Volledige controle over elektrische aandrijfsystemen met frequentieregelaars

“Een moderne watergekoelde frequentieregelaar voor een aandrijving van enkele megawatts. De waterkoelunit en compacte invertermodules zijn duidelijk in dit ontwerp terug te vinden."

De frequentieregelaar is een onmisbaar systeemdeel in moderne aandrijfsystemen. NCOI Techniek besteedt hieraan dan ook volop aandacht in haar cursussen Elektrotechniek. Oplossingen met frequentieregelaars zijn flexibel, compact, intelligent en besparen vaak energie. Maar er is ook een aantal kritische punten.

Techniek en werking

De werking van de frequentieregelaar berust op het principe dat het toerental van een draaistroommotor kan worden veranderd door het aanbieden van een variabele frequentie (zie kader). Hoewel het principe van frequentieregeling al vanaf de introductie eind jaren 60 gelijk is gebleven, is er de afgelopen tientallen jaren een groot aantal verbeteringen aan het concept doorgevoerd. Zo zijn de vermogenscomponenten (IGBT’s) aan de uitgang van de frequentieregelaar kleiner en sneller geworden. Hierdoor is een compacte samenbouw in modulevorm mogelijk. Daarnaast kunnen moderne frequentieregelaars naadloos worden opgenomen in een industrieel netwerksysteem, zoals Profibus of industrial ethernet.

Toepassingen en uitvoeringsvormen

Het aantal toepassingsmogelijkheden van de frequentieregelaar is enorm: van een kleine transportbandaandrijving van enkele honderden watts tot een zware aandrijving van onderwatermotoren van 6 megawatt. Maar ook voor roerwerken in de voedingsmiddelenindustrie, extruders, watertransport bij waterschappen, hijskranen, elektrische voertuigen en ventilatoren. Afhankelijk van de toepassing wordt de meest geschikte oplossing gezocht. Lichte aandrijvingen kunnen worden voorzien van kleine frequentieregelaars die aan de wand kunnen worden bevestigd. Frequentieregelaars voor zware aandrijvingen (vanaf zo'n 250 kW) kunnen in schakelkasten worden gebouwd. De uitvoering van de koeling (lucht, water of lucht-water) is een ander belangrijk uitvoeringsaspect.

Decentrale besturing

In de inleiding werd de kreet 'intelligent' gemeld. Bij complexe productieprocessen met vele tientallen motoren, wordt vaak gekozen voor een decentrale besturing. Dat wil zeggen: de lokale intelligentie wordt ondergebracht in de frequentieregelaars en de bovenliggende besturing verstrekt als een soort dirigent de juiste instellingen (toerental, koppel, etc.) aan elke frequentieregelaar. Op deze wijze ontstaat een overzichtelijke besturing die goed onderhoudbaar en uitbreidbaar is. Door toepassing van profibus of industrial ethernet is de gewenste netwerktopologie snel realiseerbaar. Toepassing van deze netwerkstandaarden geeft de ontwerper veel vrijheid ten aanzien van de keuze van (PLC-) componenten.

(Over)gevoelige techniek

Niets dan lof over de moderne frequentieregelaar. Toch moet rekening gehouden worden met een aantal 'zwakke plekken'. De nieuwe vermogenscomponenten (IGBT's) hebben een zeer grote vermogensdichtheid. Dit maakt de schakelingen gevoelig voor vervuilingen en vocht, meer nog dan 'oude-generatie' frequentieregelaars. Dit betekent dat er extra aandacht moet worden besteed aan de kwaliteit van de koellucht. Deze dient vrij te zijn van vervuiling. Hiervoor zijn vaak kostbare luchtbehandelingssystemen nodig. Mede daarom wordt steeds vaker gekozen voor waterkoeling. De frequentieregelaars kunnen dan in volledig gesloten kasten worden ondergebracht, waardoor de componenten nauwelijks worden blootgesteld aan vervuilde lucht. Een ander kritisch punt is de elektromagnetische storing. De in de frequentieregelaar ondergebrachte circuits genereren hoge schakelfrequenties die invloed kunnen hebben op gevoelige (meet)apparatuur in de directe nabijheid. Speciale (kostbare) filters moeten deze negatieve beïnvloeding zoveel mogelijk beperken. Tevens moet er veel aandacht worden besteed aan de toe te passen kabels van frequentieregelaar naar motor. De speciaal daarvoor beschikbare kabels, ook wel EMC kabels genoemd, hebben een zeer dicht geweven ommanteling die de storende velden zoveel mogelijk binnen de kabel houdt. Dit heeft pas effect als er ook EMC wartels worden toegepast die op correcte wijze moeten worden gemonteerd.

Uitgelicht

Toerentalregeling met variabele frequentie

Het toerental van de elektromotor (omwentelingssnelheid van de rotoras) kan met de volgende formule  worden uitgedrukt:



Hierin zijn:



Met het instellen van de frequentie wordt dus het toerental van de motor bepaald. Met het wijzigen van de frequentie van de uitgangsspanning wordt ook de hoogte van de uitgangsspanning aangepast om ervoor te zorgen dat het magnetische veld (flux) in de motor constant blijft.

Auteur: Ed van Hal, freelance docent NCOI Techniek en sales manager Industrie bij Bakker Sliedrecht Electro Industrie B.V

Bronnen: http://nl.wikipedia.org/wiki/Frequentieregelaar http://www.danfoss.com/Holland/BusinessAreas/VLT+Drives/Ontstaan+Danfoss+Drives.htm