Mikä on taajuusmuuttaja, päätyypit ja toimintaperiaate?

Eri tilanteissa voi olla tarpeen muuntaa lähdevirran taajuus säädettävän taajuuden jännitteeksi. Tämä on tarpeen esimerkiksi asynkronimoottoreita käytettäessä niiden nopeuden muuttamiseksi. Tässä artikkelissa kuvataan taajuusmuuttajan tarkoitus ja periaate.

Mikä on taajuusmuuttaja

Taajuusmuuttaja (FC) on sähkölaite, joka muuntaa ja säätää portaattomasti 50 Hz:n taajuudella toimivan yksi- tai kolmivaiheisen vaihtovirran vastaavaksi virraksi, jonka taajuus on 1-800 Hz. Näitä laitteita käytetään laajalti erilaisten asynkronisten sähkökoneiden toiminnan ohjaamiseen, esimerkiksi niiden nopeuden muuttamiseen. Myös teollisuuden suurjänniteverkoissa käytettäviä laitteita on olemassa.

Yksinkertaiset muuntimet säätelevät taajuutta ja jännitettä V/f-ominaisuuden mukaisesti, monimutkaisissa laitteissa käytetään vektorisäätöä.

Taajuusmuuttaja on teknisesti monimutkainen laite, joka koostuu taajuusmuuttajan lisäksi ylivirta-, ylijännite- ja oikosulkusuojasta. Tällaisissa laitteissa voi olla myös kuristin aaltomuodon parantamiseksi ja suodattimia erilaisten sähkömagneettisten häiriöiden vähentämiseksi. Elektroniset muuntimet ja sähkömekaaniset laitteet erotetaan toisistaan.

Taajuusmuuttajan toimintaperiaate

Elektroninen taajuusmuuttaja koostuu useista peruskomponenteista: tasasuuntaajasta, suodattimesta, mikroprosessorista ja taajuusmuuttajasta.

Tasasuuntaaja on nippu diodeja tai tyristoreja, jotka tasasuuntaavat muuntimen tuloon tulevan virran. Diodivaihtosuuntaajille on ominaista, että niissä ei esiinny lainausta, ja ne ovat edullisia mutta luotettavia laitteita. Tyristoripohjaiset taajuusmuuttajat mahdollistavat virran kulun molempiin suuntiin ja mahdollistavat sähköenergian palauttamisen verkkoon, kun moottoria jarrutetaan.

Suodatin käytetään tyristoripohjaisissa yksiköissä jännitteen aaltoilun vähentämiseksi tai poistamiseksi. Tasoitus tehdään kapasitiivisilla tai induktiivis-kapasitiivisilla suodattimilla.

Mikroprosessori - on taajuusmuuttajan ohjaus- ja arviointiyksikkö. Se vastaanottaa ja arvioi antureiden signaalit, minkä ansiosta integroitu PID-säädin voi säätää taajuusmuuttajan lähtösignaalia. Tämä komponentti myös tallentaa ja tallentaa tapahtumia, kirjaa ja suojaa laitetta ylikuormitukselta, oikosululta, analysoi toimintatilaa ja sammuttaa sen hätätilanteessa.

Invertteri Jännitteen ja virran ohjausta käytetään sähkökoneiden ohjaukseen eli virran taajuuden jatkuvaan säätämiseen. Tällainen laite tuottaa "puhtaan sinimuotoisen" ulostulon, minkä ansiosta sitä voidaan käyttää monissa teollisissa sovelluksissa.

Elektronisen taajuusmuuttajan (invertteri) toimintaperiaate on seuraava:

1. Syötetty sinimuotoinen yksi- tai kolmivaiheinen vaihtovirta tasasuuntautuu diodisillalla tai tyristoreilla;
2. Erikoissuodattimet (kondensaattorit) suodattavat signaalin jännitteen aaltoilun vähentämiseksi tai poistamiseksi;
3. Jännite muunnetaan kolmivaiheiseksi aalloksi, jolla on määritellyt parametrit mikropiirin ja transistorisillan avulla;
4. Suorakulmaiset pulssit muunnetaan invertterin ulostulossa sinimuotoiseksi jännitteeksi, jolla on määritellyt parametrit.

Taajuusmuuttajatyypit

Taajuusmuuttajia on useita eri tyyppejä, jotka ovat tällä hetkellä yleisimpiä tuotannossa ja käytössä:

Sähkökoneelliset (sähköinduktio) muuntimet: käytetään silloin, kun elektronisten taajuusmuuttajien käyttö ei ole mahdollista tai toteutettavissa. Ne ovat asynkronimoottoreita, joissa on vaihekierretty roottori ja jotka toimivat generaattori-muuntamotilassa.

Nämä yksiköt ovat skalaariohjausmuuntimia. Tämän yksikön ulostulo tuottaa tietyn amplitudin ja taajuuden jännitteen, jotta staattorikäämityksissä säilyy tietty magneettivuo. Niitä käytetään sovelluksissa, joissa roottorin nopeutta ei tarvitse ylläpitää kuormituksen mukaan (pumput, tuulettimet ja muut laitteet).

elektroniset muuntimet: käytetään laajalti kaikissa käyttöolosuhteissa erilaisissa laitteissa. Nämä laitteet ovat vektoripohjaisia, ne laskevat automaattisesti staattorin ja roottorin magneettikenttien vuorovaikutuksen ja varmistavat roottorin vakionopeuden kuormituksesta riippumatta.

1. Sykloinvertterit;
2. Sykloinvertterit;
3. Tasavirtasuuntaajat:

• Virtalähteen taajuusmuuttaja;
• Jännitelähteen taajuusmuuttaja (amplitudi- tai pulssinleveysmodulaatiolla).

Sovelluksen kannalta laitteet voivat olla:

• Enintään 315 kW:n laitteille;
• vektorimuuttajat enintään 500 kW:n tehoille;
• räjähdyssuojatut laitteet käytettäväksi räjähdysvaarallisissa ja pölyisissä ympäristöissä;
• sähkömoottoreihin asennetut taajuusmuuttajat;

Kullakin taajuusmuuttajatyypillä on tiettyjä etuja ja haittoja, ja ne soveltuvat erilaisille laitteille ja kuormille sekä erilaisiin käyttöolosuhteisiin.

Taajuusmuuttajaa voidaan ohjata manuaalisesti tai ulkoisesti. Manuaalinen ohjaus tapahtuu taajuusmuuttajan ohjauspaneelista, jolla voidaan säätää nopeutta tai pysäyttää toiminta. Ulkoinen ohjaus tapahtuu automaattisten ohjausjärjestelmien avulla, jotka voivat valvoa laitteen kaikkia parametreja ja mahdollistaa piirin tai toimintatilan vaihtamisen (taajuusmuuttajan tai ohituksen kautta). Ulkoisen ohjauksen avulla taajuusmuuttaja voidaan myös ohjelmoida käyttöolosuhteiden, kuormituksen ja ajan mukaan, jolloin taajuusmuuttaja voi toimia automaattisessa tilassa.

Mitä varten sähkömoottori voi tarvita taajuusmuuttajaa?

Taajuusmuuttajien käyttö vähentää energiakustannuksia sekä moottoreiden ja laitteiden poistokustannuksia. Niitä on mahdollista käyttää edullisissa oikosulkumoottoreissa, mikä alentaa tuotantokustannuksia.

Monet sähkömoottorit toimivat usein muuttuvissa käyttöolosuhteissa (tiheät käynnistykset ja pysäytykset, vaihtelevat kuormat). Taajuusmuuttajat mahdollistavat moottorin tasaisen käynnistymisen ja vähentävät suurinta käynnistysmomenttia ja laitteiston lämpenemistä. Tämä on tärkeää esimerkiksi nostokoneissa, ja se vähentää äkillisistä käynnistyksistä ja nykivistä pysähdyksistä aiheutuvia kielteisiä vaikutuksia.

Taajuusmuuttajien avulla on mahdollista ohjata sujuvasti puhaltimien ja pumppujen toimintaa ja automatisoida teknologisia prosesseja (käytetään kattiloissa, kaivoksissa, öljyntuotannossa ja jalostamoissa, vesilaitoksissa ja muissa laitoksissa).

Taajuusmuuttajien käyttö kuljettimissa, kuljettimissa ja hisseissä voi pidentää niiden osien käyttöikää, koska se vähentää nykäyksiä, iskuja ja muita negatiivisia tekijöitä laitteiden käynnistyksen ja pysäytyksen yhteydessä. Ne voivat lisätä ja vähentää moottorin nopeutta tasaisesti ja suorittaa peruutuksen, mikä on tärkeää monille erittäin tarkoille teollisuuslaitteille.

Taajuusmuuttajien edut:

1. Alhaisemmat energiakustannukset: johtuen pienemmistä käynnistysvirroista ja kuormituksesta riippuvasta moottorin tehonsäädöstä;
2. Lisää laitteiden luotettavuutta ja kestävyyttä: mahdollistaa pidemmän käyttöiän ja pidemmät huoltovälit;
3. Mahdollistaa laitteiden ulkoisen ohjauksen ja hallinnan etätietokoneista ja mahdollisuuden integroitua automaatiojärjestelmiin;
4. Taajuusmuuttajat pystyvät käsittelemään mitä tahansa kuormituskapasiteettia (yhdestä kilowatista kymmeniin megawatteihin);
5. Taajuusmuuttajissa olevat erityiskomponentit voivat suojata ylikuormituksilta, vaihekatkoksilta ja oikosuluilta sekä varmistaa laitteiden turvallisen toiminnan ja sammuttamisen hätätilanteessa.

Kun katsot tätä hyötyjen luetteloa, saatat tietysti ihmetellä, miksi niitä ei käytetä kaikissa laitoksen moottoreissa? Vastaus on valitettavasti ilmeinen, mutta kyse on taajuusmuuttajien, niiden asennuksen ja käyttöönoton korkeista kustannuksista. Kaikilla yrityksillä ei ole varaa näihin kustannuksiin.

Aiheeseen liittyvät artikkelit: