• De uitgangsspanning en het maximale uitgangsvermogen dat de converter kan leveren, moeten overeenkomen met uw toepassing. Typische uitgangsvermogens variëren van 0,1 tot ongeveer 20 kW. De waarde kW staat voor kilowatt, waarbij 1000 watt overeenkomt met de waarde van één kW.

• Het frequentiebereik van de omzetter moet ook de gewenste waarden bevatten. Sommige apparaten genereren alleen frequenties die dicht bij de standaard ingangsfrequentie van 50 Hz liggen (bijvoorbeeld 48 tot 62 Hz). Andere omvormers bestrijken het volledige spectrum van 0 Hz tot 650 Hz.

• De meeste frequentieomvormers kunnen worden gekoppeld aan veldbussen of Ethernet, bijvoorbeeld via een Profibus-interface. Aandrijfprofielen die zijn gespecificeerd in de IEC 61800-7-norm zorgen ervoor dat de converters van verschillende fabrikanten zich identiek gedragen op de veldbussen..

• Naast de stroomaansluitingen kunnen omvormers andere ingangen en uitgangen hebben. Er kan bijvoorbeeld een potentiometer voor het instellen van de uitgangsfrequentie worden aangesloten. De meeste moderne frequentieomvormers hebben echter een toetsenbord en een digitaal display om een comfortabele aanpassing aan de aangesloten motor te garanderen. Sommige omvormers kunnen individueel worden geconfigureerd met behulp van hun eigen programmeertaal. De voltooide code wordt vervolgens via een andere interface in de converter geladen.

De meest gestelde vragen over frequentieomvormers

Waar gaat de frequentiehelling over?
De frequentiehelling is een instellingsmodus waarin de omzetter de frequentie van de uitgangsspanning continu verhoogt van nul naar de gewenste waarde. Op deze manier kunnen overstroompieken worden vermeden bij het starten van de motor. Het remmen van de omzetter werkt ook het beste met een (dalende) frequentiehelling.

Kan elke standaard IEC-motor worden bediend met een frequentieomvormer?
In principe wel, maar omdat de motoren worden blootgesteld aan hogere thermische belastingen met frequentieomvormers, moet fase-isolatie altijd in de wikkelingen worden geïnstalleerd. Vervolgens moet ook het aantal polen van de motor en dus de snelheid van de rotor nauwkeurig worden gekozen, zodat een praktisch regelbereik ontstaat, zelfs onder belasting.

Wat is een (roterende) converter?
Roterende elektrische componenten (bijvoorbeeld een elektromotor en een generator) worden in een omzetter gebruikt om variabele uitgangsspanningen te genereren. In tegenstelling tot de elektrische machine bevatten frequentieomvormers geen mechanisch bewegende componenten. Een omzetter heeft daarom een vergelijkbare functie als een frequentieomvormer, maar de spanning wordt elektromechanisch aangepast.

Wat is het verschil tussen een frequentieomvormer en een transformator?
Een variabele ingangsspanning kan ook worden geproduceerd uit een vaste ingangsspanning met behulp van een transformator. Transformatoren kunnen echter alleen de amplitude van de spanning veranderen, niet de frequentie ervan. Transformatoren alleen zijn niet genoeg voor complexe AC- en driefasige toepassingen. Ze worden echter vaak gebruikt als component in frequentie-omvormers, bijvoorbeeld om verschillende spanningsniveaus te genereren.