VFD  Variable Frequency Drives

Για να εξετάσουμε πως γίνεται ο έλεγχος στροφών ενός κινητήρα με VFD driver (Driver μεταβλητής συχνότητας) πρέπει να θυμηθούμε πρώτα κάποιους βασικούς όρους. Όπως γνωρίζουμε οι μονοφασικοί κινητήρες και οι τριφασικοί κινητήρες λειτουργούν σύμφωνα με την αρχή λειτουργίας της επαγωγής. Αποτελούνται από έναν ρότορα και έναν στάτη χωρίς φυσική επαφή μεταξύ του δρομέα  και του στάτη. Σύμφωνα με αυτήν την αρχή όπως βλέπουμε στο παρακάτω σχήμα όταν ένα πλαίσιο βρεθεί μέσα σε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο θα εμφανιστεί τάση εξ’επαγωγής στα άκρα.

Στους κινητήρες σταθερό μέρος είναι ο στάτης και μεταβλητό ο ρότορας.

Οι κινητήρες έχουνε σταθερή ταχύτητα που καθορίζεται από τη συχνότητα της τροφοδοσίας και την σταθερή ροπής. Ο δρομέας του κινητήρα περιστρέφεται με ταχύτητα n που εξαρτάται ουσιαστικά από το φορτίο του άξονα. Ο λόγος της διαφοράς μεταξύ της σύγχρονης ταχύτητας ns και της ταχύτητας του κινητήρα n, ως προς την σύγχρονη ταχύτητα, ονομάζεται ολίσθηση s και δίνεται από τον τύπο     και η ολίσθηση δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται με το φορτίο και αυξάνεται με αυτό.

n= Rotor speed , ns=Stator speed, s=slip.

Η ταχύτητα του Rotor δίνεται από τον τύπο: Speed επομένως για ζευγάρια πόλων είναι τυποποιημένη και σταθερή και για συχνότητα δικτύου 50 Ηz δίνεται από τον παρακάτω πίνακα:

2    3000

4    1500

6    1000

8      750

10    600

Προφανώς, ένας κινητήρας με σταθερή ταχύτητα δεν είναι κατάλληλος για όλες τις εφαρμογές, με αποτέλεσμα την ανάγκη προσαρμογής της ταχύτητας ανάλογα με τις ανάγκες. Τα βιομηχανικά μηχανήματα οδηγούνται συχνά από ηλεκτροκινητήρες με διατάξεις ρύθμισης της ταχύτητας. Αυτοί οι κινητήρες είναι απλώς μεγαλύτεροι, ισχυρότεροι από εκείνους που οδηγούν οικειακές συσκευές, όπως αναμικτήρες τροφίμων ή ηλεκτρικά τρυπάνια τα οποία κανονικά λειτουργούν με σταθερή ταχύτητα.

Αν και αναπτύχθηκαν πολλές διαφορετικές τεχνικές ελέγχου στροφών κινητήρα επαγωγής, η πιο δημοφιλής τεχνική ελέγχου είναι η παραγωγή μιας μεταβλητής τάσης τροφοδοσίας, η οποία έχει σταθερό λόγο τάσης προς συχνότητα. Αυτή η τεχνική είναι ευρέως γνωστή ως έλεγχος V / F.

Μια πολύ σημαντική παρατήρηση εδώ είναι γιατί μεταβάλλω την τάση ταυτόχρονα μεταβάλλω και την συχνότητα και κρατάω αυτόν τον λόγο σταθερό τι θέλω να αποφύγω κάτι πολύ σημαντικό; Δεν θα μπορούσα να μεταβάλλω μόνο την συχνότητα και να πετύχω ρύθμιση στροφών;

Απάντηση:

Όπως γνωρίζεται η συχνότητα επιρεάζει την σύνθετη αντίσταση ενός κυκλώματος αφού μπαίνει στον τύπο της επαγωγικής αντίσταση XL=ωL= 2πfL επομένως αν μικρύνω πολύ την συχνότητα σε τιμές κοντά στο μηδέν τα άεργα ρεύματα σύμφωνα με τον νόμο του Ωhm   I=V/XL θα πάρουνε πάρα πολύ μεγάλη τιμή με αποτέλεσμα να καταστρέψω τα τυλίγματα , τον κινητήρα και το κύκλωμα οδήγησεις , αν όμως ταυτόχρονα μειώνω την τάση τότε και τα άεργα ρεύματα τα κρατάω σταθερά και σε χαμηλές τιμές.

Επομένως  V/F = σταθερό.

Συστήματα οδήγησης μεταβλητής συχνότητας.

Τα συστήματα οδήγησης μεταβλητής ταχύτητας (Variable Speed Drives –VSD ή Variable Frequency Drives –VFD) χρησιμοποιούνται για να ελεγχθεί και να προσαρμοστεί η ταχύτητα περιστροφής μιας μηχανής κατά βούληση.

▪  Ένα σύνηθες σύστημα VFD αποτελείται από τρία μέρη: την ηλεκτρική μηχανή (ηλεκτροκινητήρας)

το μετατροπέα ισχύος (inverter), το σύστημα ελέγχου.

ΤΟ VFD ΕΣΩΤΕΡΙΚΑ

VFD ME ΦΙΛΤΡΑ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ & Dc-link reactor

Ας δούμε ένα ένα τα τμήματα ενός VFD Inverter.

1. VFD Parts

Θα καλύψουμε τα μέρη και την λειτουργία των (VFD) Μεταβλητής Συχνότητας

Drive. Είναι σημαντικό να έχετε κατά νου ότι το Drive είναι μόνο ένα μέρος του

συστήματος. Όπως θα δείτε και στις φωτογραφίες που επισυνάπτονται,έχουμε τον διακόπτη αποσύνδεσης, τις ασφάλειες, τον διακόπτη παράκαμψης, την προστασία για θερμική υπερφόρτιση, το BAS, κ.λπ.,  που παίζουν σημαντικό ρόλο στην κατασκευή και στην σωστή λειτουργία ενός VFD.

Στο εσωτερικό του VFD υπάρχουν 4 μεγάλα τμήματα: ανορθωτής, στην μέση το (DC Link), τον αντιστροφέα και τον έλεγχο / ρύθμιση. Αυτό το τέταρτο τμήμα ο έλεγχος

και ρύθμιση, διασυνδέεται  με τα άλλα 3 τμήματα.

Γενικά η λειτουργία έχει ως εξής. Η τριφασική ή μονοφασική τάση δικτύου αρχίζει να εισέρχεται στον ανορθωτή, όπου αντίστοιχα την ανορθώνει σε DC τάση με κάποιο κυματισμό. Τα ενδιάμεσα κυκλώματα εξομαλύνουν και συγκρατούν την DC τάση σε σταθερά επίπεδοά και συνδέοναι με τον αντιστροφέα. Το τελευταίο, ο μετατροπέας, χρησιμοποιεί την τάση συνεχούς ρεύματος για την παλμική κίνηση του κινητήρα σε επίπεδα τάσης και ρεύματος ανάλογα με το κύκλωμα ελέγχου. Η διαμόρφωση των παλμών που πηγαίνουν στο μοτέρ το κάνει να μοιάζει με μία ημιτονοειδές κυματομορφή.

Κάθε μία από αυτές τις ενότητες εξετάζεται λεπτομερώς παρακάτω:

Διακόπτης παράκαμψης και ασφάλειες για ένα Inverter 600Hp (450KW), σε μικρότερους Ιnverter αυτά τα δύο μέρη είναι ενσωματωμένα μέσα στο drive.

Μετατρέπει το εναλλασσόμενο σε συνεχές.

Τα θυρίστορ (D1 έως D6) επιτρέπουν τη ροή ρεύματος μόνο σε μία κατεύθυνση όταν ενεργοποιείται το σήμα της πύλης τους. Σε αυτό το διάγραμμα, η ισχύς εναλλασσόμενου ρεύματος στο L1 μεταβαίνει στα θυρίστορ D1 και D2. Λόγω της θέσης αυτών των θυρίστορ, η ροή ρεύματος μπορεί να ανεβαίνει μόνο. Το θυρίστορ D1 άγει όταν το AC είναι θετικό και το D2 άγει  όταν το AC είναι αρνητικό. Αυτό οδηγεί την πάνω γραμμή (+) σε θετικό δυναμικό και την κάτω γραμμή (-) σε αρνητικό. Τα θυρίστορ D3 και D4 μετατρέπουν την ισχύ της L2 σε DC και τα θυρίστορ D5 και D6 μετατρέπουν το L3. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα βολτόμετρο για να μετρηθεί αυτή DC τάση. Σε αυτόν τον τύπο κυκλώματος, η τάση συνεχούς ρεύματος είναι 1,35 φορές μεγαλύτερη από την τάση γραμμής εναλλασσόμενου ρεύματος. Επομένως αν :

Vac= 240 V,   τότε παράγεται τάση 324 Vdc.

Vac= 380 V,   τότε παράγεται τάση 513 Vdc.

Vac= 400 V,   τότε παράγεται τάση 540 Vdc.

Vac= 575 V,   τότε παράγεται τάση 776 Vdc.

Επειδή σε μία εφαρμογή η ισχύς του φορτίου και η τάση δικτύου μπορεί να μεταβάλλεται τότε και η dc τάση θα κινείται μεταξύ των τιμών.

To τμήμα του ανορθωτή περιλαμβάνει την είσοδο της τροφοδοσίας , τα θυρίστορ και τις ψύκτρες.

Δείτε την εικόνα παρακάτω.

Σε μεγάλους VDF drives > 22kW = 30 Hp ένα soft charge κύκλωμα προστίθεται που βοηθάει στην φόρτιση των dc Πυκνωτών πριν εφαρμοστεί η τάση τροφοδοσίας στον ανορθωτή. Όπως θα δείτε και στην παρακάτω εικόνα αυτή η κάρτα είναι στην πάνω αριστερή γωνία ακριβώς πάνω από τον ανορθωτή και οι ασφάλειες της βρίσκονται στα δεξιά. Σε drivers μεγαλύτερα από 350 Hp, χρησιμοποιείται IGBT αντί για αντιστάσεις για να περιορίσουν το ρεύμα που πάει στους πυκνωτές.

Βλέπουμε ένα Soft Charge για ένα drive 600Hp (450kW).

Βλέπουμε για ένα Drive 200 Hp τις 2 μεγάλες ασφάλειες προστασίας της ισχύος που πάει στους πυκνωτές στο τμήμα DC Link.

Χρησιμοποιώντας μια σειρά από πυκνωτές και DC reactors η συνεχής τάση DC γίνεται πιο σταθερή.

Οι μπλέ πυκνωτές ή μαύροι που μπορούμε να τους συναντήσουμε αποθηκεύουν μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Στην φωτογραφία βλέπουμε τρείς σειρές από 12 πυκνωτές άρα συνολιά 36 πυκνωτές.

Υπάρχουν 2 σειρές πηνίων όπως φαίνονται παραπάνω.Τα πηνία DC Link είναι πάντα με 2 τερματικά, που εμφανίζονται εδώ στα αριστερά.Τα πηνία είναι συνεχούς ρεύματος, γνωστές επίσης ως  DC Chokes.

Όταν οι drivers ζητιέται να έχουνε δυναμικό φρένο, ο drive έρχεται με φρένο IGBTs. Όταν η τάση παίρνει πολύ υψηλή τιμή στο DC Bus, το φρένο IGBT ενεργοποιείται και στέλνει  ισχύ στην

αντίσταση του φρένου. Αυτό δεν είναι επιλογή για μονάδες HVAC.

Αυτή η επιλογή φρένων, γνωστή και ως δυναμική πέδηση, χρησιμοποιείται σε συσκευές που πρέπει να σταματούν ή να αλλάζουν γρήγορα φορά, όπως σε μεταφορείς, ανυψωτήρες και φυγόκεντρες. Σε μονάδες με φρένο, το τρανζίστορ IGBT χρησιμοποιείται για να αφαιρέσει την πρόσθετη ισχύ που επιστρέφει στη μονάδα όταν ο κινητήρας, ο οποίος έχει μεγάλη αδράνεια, σταματά ή αλλάζει κατεύθυνση. Η μόνη εφαρμογή HVAC που μπορεί να χρησιμοποιήσει δυναμική πέδηση είναι για ανεμιστήρες σε καύση λέβητα.

Οι μετατροπείς Inverters  λαμβάνουν την τάση από το δίαυλο DC και χρησιμοποιώντας τη διαμόρφωση εύρους παλμού (PWM) στέλνουν το σήμα που εμφανίζεται στον ηλεκτροκινητήρα ως σήμα AC.

Οι αισθητήρες Current παρακολουθούν το ρεύμα που πηγαίνει στις 3 φάσεις του μοτέρ. Αυτοί οι αισθητήρες ανιχνεύουν και ειδοποιούν όταν έχω βραχυκυκλωμένο ή γειωμένο κύκλωμα. Μερικοί κατασκευαστές ελέγχουν μόνο για βραχυκύκλωμα ή γείωση στην πρώτη εντολή για τρέξιμο του κυκλώματος. Η διαδικασία επιβλέπεται από κάποιο λογισμικό που μας δίνει Alarm και υπάρχει διακόπτης που αποσυνδέει τον κινητήρα από το drive. Κάποια Ιnverter δεν έχουνε αυτόν τον έλεγχο με αποτέλεσμα την καταστροφή του κινητήρα σε περίπτωση βραχυκυκλώματος. Βέβαια ένας driver δεν καταργεί τις άλλες προστασίες του κινητήρα από υπερένταση η υπερθέρμανση και πρέπει να συνυπάρχουν.

Οι Inverters, τα IGBT και η κάρτα snubber, είναι τοποθετημένοι σε ψήκτρα κάτω από κάθε μία από τις 3 σειρές πυκνωτών.

Όλοι οι κατασκευαστές Drivers χρησιμοποιούν διαμόρφωση PWM με διαφορετικό όμως πλάτος παλμού που πάει στον κινητήρα.

Σημείωση:  Γιατί χρησιμοποιούμε IGBT:

Έχει επικρατήσει ο ημιαγωγός που χρησιμοποιούμε να είναι IGBT γιατί έχει πάρα πολύ γρήγορη απόκριση και μπορεί να φθάσει υψηλές συχνότητες.

Στο παραπάνω διάγραμμα εμφανίζονται μόνο 7 παλμοί σε κάθε πλευρά, αλλά στην πραγματικότητα 1750 παλμοί ή περισσότεροι θα πρέπει να εμφανίζονται. Αυτή η συχνότητα PWM μπορεί κυμαίνεται από 3,5 kHz έως 15 kHz, πράγμα που σημαίνει ότι ακούγεται. Είναι επίσης γνωστό ως φέρων  συχνότητα, η οποία είναι μεταβλητή από τους περισσότερους κατασκευαστές VFD. Μία χαμηλή φέρων συχνότητα μπορεί να έχει ενοχλητικό θόρυβο, αλλά μία υψηλότερη φέρων συχνότητα παράγει περισσότερη θερμότητα στο driver  και στον κινητήρα. Αν ο θόρυβος των φέρων συχνοτήτων είναι πολύ δυνατός ιδιαίτερα μαζί με τους ανεμιστήρες τροφοδοσίας, LC φίλτρα τοποθετούνται μεταξύ του VFD και του κινητήρα και ο θόρυβος σταματά σε αυτό το φίλτρο.

Χωρίς driver, ο κινητήρας μπορεί να λειτουργεί με πλήρη ταχύτητα ή να είναι σταματημένος.Με ένα driver, ο κινητήρας μπορεί να πάει σε έναν αριθμό διαφορετικών ταχυτήτων.

Στην φωτογραφία βλέπουμε μία διαμόρφοση PWM που πάει στο μοτέρ χωρίς έλεγχο και δεξιά με έλεγχο VVC+ της εταιρείας Danfoss.

Η ενότητα ελέγχου και ρύθμισης παρακολουθεί και τα 3 τμήματα, κάνοντας πολλούς υπολογισμούςκαι διορθώσεις στο εξερχόμενο σήμα. Ο έλεγχος γίνεται με ελεγκτή PID και αισθητήρα 4-20 mA ή 0-10 V. Οι φωτογραφίες για την ανάλυση των κυκλωμάτων των Inverter είναι από τα μεγάλα Inverter > 400Ηp της εταιρείας Danfoss με έδρα την Δανία.   https://www.danfoss.com/en/products/

Troubleshooting σε ένα VFD Driver

Εάν γνωρίζουμε από τι αποτελείτε τα τμήματα ενός VFD Drive μπορούμε πολύ εύκολα να βρούμε κάποια βλάβη μετρώντας δυναμικά με ένα πολύμετρο.

Bήμα 1: Ελέγξτε τον ανορθωτή εισόδου.

Πριν ξεκινήσετε, δεν πρέπει να ξεχνάτε πάντα να αφαιρείτε την ισχύ και να περιμένετε μέχρι να μην υπάρχει τάση στον δίαυλο DC. Στη συνέχεια μετρήστε την πτώση τάσης στην δίοδο- θυρίστορ και πρέπει να έχει τιμές σύμφωνα με το φυλλάδιο του κατασκευαστή π.χ (0,3 V σε 0,6 V) σε κάθε ακροδέκτη εισόδου. Μία πιθανή βλάβη είναι η γέφυρα εισόδου να είναι πιθανότατα βραχυκυκλωμένη. Ωστόσο, αν διαβάσετε το ανοιχτό κύκλωμα τόσο με +- ή ανάποδα τους ακροδέκτες, τότε πιθανόν να είναι ανοικτή η αντίσταση φόρτισης.

Βήμα 2: Ελέγξτε την έξοδο της μονάδας VFD driver

Κρατώντας το κόκκινο ακροδέκτη του πολυμέτρου στον αρνητικό δίαυλο “-“, τοποθετήστε το μαύρο καλώδιο σε κάθε έναν από τους τρεις ακροδέκτες εξόδου του κινητήρα. Θα πρέπει να διαβάσετε ξανά, μία μικρή πτώση τάσης της διόδου. Τώρα, αντιστρέψτε το μαύρο καλώδιο στον θετικό δίαυλο “+” και το κόκκινο καλώδιο σε κάθε ακροδέκτη εξόδου κινητήρα. Θα σας βγάλει μια πτώση τάσης διόδου προς τα πάνω. Εάν δεν συμβαίνει κάτι τέτοιο και στις δύο φορές τότε η συσκευή εξόδου είναι βραχυκυκλωμένη. Εάν διαβάσετε ένα ανοιχτό κύκλωμα, τότε είτε η συσκευή εξόδου είναι κατεστραμμένη είτε είναι ανοιχτή η ασφάλεια Bus.

Βήμα 3: Ελέγξτε τους πυκνωτές διαύλου

Πρώτον, ελέγξτε φυσικά τους πυκνωτές για σημάδια βλάβης, όπως ραγισμένο ή παραμορφωμένο περίβλημα, ή το βύσμα πίεσης που βγήκε από την κορυφή. Στη συνέχεια, ρυθμίστε το πολύμετρο σε μέτρηση Ohm και ξεκινήστε τη μέτρηση της αντίστασης στον πυκνωτή, όπως φαίνεται στην παρακάτω Εικόνα.  Για έναν βραχυκυκλωμένο πυκνωτή, το πολυμέτρο θα εμφανίσει ανάγνωση κοντά στα 0 Ohm. Σε αυτή την περίπτωση, θα πρέπει να ψάξετε για κάποιο βραχυκύκλωμα. Ο μόνος τρόπος για να είμαστε σίγουροι για αυτό είναι να βάλουμε ένα παλμογράφο στο Bus και να δούμε τον κυματισμό.

Βασικό διάγραμμα για μικρά Inverter κινητήρες μερικών Hp.

Όπως βλέπουμε στην παραπάνω φωτογραφία η συνδεσμολογία ενός τέτοιου Inverter είναι πολύ εύκολη , τριφασική φάση τροφοδοσίας και τρία καλώδια τροφοδοτούν τον κινητήρα. Πολλοί κατασκευαστές μας δίνουν την δυνατότητα με μονοφασική παροχή να συνδέουμε τριφασικά μοτέρ αφού το κύκλωμα του πυκνωτή που μετατρέπει το μονοφασικό δίκτυο σε τριφασικό είναι ενσωματωμένο στην πλακέτα.

Βλέπουμε επίσης ότι στις εισόδους DI1, DI2, DI3 μπορούμε να βάλουμε την εκκίνηση του μοτερ Stop-Start,  να κάνουμε αναστροφή στο μοτέρ αλλά να πάρουμε και κάποιο σφάλμα. Επίσης μπορούμε να πετύχουμε και μεταβαλλόμενη ρύθμιση στροφών με αναλογική τάση 0-10 Volt ή αναλογικό ρεύμα 0-20mA.

Στο σεμινάριο που θα διεξαχθεί στην Αθήνα τον Σεπτέμβριο θα συνδέσουμε το Inverter με ένα PLC πχ Logo8 και θα αυξομειώνουμε τις στροφές του κινητήρα από το PLC.

(Εναρξη Σάββατο 15/09/2018) Σεμινάρια PLC δύο κύκλων A+B (40 ώρες+30 ώρες) στο ΚΔΒΜ 2 στο ΙΕΚ Δέλτα Αθήνας τον Σεπτέμβριο.