Kerneprincip: Hvordan lavspændings-VFD'er regulerer motorhastighed og effekt
A Lavspændings variabel frekvensomformer (VFD), ofte omtalt som en Adjustable Speed Drive (ASD), er en væsentlig komponent til at kontrollere rotationshastigheden af en vekselstrømsmotor (AC) ved at styre den elektriske strøm, der leveres til den. "Lavspændings"-betegnelsen gælder typisk for VFD'er, der arbejder på standard industrielle spændinger op til 690V. Den grundlæggende drift er baseret på at variere frekvensen og spændingen samtidigt, opretholde et konstant spænding-til-frekvens-forhold (V/f) for at sikre, at motorens magnetiske flux forbliver konstant, og den kan levere det nødvendige drejningsmoment.
VFD'en konverterer internt den indkommende vekselstrøm til jævnstrøm (DC) ved hjælp af en ensrettersektion, typisk en diodebro. Denne jævnstrøm filtreres derefter af en DC-link kondensatorbank, som udjævner strømmen. Endelig konverterer en invertersektion, normalt bestående af Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT'er), DC'en tilbage til en præcis variabel frekvens og variabel spænding AC-bølgeform ved hjælp af en teknik kaldet Pulse Width Modulation (PWM).
Praktiske fordele og øjeblikkelige omkostningsbesparelser ved VFD-implementering
De praktiske fordele ved at integrere VFD'er i industrielle og kommercielle systemer strækker sig ud over simpel hastighedskontrol, hvilket direkte påvirker driftsomkostninger, udstyrs levetid og proceskvalitet. Disse fordele giver et hurtigt afkast af investeringen, især i væskehåndteringsapplikationer.
Betydelig energireduktion gennem affinitetslove
For centrifugalbelastninger som pumper og ventilatorer følger motorens strømforbrug terningen af hastigheden (Affinity Law). Det betyder, at en lille reduktion af hastigheden resulterer i en massiv reduktion af den forbrugte effekt. For eksempel reduceres strømforbruget med næsten 50 % ($0,8^3 = 0,512$) ved at reducere hastigheden med kun 20 % (ved 80 % hastighed). Dette proportionale forhold er den primære drivkraft for massive energibesparelser i HVAC og vandbehandlingsanlæg.
Forbedret proceskontrol og udstyrsbeskyttelse
VFD'er giver mulighed for 'blød start' ved langsomt at øge motoren fra nul hastighed til driftshastigheden. Dette eliminerer den massive startstrøm og mekaniske stød forbundet med 'Across-the-Line'-start, hvor motoren modtager fuld spænding øjeblikkeligt. Ved at afbøde elektrisk stress og mekanisk slid på komponenter som gear, remme og koblinger forlænger VFD vedligeholdelsesintervallerne og den samlede driftslevetid for det drevne udstyr. Ydermere giver præcis hastighedskontrol mulighed for nøjagtig regulering af flow, tryk eller temperatur, hvilket forbedrer produktkvaliteten i fremstillingsprocesser.
Almindelige lavspændings-VFD-applikationsprofiler
Lavspændings-VFD'er er alsidige og anvendes på tværs af næsten alle industrisektorer. Deres anvendelse er typisk kategoriseret efter belastningstypen: variabelt drejningsmoment, konstant drejningsmoment eller konstant effekt.
Tabellen nedenfor opsummerer almindelige applikationer og deres egenskaber:
| Ansøgningstype | Typiske belastninger | Momentprofil | Primær fordel |
| VVS og pumpning | Centrifugalventilatorer, blæsere, pumper | Variabelt drejningsmoment (drejningsmoment $\propto$ Hastighed$^2$) | Maksimal energibesparelse (lov om affinitet) |
| Materialehåndtering | Transportører, ekstrudere, blandere | Konstant drejningsmoment (drejningsmoment er fast) | Præcis hastigheds-/positionskontrol |
| Værktøjsmaskiner | Drejebænke, møller, spindler | Konstant effekt (drejningsmoment omvendt $\propto$ hastighed) | Bredt hastighedsområde til bearbejdning |
Praktiske overvejelser for valg og installation af VFD
Korrekt valg og installation er afgørende for at opnå de fulde fordele ved en VFD. Nøgleovervejelser omfatter miljøforhold, motorkompatibilitet og afbødning af potentielle problemer med strømkvaliteten.
Dimensionering, kabinetter og miljøfaktorer
VFD'en skal være korrekt dimensioneret til motorens fuldbelastningsstrøm (FLA) og ofte lidt overdimensioneret til applikationer med krævende driftscyklusser eller høje startmomentkrav. Kapslingstypen skal være egnet til miljøet, lige fra NEMA 1 (generelt formål, indendørs) til NEMA 4X (korrosionsbestandig, udendørs/udvaskning). VFD'en genererer varme, så tilstrækkelig køleafstand og styring af omgivende temperatur er obligatorisk for pålidelig drift.
Afhjælpning af strømkvalitet og harmoniske problemer
VFD'ens ensrettersektion trækker strøm i korte højamplitudeimpulser, som kan indføre harmonisk forvrængning tilbage i den elektriske forsyningsledning. Dette kan påvirke andet følsomt udstyr negativt. Praktiske afbødningsstrategier omfatter:
- Tilføjelse af AC-linjereaktorer på inputsiden for at udjævne den indgående strøm og reducere harmonisk indhold.
- Installation af DC Link-drosler mellem ensretteren og kondensatorbanken for at reducere harmoniske og forbedre DC-bussens stabilitet.
- Brug af Active Front End (AFE) VFD'er eller 18-puls ensrettere til applikationer, hvor meget lav total harmonisk forvrængning (THD) er kritisk, selvom disse muligheder øger startkapitalomkostningerne.
Derudover kan højhastighedsskift af IGBT'erne generere spændingsspidser, som kan beskadige motorviklingerne over tid. For længere motorledningslængder (typisk over 50 fod), anbefales installation af belastningsreaktorer eller udgangsfiltre for at beskytte motorisoleringen.
