VFD (Variable Frequency Drive): määratlus, tööpõhimõte ja rakendused

Muutuva sagedusega ajam või VFD on elektrooniline seade, mida kasutatakse vahelduvvoolumootori kiiruse ja pöördemomendi juhtimiseks. See muudab mootorile antavat sagedust ja pinget, et mootor saaks töötada vastavalt masina tegelikele nõuetele.

Paljudes tööstussüsteemides ei pea mootorid pidevalt täiskiirusel töötama. Pumbad võivad vajada erinevat voolukiirust, ventilaatorid võivad reageerida muutuvale õhuvajadusele ja konveierid võivad vajada kontrollitud kiirendust. VFD võimaldab mootoril oma väljundit protsessiga sobitada, selle asemel et töötada ühel fikseeritud kiirusel.

IFIND pakub VFD lahendused pumpadele, ventilaatoritele, masinatele, liftidele, tekstiiliseadmetele, trükisüsteemidele ja muudele tööstuslikele rakendustele.

Mis on VFD?

VFD tähistab variable Frequency Drive. Seda nimetatakse tavaliselt ka vahelduvvooluajamiks, reguleeritava sagedusega ajamiks, muutuva kiirusega ajamiks või sagedusmuunduriks.

Need terminid viitavad üldiselt seadmetele, mis muudavad vahelduvvoolumootorile toiteallika sagedust. Kuna mootori kiirus on seotud toitesagedusega, võimaldab väljundsageduse muutmine ajamil reguleerida mootori kiirust.

Vahelduvvoolumootori sünkroonkiirust saab hinnata järgmise valemi abil:

Sünkroonkiirus = 120 × sagedus ÷ mootori pooluste arv

Näiteks väljundsageduse suurendamine suurendab üldiselt mootori kiirust, sageduse vähendamine aga vähendab kiirust. Asünkroonmootoris on tegelik kiirus libisemise tõttu veidi väiksem kui sünkroonkiirus.

VFD juhib ka muid tööparameetreid, sealhulgas:

• Väljundpinge

• Mootori vool

• Kiirendus ja aeglustus

• Käivitusmoment

• Pidurdamine

• Ülekoormuskaitse

• Vigade jälgimine

Sobivad funktsioonid sõltuvad VFD mudelist ja rakenduse nõuetest.

Kuidas VFD töötab?

Tavalisel VFD-l on neli põhiosa:

1. Vahelduvvoolu sisendi alaldi

2. DC link

3. Inverteri lülitusaste

4. Juhtimis- ja tagasisidesüsteem

Vahelduvvoolu sisendi alaldi

VFD saab esmalt vahelduvvoolu elektrivõrgust. Sisend võib olenevalt ajami konstruktsioonist olla ühe- või kolmefaasiline.

Alaldi muudab sissetuleva vahelduvpinge alalispingeks. Paljudes tööstuslikes VFD-des kasutatakse alaldis pooljuhtdioode. Mõned täiustatud disainilahendused kasutavad sisendi jõudluse parandamiseks juhitud lülitusseadmeid.

Alaldi aste mõjutab VFD sisendvoolu, sisendkäitumist ja harmoonilisi omadusi.

DC link

Seejärel siseneb alaldatud pinge alalisvoolu linki. See jaotis sisaldab üldiselt kondensaatoreid ja võib sisaldada ka alalisvoolureaktorit või drosselit.

Kondensaatorid tasandavad alaldatud pinget ja tagavad inverteri astme jaoks stabiilse alalisvoolu siini. Alalisvoolu link eraldab ka sisendvõimsuse lainekuju väljundi lainekujust, võimaldades VFD-l luua uue väljundi erineva pinge ja sagedusega.

Inverteri lülitusaste

Inverteri aste muudab alalispinge tagasi vahelduvvooluks. See kasutab mootori kontrollitud väljundi genereerimiseks kiireid pooljuhtlüliteid, näiteks IGBT-sid.

Pinge lülitusklemmidel toodetakse pigem impulsside jadana kui täiusliku siinuslainena. Mootori mähised siluvad loomulikult voolu, võimaldades mootoril tekitada pöörlevat magnetvälja ja mehaanilist pöördemomenti.

Juhtimis- ja tagasisidesüsteem

Juhtsüsteem määrab, kui palju pinget, sagedust ja voolu mootor vajab. Kiiruse käsk võib tulla klahvistikult, analoogsignaalilt, PLC-lt, PID-kontrollerist või tööstuslikust sidevõrgust.

VFD jälgib pidevalt töötingimusi, näiteks:

• Väljundvool

• DC siini pinge

• Mootori kiirus

• Sõidu temperatuur

• Ülekoormuse olek

• Faasi kadu

• Lühise tingimused

Kui ajam tuvastab ohtliku olukorra, võib see vähendada väljundit või peatada mootori.

Mis on PWM VFD-s?

Impulsi laiusmodulatsioon ehk PWM on levinud meetod, mida kasutatakse VFD muutuva sagedusega väljundi genereerimiseks.

Lülitusseadmed lülitavad alalisvoolu siini suurel kiirusel sisse ja välja. Nende pingeimpulsside laiuse ja ajastuse muutmisega loob VFD keskmise väljundpinge, mis järgib nõutavat lainekuju.

PWM võimaldab ajamil juhtida mootori sagedust ja pinget kompaktse elektroonilise vooluringiga. Lülitusprotsess võib aga tekitada ka elektromagnetilisi häireid, mootorimüra ja lisapingeid mootori isolatsioonile.

Seetõttu tuleks kandesagedus valida vastavalt mootorile, kaabli pikkusele, töökeskkonnale ja rakenduse nõuetele. Kõrgem lülitussagedus võib vähendada kuuldavat müra, kuid see võib suurendada ka ajami kadusid ja elektromagnetilisi häireid.

VFD juhtimismeetodid

V/F juhtimine

V/F-juhtimine, mida nimetatakse ka skalaarjuhtimiseks või voltide ja hertsi kohta juhtimiseks, säilitab sobiva suhte pinge ja sageduse vahel.

Väljundsageduse vähendamisel väheneb pinge vastavalt. See aitab säilitada mootoris sobivat magnetvoogu.

V/F-juhtimine on suhteliselt lihtne ja seda kasutatakse sageli:

• Fännid

• Tsentrifugaalpumbad

• Põhikonveierid

• Üldotstarbelised masinad

See sobib siis, kui rakendus ei nõua väga täpset kiiruse või pöördemomendi reaktsiooni.

Sensorita vektorjuhtimine

Sensorita vektorjuhtimine hindab mootori voogu ja pöördemomenti ilma füüsilist kodeerijat kasutamata.

Võrreldes põhilise V/F-juhtimisega võib see pakkuda:

• Parem pöördemoment madalatel pööretel

• Kiirem reageerimine

• Täiustatud koormuse reguleerimine

• Mootori stabiilsem töö

Anduriteta vektorjuhtimise jaoks on olulised täpsed mootori andmesildi andmed. Mõned ajamid kasutavad mootori takistuse ja induktiivsuse hindamiseks ka automaatset häälestusprotsessi.

Suletud ahelaga vektorjuhtimine

Suletud ahelaga vektorjuhtimine kasutab koodri või muu kiirusanduri tagasisidet. VFD võrdleb kästud kiirust mootori tegeliku kiirusega ja reguleerib väljundit vastavalt.

See meetod sobib rakendustele, mis nõuavad:

• Täpne kiiruse reguleerimine

• Kõrge käivitusmoment

• Täpne peatumine

• Stabiilne madalal kiirusel töötamine

• Sagedased koormuse või suuna muutused

Tüüpilisteks näideteks on liftid, kraanad, mähismasinad, tööpingid ja suure jõudlusega trükiseadmed.

V/F-juhtimise ja vektorjuhtimise erinevuse kohta lisateabe saamiseks vaadake V/F vektorinverteri juhend.

VFD kasutamise peamised eelised

Reguleeritav mootori kiirus

VFD võimaldab mootoril töötada protsessi jaoks vajalikul kiirusel. See võib vähendada vajadust mehaanilise drosseli, möödaviigusüsteemide, käiguvahetuse või muude kiiruse reguleerimise meetodite järele.

Kontrollitud käivitamine ja seiskamine

VFD võib käivitamise ajal mootori sagedust järk-järgult suurendada. See vähendab käivitusvoolu ja mehaanilist lööki võrreldes otsekäivitusega.

Peatumise ajal võib ajam sõltuvalt koormusest ja rakendusest kasutada programmeeritud aeglustusrampi, alalisvoolupidurdust või pidurdustakistit.

Energiasääst

VFD-d võivad vähendada energiatarbimist, kui mootor ei pea töötama täiskiirusel. See kehtib eriti muutuva pöördemomendiga koormuste puhul, nagu tsentrifugaalpumbad ja ventilaatorid.

Energiasääst ei ole aga automaatne. Tulemus sõltub töötundidest, koormusprofiilist, mootori efektiivsusest, ajamikadudest ja nõutavast protsessiväljundist. USA energeetikaministeerium annab selle kohta täiendavaid juhiseid reguleeritava kiirusega ajami osakoormuse efektiivsus.

Vähendatud mehaaniline stress

Kontrollitud kiirendus ja aeglustamine võivad vähendada stressi:

• Ühendused

• Vööd

• Käigukastid

• Võllid

• Klapid

• Pumpamissüsteemid

Veesüsteemides võib järkjärguline kiirendamine aidata piirata ka järske rõhumuutusi ja veehaamrit.

Mootori kaitse

VFD saab jälgida voolu, ülekoormust, temperatuuri, faasikadu ja muid tingimusi. See annab juhtimissüsteemile võimaluse mootor peatada või anda veasignaali, kui töötingimused muutuvad ebaturvaliseks.

Levinud VFD-rakendused

Pumbad ja veesüsteemid

VFD-sid kasutatakse laialdaselt veevarustuseks, niisutamiseks, ringluseks, reoveepuhastuseks ja protsesside pumpamiseks.

Ajam saab reguleerida pumba kiirust, et säilitada vajalik rõhk või vool. Enne VFD valimist peaksid insenerid kontrollima pumba kõverat, kogukõrgust, mootori voolu, minimaalset töökiirust ja kuivalt töötamise riski.

Ventilaatorid ja HVAC-süsteemid

Ventilaatorid töötavad sageli muutuvate õhuvoolunõuete korral. VFD saab reguleerida ventilaatori kiirust vastavalt temperatuurile, rõhule või ventilatsioonivajadusele.

Levinud rakenduste hulka kuuluvad õhukäitlusseadmed, väljatõmbeventilaatorid, jahutustornid ja tööstuslikud ventilatsiooniseadmed.

Konveierid ja materjalikäitlus

Konveierid võivad vajada kontrollitud käivitamist, reguleeritavat tootmiskiirust või sünkroonimist teise masinaga.

VFD võib aidata vähendada rihma lööki ja säilitada materjali sujuvamat liikumist. Raskete konveierite puhul peaks valik põhinema käivitusmomendi ja ülekoormusnõuetel, mitte ainult mootori võimsusel.

Tööpingid

Tööpingid võivad vajada laia kiirusvahemikku, suurt pöördemomenti madalatel pööretel ja täpset kiiruse reguleerimist.

Vektorjuhtimine või suletud ahela juhtimine võib olla sobivam kui tavaline V/F-juhtimine, kui spindli reaktsioon ja lõikejõudlus on olulised.

Tekstiili- ja trükiseadmed

Tekstiili- ja trükimasinad nõuavad sageli stabiilset kiirust, sujuvat kiirendust, pinge kontrolli ja erinevate sektsioonide vahelist sünkroniseerimist.

VFD-d võivad töötada koos PLC-de ja muude ajamite abil rullide, sööturite, kerimisseadmete ja transpordimehhanismide koordineerimiseks.

Liftid ja kraanad

Lifti- ja kraanarakendused võivad nõuda suurt käivitusmomenti, täpset peatumist, kontrollitud pidurdamist ja sagedast koormuse suuna muutmist.

Need süsteemid nõuavad VFD, mootori, kodeerija, mehaanilise piduri, ohutusahela ja hädaolukorra operatsioonisüsteemi hoolikat koordineerimist.

Kuidas VFD-d valida

VFD valimisel tuleks arvesse võtta kogu mootorikoormussüsteemi, mitte ainult mootori võimsust.

Mootori andmed

Mootori andmesildilt tuleb kinnitada järgmine teave:

• Nimivõimsus

• Nimipinge

• Nimivool

• Nimisagedus

• Nimikiirus

• Mootori faas

• Ühendusmeetod

• Isolatsiooniklass

• Jahutusmeetod

Nimivool on eriti oluline, kuna sama nimivõimsusega mootoritel võivad olla erinevad voolunõuded.

Koormuse tüüp

Tehke kindlaks, kas koormus on:

• Muutuv pöördemoment

• Püsiv pöördemoment

• Suure koormuse või suure ülekoormusega

Ventilaatorid ja tsentrifugaalpumbad on tavaliselt muutuva pöördemomendiga koormused. Konveierid, segistid, ekstruuderid, kompressorid ja tõsteseadmed võivad vajada pidevat pöördemomenti või rasket tööd.

Nõuded kiirusele ja pöördemomendile

Kontrollige nõutavat minimaalset ja maksimaalset kiirust, käivitusmomenti, kiirendusaega, aeglustusaega ja ülekoormuse kestust.

Normaalseks tööks sobiv ajam ei pruugi sobida sagedaste käivituste, äkiliste koormuse muutuste või suure inertsiga seadmete jaoks.

Pidurdusnõuded

Suure inertsiga koormused võivad aeglustamise ajal VFD-le energiat tagastada. Kui see energia põhjustab alalisvoolu siini pinge tõusu, võib süsteem vajada piduritakistit, piduriseadet või regeneratiivajamit.

Töökeskkond

Arvesse tuleks võtta temperatuuri, niiskuse, tolmu, söövitavate gaaside, vibratsiooni, kõrguse ja ruumi nõudeid.

Nõutav kaitsetase võib puhta elektrikilbi ja tolmuse masinaruumi puhul olla erinev.

VFD vs pehme starter

VFD ja pehme starter võivad mõlemad vähendada käivituspinget, kuid täidavad erinevaid funktsioone.

Kui protsess nõuab pidevat kiiruse reguleerimist, on tavaliselt sobivam VFD. Kui mootor vajab ainult vähendatud käivitusvoolu ja töötab seejärel täiskiirusel, võib pehmest starterist piisata.

Põhiline paigaldus ja kasutuselevõtt

Õige paigaldamine ja kasutuselevõtt on VFD usaldusväärse töö tagamiseks hädavajalikud.

Olulised punktid hõlmavad järgmist:

• Sisestage mootori andmesildi andmed täpselt.

• Kasutage sobivaid sisendkaitse- ja lahtiühendamisseadmeid.

• Maandage ajam, mootor ja kaabli varjestus õigesti.

• Hoidke mootorikaablid juht- ja sidekaablitest eraldi.

• Kontrollige mootorikaabli lubatud pikkust.

• Tagage VFD ümber piisav ventilatsioon.

• Seadke minimaalne ja maksimaalne sagedus õigesti.

• Kinnitage kiirenduse, aeglustuse, voolupiirangu ja peatamise sätted.

• Enne täiskoormusel kasutuselevõttu kontrollige mootori suunda ja madalal kiirusel töötamist.

Kui kasutatakse vektorjuhtimist, võib osutuda vajalikuks automaathäälestus. Valitud automaathäälestusmeetod peab sobima masina mehaanilise seisukorraga.

Korduma kippuvad küsimused

Mida VFD tähistab?

VFD tähistab variable Frequency Drive. See on elektrooniline seade, mis juhib vahelduvvoolumootori sagedust ja pinget.

Kas VFD on sama mis sagedusmuundur?

Tööstuslikus mootorijuhtimises kasutatakse sarnaste seadmete kirjeldamiseks sageli VFD-d, sagedusmuundurit, vahelduvvooluajamit ja reguleeritava sagedusega ajamit.

Olulised tegurid on ajami pinge, vool, juhtimismeetod, mootori ühilduvus ja rakenduse nimiväärtus.

Kas VFD saab juhtida ühefaasilist mootorit?

Enamik standardseid VFD-sid on mõeldud kolmefaasiliste asünkroonmootorite või ühilduvate püsimagnetmootorite jaoks.

Mõned spetsiaalsed mudelid aktsepteerivad ühefaasilist sisendit ja pakuvad kolmefaasilist väljundit. Siiski ei tohiks standardset VFD-d ühendada ühefaasilise kondensaatorikäivitusmootoriga, välja arvatud juhul, kui tootja on konfiguratsiooni heaks kiitnud.

Kas VFD vähendab alati energiatarbimist?

Ei. Energiasääst sõltub koormusprofiilist ja töötingimustest.

Suurim kokkuhoid on tavaliselt saadaval siis, kui pump või ventilaator võib töötada märkimisväärse perioodi jooksul alla täiskiiruse. Kui mootor peab pidevalt täiskiirusel töötama, võib energiasäästu eelis olla piiratud.

Kuidas valida õige VFD suurus?

Alustage mootori nimivoolust, pingest, faasist, võimsusest, kiirusest ja sagedusest.

Seejärel hinnake koormuse tüüpi, käivitusmomenti, ülekoormuse nõuet, pidurdusenergiat, töökeskkonda ja nõutavat juhtimismeetodit. Ajam tuleks valida vastavalt tegelikule kasutuskoormusele, mitte ainult mootori võimsusele.

Kas VFD saab mootorit käitada üle nimisageduse?

See võib olla võimalik, kuid kõigepealt tuleb kontrollida mootori mehaanilist kiirusepiirangut, jahutust, laagreid, isolatsiooni, koormusmomenti ja ajami väljundpinget.

Põhisagedusest kõrgemal võib mootor töötada väiksema saadaoleva pöördemomendiga. Alati tuleb järgida mootori- ja seadmete tootja piiranguid.

Mis vahe on VFD ja VSD vahel?

VSD tähendab muutuva kiirusega ajamit, VFD aga muutuva sagedusega ajamit.

VSD on laiem mõiste, mis võib hõlmata erinevaid mootori kiiruse juhtimise tehnoloogiaid. Paljudes tööstuslikes rakendustes on VSD VFD, nii et termineid kasutatakse sageli vaheldumisi.

Järeldus

VFD muudab vahelduvvoolumootorite juhtimiseks fikseeritud sagedusega elektrienergia reguleeritava sagedusega väljundiks. Selle alaldi, alalisvoolu link, inverteri aste ja juhtimissüsteem töötavad koos, et reguleerida mootori kiirust, pöördemomenti, kiirendust, pidurdamist ja kaitset.

Õige VFD tuleks valida vastavalt mootorile, koormuse tüübile, kiirusvahemikule, ülekoormusnõuetele, pidurdusvajadustele ja paigalduskeskkonnale.

Kui VFD on õigesti valitud ja kasutusele võetud, võib see parandada protsessi juhtimist, vähendada mehaanilist pinget ja vähendada energiakasutust sobivates muutuva kiirusega rakendustes.

Kas vajate abi VFD valimisel?

Jagage oma mootorireitingut, koormuse tüüpi, kiirusvahemikku ja töötingimusi IFIND-i meeskonnaga. Aitame hinnata teie rakenduse jaoks sobivat VFD juhtimismeetodit ja konfiguratsiooni.

Arutage oma VFD rakendust