Principiul de bază: Cum VFD-urile de joasă tensiune reglează viteza și puterea motorului
A Unitate de frecvență variabilă de joasă tensiune (VFD), adesea denumită o unitate de viteză reglabilă (ASD), este o componentă esențială pentru controlul vitezei de rotație a unui motor cu curent alternativ (AC) prin gestionarea puterii electrice furnizate acestuia. Denumirea „de joasă tensiune” se aplică de obicei VFD-urilor care funcționează la tensiuni industriale standard de până la 690 V. Operația fundamentală se bazează pe variarea frecvenței și tensiunii simultan, menținând un raport tensiune-frecvență (V/f) constant pentru a se asigura că fluxul magnetic al motorului rămâne constant și poate furniza cuplul necesar.
VFD-ul convertește intern puterea AC de intrare în curent continuu (DC) folosind o secțiune redresor, de obicei o punte de diode. Această putere de curent continuu este apoi filtrată de o bancă de condensatoare de legătură CC, care netezește puterea. În cele din urmă, o secțiune de invertor, constând de obicei din tranzistoare bipolare cu poartă izolată (IGBT), convertește DC-ul înapoi într-o formă de undă AC cu frecvență variabilă și tensiune variabilă precisă, folosind o tehnică numită Modulare în lățime a impulsurilor (PWM).
Beneficii practice și economii imediate ale costurilor implementării VFD
Beneficiile practice ale integrării VFD-urilor în sistemele industriale și comerciale se extind dincolo de simplul control al vitezei, influențând direct costurile operaționale, durata de viață a echipamentului și calitatea procesului. Aceste avantaje asigură o rentabilitate rapidă a investiției, în special în aplicațiile de manipulare a fluidelor.
Reducere semnificativă a energiei prin legi de afinitate
Pentru sarcini centrifuge, cum ar fi pompele și ventilatoarele, consumul de putere al motorului urmează cubul vitezei (Legea afinității). Aceasta înseamnă că o mică reducere a vitezei are ca rezultat o reducere masivă a puterii absorbite. De exemplu, reducerea vitezei cu doar 20% (funcționând la o viteză de 80%) reduce consumul de energie cu aproape 50% (0,8$^3 = 0,512$). Această relație proporțională este motorul principal pentru economii masive de energie în instalațiile HVAC și de tratare a apei.
Control îmbunătățit al procesului și protecție a echipamentelor
VFD-urile oferă o capacitate de „pornire ușoară” prin creșterea lentă a motorului de la viteza zero la viteza de funcționare. Acest lucru elimină curentul de pornire masiv și șocul mecanic asociat cu pornirea „Across-the-Line”, unde motorul primește instantaneu tensiunea maximă. Prin atenuarea stresului electric și a uzurii mecanice a componentelor precum angrenajele, curelele și cuplajele, VFD extinde intervalele de întreținere și durata de viață generală a echipamentului antrenat. În plus, controlul precis al vitezei permite reglarea precisă a debitului, presiunii sau temperaturii, îmbunătățind calitatea produsului în procesele de fabricație.
Profiluri comune de aplicație VFD de joasă tensiune
VFD-urile de joasă tensiune sunt versatile și sunt implementate în aproape fiecare sector industrial. Aplicația lor este de obicei clasificată în funcție de tipul de sarcină: cuplu variabil, cuplu constant sau putere constantă.
Tabelul de mai jos rezumă aplicațiile comune și caracteristicile acestora:
| Tip aplicație | Sarcini tipice | Profil de cuplu | Beneficiul principal |
| HVAC și pompare | Ventilatoare centrifuge, suflante, pompe | Cuplu variabil (Cuplu $\propto$ Viteză$^2$) | Economii maxime de energie (Legea afinității) |
| Manipularea materialelor | Transportoare, extrudere, mixere | Cuplu constant (cuplul este fix) | Control precis al vitezei/poziției |
| Mașini-unelte | Strunguri, mori, fusuri | Putere constantă (cuplul invers $\propto$ viteza) | Gamă largă de viteze pentru prelucrare |
Considerații practice pentru selectarea și instalarea VFD
Selecția și instalarea corespunzătoare sunt cruciale pentru a obține beneficiile complete ale unui VFD. Considerațiile cheie includ condițiile de mediu, compatibilitatea motorului și atenuarea potențialelor probleme de calitate a energiei.
Dimensiuni, carcase și factori de mediu
VFD-ul trebuie să fie dimensionat corect la valoarea nominală a curentului la sarcină completă (FLA) a motorului și, adesea, ușor supradimensionat pentru aplicații cu cicluri de lucru solicitante sau cerințe ridicate de cuplu de pornire. Tipul de carcasă trebuie să fie potrivit pentru mediul înconjurător, variind de la NEMA 1 (de uz general, interior) la NEMA 4X (rezistent la coroziune, la exterior/la spălare). VFD generează căldură, astfel încât spațiul de răcire adecvat și controlul temperaturii ambientale sunt obligatorii pentru o funcționare fiabilă.
Atenuarea problemelor legate de calitatea energiei și armonici
Secțiunea redresorului VFD atrage curent în impulsuri scurte, de mare amplitudine, care pot introduce distorsiuni armonice înapoi în linia de alimentare electrică. Acest lucru poate afecta negativ alte echipamente sensibile. Strategiile practice de atenuare includ:
- Adăugarea de reactoare de linie AC pe partea de intrare pentru a netezi curentul de intrare și a reduce conținutul de armonici.
- Instalarea bobinelor DC Link între redresor și banca de condensatoare pentru a reduce armonicile și pentru a îmbunătăți stabilitatea magistralei DC.
- Utilizarea VFD-urilor Active Front End (AFE) sau a redresoarelor cu 18 impulsuri pentru aplicații în care distorsiunea armonică totală (THD) foarte scăzută este critică, deși aceste opțiuni măresc costul de capital inițial.
În plus, comutarea de mare viteză a IGBT-urilor poate genera vârfuri de tensiune, care pot deteriora în timp înfășurările motorului. Pentru lungimi mai mari ale cablurilor de motor (de obicei peste 50 de picioare), instalarea reactoarelor de sarcină sau a filtrelor de ieșire este foarte recomandată pentru a proteja izolația motorului.
