A frekvenciaváltók olyan elektronikus vagy elektromechanikus eszközök, amelyek a váltó áramot (AC) átalakítják egyik frekvenciáról a másikra, 50Hz-ről (európai szabvány), 60 Hz-re (amerikai szabvány), vagy akár 400 Hz-re (repülők esetében). A frekvenciaváltó segítségével 115 V-ról 230 V-ra emelhetjük a feszültséget egy transzformátorral, és fordítva. Mivel különböző országokban eltérő frekvencia szabványok érvényesek, ezért ezek az eszközök szükségesek a termékek frekvenciájának átalakításához nemzetközi piacra kerüléskor. A konverterek mindenhol megtalálhatók: otthon, kereskedelmi munkahelyeken vagy ipari környezetben.
A frekvenciaváltók lehetővé teszik, hogy a motort vagy a szivattyút a leghatékonyabb fordulatszámon működtessük, valamint a motor teljesítményét a szükséges szinthez igazítja. Ez megakadályozza a motor túlterhelését, ami hosszú távon javíthatja az általános hatásfokot és csökkentheti a motor üzemeltetési költségeit.
Az iparban leginkább elterjedt elektromos motorok működése alapesetben 50 Hz-es váltakozó feszültségű hálózatról történik, ami viszont limitálja a fordulatszámot egy adott fix értékre.
Azokhoz a folyamatokhoz, ahol számít a sebesség, azaz a váltakozó feszültség növelésére vagy csökkentésére van szükség, frekvenciaváltókat alkalmaznak. Ezekkel szabályozhatóvá válik a motorok fordulatszáma és forgásiránya is.
Frekvenciaváltókat használó ágazatok és területek közé tartoznak a darus cégek, acélipari vállalatok, kábelgyártók, hegesztőgépeket, robotokat használó gyártók, kisfeszültségű ipari hálózatok (vegyi üzemek, papírgyárak, autóipar), adatközpontok és kórházak. Az ipari automatizálási folyamatok ma már elképzelhetetlenek frekvenciaváltók nélkül. Hajtásláncokban, szállítószalagokon, ventilátorokban, szivattyúkban, munkagépekben, megmunkálógépekben egyaránt előfordulnak. Mindenütt jelen vannak, ahol a motorok fordulatszámának szabályozására van szükség.
A változtatható frekvenciájú meghajtók (VFD) a szilárdtest-frekvencia-átalakítók egy fajtája, amelyeket a váltakozó áramú motorok fordulatszámának és nyomatékának beállítására használnak, amit a motor bemeneti frekvenciájának és feszültségének megváltoztatásával érnek el.
A VFD-ket általában a gép teljesítményének javítására használják. Változó sebességgel futtatva a hajtások gördülékenyebben indulnak el, és hatékonyabban kezelik a terhelést. A motor gyorsabban eléri az adott sebességet, javul a nyomatékszabályozás, a hőmérséklet és a feszültség veszteség kevesebb lesz, miközben az energiafelhasználás jelentősen csökken. Ez csökkenti a működés költségeit, csökkenti a kopást és javítja az élettartamot.
A VFD-k használhatók a frekvenciák megváltoztatására, de nem olyan megbízhatóak, mint a hagyományos frekvenciaváltók. A VFD-k nem működnek jól a nemlineáris terhelésekkel nagy mennyiségű rezgést és elektromágneses zajt keltenek, amelyek károsíthatják a rákapcsolt fogyasztókat. A hagyományos frekvenciaváltók kevésbé kockázatosak és sokkal megbízhatóbbak a frekvencia beállításánál.
Az átalakítók négy kategóriáját különböztethetjük meg a forrás bemeneti és kimeneti feszültsége alapján:
Az AC-DC konverter a váltakozó feszültséget egyenfeszültséggé alakítja. Ennek az egyenirányítónak az alapvető elemei: transzformátor, kapcsolóegység, szűrő és vezérlőblokk. Kétféle egyenirányítót különböztetünk meg: a szabályozatlan dióda egyenirányítót és a kapcsoló üzemmódú egyenirányítót.
A szabályozatlan dióda egyenirányítók diódákat tartalmaznak, és a hálózat váltakozó feszültségét egyenfeszültséggé alakítják. Mivel a diódák nem vezérelhető alkatrészek, ezeket az átalakítókat nem vezérelt egyenirányítóknak is nevezik, mivel egyenfeszültséget állítanak elő. A bemeneti feszültség lehet egyfázisú vagy többfázisú.
A kapcsoló üzemmódú egyenirányítók diódák helyett tirisztorokat tartalmaznak, és a váltakozó hálózati feszültséget változtatható egyenfeszültséggé alakítják át. Ezeket az egyenirányítókat fázisvezérelt egyenirányítóknak is nevezik. Működésük a szabályozatlan egyenirányítókéhoz hasonlítható. A különbség az, hogy a szabályozatlan diódákat tirisztorokra, például SCR-ekre (szilícium vezérlésű egyenirányítóra vagy félvezető vezérlésű egyenirányítóra) cserélték. A diódákkal ellentétben a tirisztorok vezérelhetők úgy, hogy a kívánt időpontban aktiválják őket a kimeneti feszültség változtatása érdekében.
A DC-AC konverterek olyan eszközök, amelyek az egyen (DC) bemeneti feszültséget váltakozó (AC) kimeneti feszültséggé alakítják. Az inverter kimeneti feszültsége változtatható vagy rögzített váltakozó feszültség lehet, változó vagy fix frekvenciával. Az ilyen típusú inverterek a tápfeszültségtől függően egyfázisúak vagy háromfázisúak lehetnek.
Az AC-AC konvertereket főként a forrásból érkező bemeneti feszültség/áram frekvenciájának a kívánt terhelési szintre történő átalakítására használják. Ezen konverterek némelyike a feszültség és a frekvencia nagyságát is szabályozhatja. Ezeket elsősorban az AC hajtások fordulatszámának beállítására és indukciós fűtésre használják. A transzformátor jó példa az AC-AC konverterre. A bemeneti feszültség AC, a kimeneti feszültség AC, csak a feszültség szintje változhat a bemenet és a kimenet között. Ezenkívül a transzformátor természetes tulajdonságainak köszönhetően a legtöbb esetben galvanikus leválasztást biztosít (nincs közvetlen elektromos kapcsolat a bemenet és a kimenet között). Kétféle AC-AC konverter létezik: a ciklokonverterek (CCV) és a mátrix konverterek.
A tirisztoros ciklokonvertereket arra használják, hogy a tápegység frekvenciáját a kívánt terhelési frekvenciává alakítsák át. Ezeket az átalakítókat főként nagy teljesítményű akár több tíz megawatt átalakítókban használják frekvenciacsökkentésre. A ciklokonverteres átalakítók közé tartoznak a nagy teljesítményű váltóáramú hajtások, a meghajtórendszerek, a nagyfrekvenciás indukciós fűtés és a vasútnál használt szinkronmotorok.
A tranzisztor alapú mátrix konverterek számos frekvenciaátalakítási lehetőséget kínálnak. Teljesen vezérelt statikus eszközökkel készülnek, általában kétirányú kapcsolókkal. Ha ezeket a kapcsolókat háromfázisú mátrixátalakítókban használják, a terhelés bármely fázisa a bemeneti forrás bármely fázisához csatlakoztatható. Jelentős előnye, hogy az energiatároló elem hiánya miatt kisebb a mérete.
A DC-DC konverterek olyan eszközök, amelyek a DC bemeneti feszültséget a kívánt egyenáramú kimeneti feszültség szintre alakítják át. Az ilyen típusú konverterek teljesítményelektronikus kapcsolóberendezésekből, például tirisztorokból állnak, amelyek oly módon vannak csatlakoztatva, hogy a szükséges egyenfeszültséget biztosítsák a terhelésnek. A DC-DC átalakítóknak két fő típusa van: leválasztó konverterek: a bemenet és a kimenet között található transzformátor megszünteti az egyenáramú útvonalat, és egy biztonsági réteget ad az átalakítás során - és a leválasztás nélküli átalakítók: ezek egyenáramú útvonalat tartalmaznak a bemenet és a kimenet között.
Számos ipari alkalmazásban DC-DC konverterre van szükség ahhoz, hogy egy állandó feszültségű egyenáramforrást változtatható feszültségű egyenáramúvá alakítsanak át. Ilyenek például a hajófelvonók, targoncák, metrók, nagy egyenáramú motorok vezérlése és elektromos autók vontatómotorjainak vezérlése.
A frekvenciaváltókhoz a pontos fordulatszámtartás érdekében legtöbbször egy szenzoros fordulatszám-szabályozót is kapcsolnak. Terjedőben vannak a szenzorikát nem igénylő vektoros frekvenciaváltók. Ebben az esetben a visszajelzés nem a fordulatszámról, hanem a motor áramáról és a kimenő feszültség értékéről történik.
A fejlettebb készülékben felépített részletes motormodellnek köszönhetően a frekvenciaváltó folyamatosan leképezi magának a motor állapotát, és biztosítja az alapjelnek megfelelő szabályozást. Ehhez szükség van természetesen a frekvenciaváltóra kötött motor villamos paramétereinek ismeretére és annak megadására.
Akkor érdemes ilyen eszközt alkalmazni, ha például alacsony fordulatszám mellett is nagy nyomatékra van szükség, fontos a sebességtartás vagy a nyomaték tartása mellett a forgásirány váltása.
A vektoros szabályozás előnye a motor túlterhelésével szembeni védelem. Segítségével a túlterhelés korlátozható, és akár a rövid terhelés-ingadozások is kezelhetők.
A frekvenciaváltó segítségével 60 Hz-ről 50 Hz-re válthat vagy fordítva, valamint 115 V-ról 230 V-ra emelheti a feszültséget vagy csökkentheti.
Mielőtt frekvenciaváltót vásárolna, nézzük meg, hogy a frekvenciaváltó milyen terheléshez kapcsolódik.
Hat általános terhelési forma létezik:
1. rezisztív (ellenállásos) terhelés; 2. induktív (motor) terhelés; 3. kapacitív (RC) terhelés; 4. egyenirányító terhelés; 5. regeneratív terhelés; 6. vegyes terhelés.
A frekvenciaváltó teljesítményét a terhelési kapacitásoknak és típusoknak megfelelően kell kiválasztanunk.
A Hz-50 és Hz-60 sorozatú frekvenciaváltók nem támasztanak speciális követelményeket a terheléstípusokra, használhatók rezisztív, induktív, kapacitív, egyenirányító és vegyes terhelésekre. A műszaki paramétereket szabványos névleges rezisztív terhelési feltételek alapján tesztelik, a frekvenciaváltó ilyen körülmények között hosszú távon üzemel. A frekvenciaváltó kiválasztásánál figyelembe kell venni az elektromos hálózat feszültségingadozását, a bekapcsolási áramot és a rövid idejű túlterhelési tényezőket, merthogy a frekvenciaváltó teljesítmény-kapacitásának kiválasztásánál megfelelő tartalékkal kell számolni.
Nézzünk meg néhány ajánlást a gyártóktól:
A frekvenciaváltók lehetővé teszik, hogy egy motort vagy egy szivattyút a leghatékonyabb fordulatszámon működtessünk, valamint, hogy a motort a szükséges teljesítményhez igazítsuk. Ez megakadályozza a motor túlterhelését, ami hosszú távon javítja az általános hatásfokot és csökkentheti a motor üzemeltetési költségeit.
A frekvenciaváltók segítenek abban, hogy a gépeket lassabb sebességgel üzemeltethessük, ezáltal sokkal hosszabb ideig fognak működni, ami összeségében csökkentheti a karbantartási igényt és az ezzel járó költségeket. Természetesen ez nem azt jelenti, hogy a megfelelő karbantartást nem kell elvégezni időközönként.
Sok vállalkozás úgy találja, hogy a frekvenciaváltók használata segíti a folyamatokat, eljárásokat azáltal, hogy képes irányítani a gépek sebességét. Ezek a folyamatok kulcsfontosságúak egy vállalkozás vagy iparág sikeres működésében, így a saját folyamatok, eljárások fejlesztése az egyik legnagyobb hosszú távú előny, amelyet a frekvenciaváltók segítségével el lehet érni.
Sokan még mindig úgy gondolják, hogy a frekvenciaváltók használata komoly befektetés, de ezeknek az eszközöknek a költsége jelentősen csökkent az elmúlt években. Az alacsonyabb áraknak köszönhetően ez csak egy kis befektetés a hosszú távú megtérüléséhez képest.
Az amerikai szivattyúk vagy motorok eltérő frekvenciát használhatnak, így ha frekvenciaváltót használunk mellettük, akkor sokkal kisebb az esélye annak, hogy problémákba ütközünk, és a lehető legtovább tudjuk üzemeltetni az új berendezést. Ez azt jelenti, hogy megnő az ilyen jellegű berendezések élettartama, ami nagyobb megtérülési rátát jelent a befektetéskor.
A frekvenciaváltó a villanymotor leadott forgási sebességét szabályozza, olyan célból, hogy az adott felhasználási környezetnek megfelelő frekvenciát állítson elő. A villanymotor elektromosságból állít elő mozgást vagyis az elektromos áram energiájából mechanikai (mozgási) energiát képez, ami általában forgó mozgásban testesül meg. Így áram segítségével tudunk megforgatni valamit egy gépben: legyen az egy elektromos autó kereke, egy klímaberendezés ventilátorlapátja, vagy egy fúrógép.
Egy gyártósor vagy megmunkáló gép más és más motor teljesítményt igényel, azonban ahelyett, hogy mindegyik alkalmazáshoz külön villanymotort gyártsanak, egy áthidaló eszközt alkalmaznak: a frekvenciaváltót. A frekvenciaváltó, más néven inverter, a villanymotor bemenetére csatlakoztatható, és a villanymotor által leadott forgást szabályozza: olyanra állítja be, ami az adott felhasználási környezetben szükséges. Inverterekre azért van szükség, mert a motorok csupán 10%-a tartalmaz beépített frekvenciaváltót. Tehát a megoldás motor + inverter együttes használata.
A frekvenciaváltó legfőbb feladata tehát a rugalmas fordulatszám szabályozás, de az eszköz a motorra is vigyáz: felügyeli annak működési mutatóit, hogy biztosítsa az áram- és hőmérsékletvédelmet, megakadályozza az esetleges túlterhelést, továbbá alkalmazható egyedi működési programok beállítására is egyedi felfutási és lefutási görbék állíthatók be, mindezt a hatásfok és a teljesítmény csökkenése nélkül teszi.
A frekvenciaváltók mindennapjaink részei. Legyen az egy lift mozgatása egy irodaépületben, egy szivattyú meghajtása, ami egy ház vízellátását biztosítja, de az is lehet, hogy az otthoni napelemes rendszer kialakításakor kerülünk kapcsolatba először az inverterekkel. A napelemes rendszerek cellái által előállított áram ugyanis egyenáram, viszont a háztartási berendezéseink váltóárammal működnek: így közvetlenül a napelemre kötve nem lenne megoldható a táplálás. Ekkor használjuk fel az invertert, ami a napelem esetén az egyenáramot a hálózatival megegyező váltóárammá alakítja. Az invertereket tehát áram átalakításra is használják.
A frekvenciaváltók képesek a motor kimenő fordulatszámának változtatására anélkül, hogy mechanikus szíjtárcsákra lenne szükség, ezáltal csökkentik a mechanikai alkatrészek számát és az általános karbantartási költséget. De a frekvenciaváltó legnagyobb előnye, hogy a felhasználó pénzt és energiát takaríthat meg azáltal, hogy csak a szükséges energiát fogyasztja a motor. A fő kérdés most az, hogy egy frekvenciaváltó hogyan valósítja meg ezt? Az egyszerű válasz erre a kérdésre a teljesítményátalakítás.
A rotációs egységek egyszerűek, nagyok és kissé zajosak, viszont rendkívül megbízhatóak és könnyen szerelhetők. Egy forgó egységet szinte bárki diagnosztizálhat, akinek van mérőműszere, körülbelül egy óra alatt, és az alkatrészeket egyik napról a másikra különféle szállítóktól megrendelheti. Egy elektronikus egység hibaelhárítása gyakran néhány órát vesz igénybe, és az alkatrészeket csak egy adott gyártón keresztül lehet megrendelni. Az elektronikus egységek átlagos élettartama 10-15 év. Egy rotációs egység megfelelő karbantartás mellett akár 50 évig vagy tovább is üzemelhet.
Rendszeres karbantartásuk esetén várhatóan 10 évnél hosszabb élettartamúak.
Ha egy 50 Hz-es egyfázisú motort 60 Hz-re kapcsolnak, az indítási funkció felborulhat, mert a motor a normálnál 20%-kal korábban éri el a névleges fordulatszámát. Ha ez megtörténik, a motor indítónyomatéka hirtelen csökken. Előfordulhat, hogy nem gyorsul tovább, és soha nem éri el a normál futási sebességet.
Több, mint 20 év tapasztalat PLC programozásban, ipari automatizálásban, robotikában, HMI programozásban, okosotthon automatizálásban, mezőgazdaság automatizálásban, járműipari programozásban.
Vegye fel velünk a kapcsolatot
