Frekvenční měniče pro energeticky úsporné větrání čerstvým vzduchem
Frekvenční měnič, známý také jako měnič s proměnnou frekvencí (Variable Frequency Drive – VFD), je elektronické zařízení, které řídí otáčky a točivý moment elektromotoru na střídavý proud tím, že mění napětí a frekvenci jeho napájení. Umožňuje přesné nastavení rychlosti motoru, což je ideální například pro regulaci otáček ventilátoru, kde je třeba efektivně řídit proudění vzduchu. Použitím frekvenčního měniče se nejen zlepšuje výkon, ale zároveň se snižuje spotřeba energie a opotřebení mechanických částí.
Zejména kombinace frekvenčního měniče se vzduchotechnickými čidly nabízí mnoho možností pro zvýšení energetické účinnosti ventilačního systému pomocí větrání řízeného podle potřeby. Při tomto způsobu regulace se rychlost ventilátoru průběžně optimalizuje tak, aby bylo vždy zajištěno právě tolik čerstvého vzduchu, kolik je potřeba. Jakmile vzduchotechnická čidla zjistí zhoršení kvality vzduchu, zvýší se otáčky ventilátoru, aby přiváděl více čerstvého vzduchu. Když je kvalita vzduchu dostatečná, otáčky se opět sníží. Tímto způsobem může ventilační systém šetřit energii a zároveň neustále zajišťovat dostatek čerstvého vzduchu.
Frekvenční měnič, známý také jako měnič s proměnnou frekvencí (Variable Frequency Drive – VFD), je elektronické zařízení, které řídí otáčky a točivý moment elektromotoru na střídavý proud tím, že mění napětí a frekvenci jeho napájení. Umožňuje přesné nastavení rychlosti motoru, což je ideální například pro regulaci otáček ventilátoru, kde je třeba efektivně řídit proudění vzduchu. Použitím frekvenčního měniče se nejen zlepšuje výkon, ale zároveň se snižuje spotřeba energie a opotřebení mechanických částí.
Zejména kombinace frekvenčního měniče se vzduchotechnickými čidly nabízí mnoho možností pro zvýšení energetické účinnosti ventilačního systému pomocí větrání řízeného podle potřeby. Při tomto způsobu regulace se rychlost ventilátoru průběžně optimalizuje tak, aby bylo vždy zajištěno právě tolik čerstvého vzduchu, kolik je potřeba. Jakmile vzduchotechnická čidla zjistí zhoršení kvality vzduchu, zvýší se otáčky ventilátoru, aby přiváděl více čerstvého vzduchu. Když je kvalita vzduchu dostatečná, otáčky se opět sníží. Tímto způsobem může ventilační systém šetřit energii a zároveň neustále zajišťovat dostatek čerstvého vzduchu.
Elektromotory přeměňují elektrickou energii na pohybNež se podrobněji podíváme na frekvenční měniče, je nejprve potřeba porozumět tomu, jak funguje elektromotor. Elektromotor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na pohyb (tzv. kinetickou energii). Převážně jde o rotační pohyb hřídele motoru.
Hřídel motoru je část elektromotoru, která se otáčí při jeho běhu. Můžete si ji představit jako osu kola – přenáší rotační sílu motoru na zařízení, které pohání, například lopatky ventilátoru nebo čerpadlo.
Rychlost motoru lze regulovat pomocí regulátoru otáček. Existuje nespočet typů elektromotorů, ale zhruba je lze rozdělit na motory na střídavý proud (AC) a motory s elektronickým komutátorem (EC). EC motory mají vždy vestavěný regulátor otáček, zatímco pro AC motory lze použít externí regulátor. Existuje několik typů regulátorů otáček: transformátorové regulátory, TRIAC regulátory a frekvenční měniče. Každý typ využívá odlišnou technologii a má své výhody i nevýhody. Jelikož se frekvenční měniče používají právě pro řízení AC motorů, podívejme se na ně blíže.
AC motor: elektrický proud a magnetismus
Elektromotory fungují na principu vzájemného působení mezi magnetismem a elektrickým proudem. Kromě elektrické energie je tedy nutné také magnetické pole. Synchronní AC motory používají permanentní magnety, zatímco asynchronní AC motory si vytvářejí magnetické pole samy pomocí indukce (tedy rovněž vzájemným působením magnetismu a elektřiny).
Ve statoru – části motoru, která se nepohybuje – je umístěna cívka. Když cívkou protéká střídavý proud, vzniká magnetické pole. Jelikož proud neustále mění směr, mění se i polarita magnetického pole. Vzniká tak dojem, že se magnetické pole neustále otáčí. Toto otáčení probíhá ve stejném rytmu jako frekvence střídavého napětí. Rotor – rotující část motoru – následuje toto měnící se magnetické pole. Rotor synchronních motorů obsahuje permanentní magnety. Rotor asynchronních motorů má tzv. klecové vinutí – vypadá jako kovové kolo s tlustými pruty podélně propojenými kovovými kruhy na obou koncích, něco jako kovové „kolo pro křečka“. Pokud je tento klecový rotor vystaven pohybujícímu se magnetickému poli, vzniká v něm indukovaný elektrický proud, který následně vytváří vlastní magnetické pole.
Všechna tato magnetická pole a proudy generují teplo (tedy ztrátovou energii). Teplo je proto největším nepřítelem robustního AC motoru. V případě přehřátí hrozí riziko poškození, například zkratu uvnitř motoru. Proto je velmi důležité přehřátí včas detekovat. Některé motory mají teplotní řidla (např. TK nebo PTC), která lze připojit k regulátoru otáček. Ten dokáže motor včas vypnout a zabránit tak jeho poškození.
Technické údaje o AC motoru
Pro správný výběr frekvenčního měniče pro konkrétní motor je nutné znát následující údaje:
- Napájecí napětí – Elektrická energie potřebná pro chod motoru se označuje jako napájecí napětí a udává se ve voltech střídavého proudu [VAC]. Může být jednofázové nebo třífázové. Z veřejné elektrické sítě jsou běžně dostupné tyto možnosti: 1-fázové 230 V AC / 3-fázové 230 V AC / 3-fázové 400 V AC.
- Odběr proudu – Udává množství elektrické energie, které motor spotřebuje. Spotřeba proudu se udává v ampérech [A]. Proudový odběr se zvyšuje s rostoucími otáčkami motoru nebo s větším zatížením (například u větších lopatek ventilátoru). Maximální odběr proudu je zpravidla uveden na technickém štítku motoru.
- Výkon motoru – Kombinace napájecího napětí, (maximálního) odběru proudu a účinnosti motoru tvoří jeho výkon. Ten se udává ve wattech [W] nebo kilowattech [kW]. I tento údaj bývá uveden na technickém štítku.
Vedle těchto základních údajů se na technickém štítku motoru obvykle nacházejí i další informace. Otáčky hřídele motoru jsou vyjádřeny v otáčkách za minutu [rpm]. Točivý moment, tedy síla, kterou je motor schopen na hřídeli vyvinout, se uvádí v newtonmetrech [Nm].
Praktický příklad: Traktor má motor s nízkými otáčkami, ale vysokým točivým momentem – proto se pohybuje pomalu, ale dokáže táhnout těžké náklady.
Závodní vůz F1 má motor s velmi vysokými otáčkami (mnoho rpm), ale nižším točivým momentem než traktor – ideální pro lehké vozidlo, které nepotřebuje velkou tahovou sílu.
Různé typy regulátorů otáček
Závodní vůz F1 má motor s velmi vysokými otáčkami (mnoho rpm), ale nižším točivým momentem než traktor – ideální pro lehké vozidlo, které nepotřebuje velkou tahovou sílu.
Různé typy regulátorů otáček
Jak již bylo zmíněno, existuje více typů regulátorů otáček. Každý typ využívá odlišnou technologii s vlastními výhodami a nevýhodami. Mezi nimi však vyniká frekvenční měnič díky své pokročilosti. Jednodušší regulátory otáček pouze snižují napětí motoru. Frekvenční měnič ale dokáže mnohem víc...
Transformátorové regulátory a TRIAC regulátory snižují otáčky motoru tím, že snižují napětí dodávané do motoru – nižší napětí znamená nižší otáčky. Transformátorové regulátory obvykle pracují v napěťových krocích (typicky 5). Elektronické regulátory umožňují plynulé řízení otáček. Hlavní výhodou těchto jednoduchých typů regulace je jejich snadné zapojení a okamžitá funkčnost – stačí připojit motor a regulátor je ihned připraven k použití, bez nutnosti nastavování.
Frekvenční měnič rovněž umožňuje plynulou regulaci otáček (stejně jako TRIAC), ale s mnohem propracovanější technologií řízení. Tato pokročilejší regulace vyžaduje určité nastavení parametrů před uvedením do provozu. Po připojení motoru je obvykle nutné upravit některé základní hodnoty. Díky vestavěným vstupům a výstupům však měnič nabízí široké možnosti rozšíření o logické a doplňkové funkce – což z něj dělá výkonné řešení pro pokročilé řízení motorů.
Frekvenční měnič vs. TRIAC regulátor
Jaký je tedy rozdíl mezi frekvenčním měničem a TRIAC regulátorem? Frekvenční měnič mění nejen napětí motoru, ale také frekvenci. Naproti tomu TRIAC regulátor pouze „odřezává“ části ze vstupního napětí, ale frekvence zůstává stejná – tedy 50 Hz.
To vede k nižšímu točivému momentu (menší síle). Motor se přesto snaží běžet na maximální otáčky, protože frekvence je stále na maximu. Frekvence totiž určuje otáčení magnetického pole, které řídí rychlost motoru.
Jaký je tedy rozdíl mezi frekvenčním měničem a TRIAC regulátorem? Frekvenční měnič mění nejen napětí motoru, ale také frekvenci. Naproti tomu TRIAC regulátor pouze „odřezává“ části ze vstupního napětí, ale frekvence zůstává stejná – tedy 50 Hz.
To vede k nižšímu točivému momentu (menší síle). Motor se přesto snaží běžet na maximální otáčky, protože frekvence je stále na maximu. Frekvence totiž určuje otáčení magnetického pole, které řídí rychlost motoru.
Snížením napětí bez změny frekvence vzniká riziko zastavení motoru. Když se sníží napětí, ale frekvence zůstane stejná, motor zeslábne – má menší točivý moment, což je síla, která udržuje motor v chodu. Pokud točivý moment příliš klesne, motor nemusí překonat odpor zátěže (například lopatek ventilátoru) a může se zastavit nebo se přestat točit.
Proto je pouhé snížení napětí (což dělají TRIAC regulátory) rizikové, zejména při nízkých otáčkách, oproti frekvenčním měničům, které současně upravují jak napětí, tak frekvenci a umožňují tak plynulý chod motoru.
Proto je pouhé snížení napětí (což dělají TRIAC regulátory) rizikové, zejména při nízkých otáčkách, oproti frekvenčním měničům, které současně upravují jak napětí, tak frekvenci a umožňují tak plynulý chod motoru.
Frekvenční měnič udržuje konstantní poměr mezi napětím a frekvencí (U/f = konst.), čímž zajišťuje, že motor dostává vždy optimální napětí (nižší spotřeba energie).
Když se sníží napětí, sníží se zároveň i frekvence. Motor se pak otáčí pomaleji, ale stále si zachovává téměř plný točivý moment. Díky tomu je motor i při nízkých otáčkách stále výkonný a riziko jeho zastavení je výrazně menší.
Když se sníží napětí, sníží se zároveň i frekvence. Motor se pak otáčí pomaleji, ale stále si zachovává téměř plný točivý moment. Díky tomu je motor i při nízkých otáčkách stále výkonný a riziko jeho zastavení je výrazně menší.
Kvůli ne zcela sinusovému napětí, které TRIAC regulátor do motoru posílá, může být motor hlučný, zejména při nižších otáčkách.
Naopak frekvenční měnič díky PWM technologii (Pulse Width Modulation – pulzně šířková modulace) generuje téměř dokonalé sinusové napětí, což umožňuje zcela tichý provoz jak měniče, tak motoru.
Naopak frekvenční měnič díky PWM technologii (Pulse Width Modulation – pulzně šířková modulace) generuje téměř dokonalé sinusové napětí, což umožňuje zcela tichý provoz jak měniče, tak motoru.
Jak frekvenční měnič funguje?
Z technického hlediska lze frekvenční měnič rozdělit na tři základní funkční bloky:
Z technického hlediska lze frekvenční měnič rozdělit na tři základní funkční bloky:
- Usměrňovač (Rectifier) – Zde dochází k přeměně přiváděného střídavého napětí (jednofázového nebo třífázového AC) na stejnosměrné napětí (DC).
- DC meziobvod (DC Bus) – Tato část funguje jako energetická zásobárna. DC meziobvod si můžete představit jako velkou interní baterii uvnitř frekvenčního měniče.
- Střídač (Inverter Stage) – Zde se stejnosměrné napětí opět převádí na střídavé napětí (jednofázové nebo třífázové). K převodu se používá technologie PWM – pulzně šířková modulace. Dále se používají také IGBT tranzistory (insulated-gate bipolar transistors), které umožňují průchod proudu ve velmi rychlých impulzech – lze si je představit jako extrémně rychlé vypínače. Kombinací těchto krátkých impulzů vzniká téměř ideální sinusové napětí. IGBT tranzistory jsou mnohem rychlejší než TRIACy a zvládají vyšší proudy, ale jsou také dražší.
Hlavní rozdíl mezi frekvenčním měničem a regulátory typu transformátor nebo TRIAC je ten, že frekvenční měnič nejprve přemění přiváděné napětí na stejnosměrné a poté zpět na střídavé napětí. Oproti tomu TRIAC a transformátorové regulátory pouze snižují střídavé napětí, ale frekvenci nemění.
Elektromagnetická kompatibilita (EMC)
EMC je zkratka pro elektromagnetickou kompatibilitu. Každý frekvenční měnič využívá IGBT tranzistory (rychlé elektronické vypínače) k regulaci otáček motoru. Tyto vypínače jsou sice velmi účinné, ale zároveň vytvářejí elektrický šum – známý také jako elektromagnetické rušení (EMI – ElectroMagnetic Interference) – který se může šířit zpět do elektrické sítě budovy. TRIAC regulátory a transformátorové regulátory vytvářejí mnohem méně EMI než frekvenční měniče, protože spínají při mnohem nižší frekvenci. Právě proto hraje EMC filtr klíčovou roli v udržení stability elektrického prostředí v budově, kde jsou frekvenční měniče instalovány.
EMC je zkratka pro elektromagnetickou kompatibilitu. Každý frekvenční měnič využívá IGBT tranzistory (rychlé elektronické vypínače) k regulaci otáček motoru. Tyto vypínače jsou sice velmi účinné, ale zároveň vytvářejí elektrický šum – známý také jako elektromagnetické rušení (EMI – ElectroMagnetic Interference) – který se může šířit zpět do elektrické sítě budovy. TRIAC regulátory a transformátorové regulátory vytvářejí mnohem méně EMI než frekvenční měniče, protože spínají při mnohem nižší frekvenci. Právě proto hraje EMC filtr klíčovou roli v udržení stability elektrického prostředí v budově, kde jsou frekvenční měniče instalovány.
EMI rušení není slyšitelné uchem, ale může narušit funkci citlivých elektronických zařízení v budově. Systémy jako požární signalizace, řízení osvětlení, komunikační sítě nebo kancelářská technika mohou být tímto neviditelným rušením ovlivněny. A právě zde přichází ke slovu EMC filtr. EMC filtr funguje jako ochranná bariéra – odfiltruje elektrický šum vznikající ve frekvenčním měniči a zabrání jeho šíření přes napájecí síť. Jinými slovy, EMC filtr zajišťuje, aby měnič mohl fungovat, aniž by rušil další zařízení v budově. Instalace EMC filtru není jen dobrý nápad – často je to povinnost.
V komerčních, průmyslových nebo víceúčelových budovách bývá použití EMC filtru při instalaci frekvenčního měniče požadováno předpisy. Použití EMC filtru v těchto instalacích tak pomáhá zajistit soulad s normami elektrické bezpečnosti a zároveň spolehlivost všech dalších elektronických systémů v objektu.
V komerčních, průmyslových nebo víceúčelových budovách bývá použití EMC filtru při instalaci frekvenčního měniče požadováno předpisy. Použití EMC filtru v těchto instalacích tak pomáhá zajistit soulad s normami elektrické bezpečnosti a zároveň spolehlivost všech dalších elektronických systémů v objektu.
Produktová řada frekvenčních měničů
Společnost Sentera je distributorem frekvenčních měničů Invertek určených pro aplikace v oblasti vzduchotechniky. Řada Optidrive E3 je známá svou snadnou obsluhou, vysokou kvalitou a standardními nastaveními, která jsou již optimalizována pro vzduchotechnické aplikace. To výrazně zjednodušuje uvedení do provozu a konfiguraci.
Všechna zařízení jsou vybavena vestavěným EMC filtrem kategorie C1 podle normy EN61800-3:2004. Naše produktová řada frekvenčních měničů zahrnuje tři varianty:
Všechna zařízení jsou vybavena vestavěným EMC filtrem kategorie C1 podle normy EN61800-3:2004. Naše produktová řada frekvenčních měničů zahrnuje tři varianty:
- Frekvenční měniče -E2 jsou vhodné pro instalaci do elektrického rozvaděče a mají připojovací svorky pro vnější řídicí signály. Tyto měniče jsou vybaveny také standardním ovládacím panelem (5 tlačítek a 7-segmentový LED displej). Externí příkazy pro spuštění a zastavení, stejně jako řídicí signály 0–10 V pro nastavení otáček, lze připojit prostřednictvím svorkovnice. Měnič používá tyto vnější signály k určení způsobu řízení motoru.
Kryt měničů řady -E2 poskytuje stupeň krytí IP20 proti vniknutí vlhkosti a prachu. Důrazně doporučujeme instalaci těchto zařízení do elektrického rozvaděče s dostatečným větráním a chlazením, aby bylo zajištěno efektivní odvádění tepla. - Frekvenční měniče -E6-19 jsou vhodné pro venkovní instalaci a mají připojovací svorky pro vnější řídicí signály. Jsou vybaveny též standardním ovládacím panelem (5 tlačítek a 7-segmentový LED displej). Externí příkazy pro spuštění/zastavení a signály 0–10 V pro řízení otáček lze připojit přes svorkovnici. Měnič tyto signály používá k řízení motoru.
Kryt měničů řady -E6-19 má stupeň krytí IP66 proti vniknutí vody a nečistot. Díky odolné konstrukci lze měnič instalovat přímo venku v blízkosti motoru. Je odolný proti vniknuí prachu a připravený na oplachování díky utěsněnému ABS krytu a chladiči odolnému vůči korozi. Pevný polykarbonátový kryt je navržen tak, aby odolal UV záření, tukům, olejům a kyselinám, a zůstal pevný i při teplotách do -20 °C. Přesto se doporučuje chránit zařízení před přímým deštěm a slunečním zářením. - Frekvenční měniče -E6-19 jsou vhodné pro venkovní použití a disponují vestavěnými ovládacími prvky. Tyto měniče mají vestavěný potenciometr pro nastavení otáček, třípolohový přepínač pro směr běhu (zpětný chod – VYP – přímý chod) a uzamykatelný hlavní vypínač.
jsou vhodné pro instalaci do elektrického rozvaděče a mají připojovací svorky pro vnější řídicí signály. Tyto měniče jsou vybaveny také standardním ovládacím panelem (5 tlačítek a 7-segmentový LED displej). Externí příkazy pro spuštění a zastavení, stejně jako řídicí signály 0–10 V pro nastavení otáček, lze připojit prostřednictvím svorkovnice. Měnič používá tyto vnější signály k určení způsobu řízení motoru.
jsou vhodné pro venkovní instalaci a mají připojovací svorky pro vnější řídicí signály. Jsou vybaveny též standardním ovládacím panelem (5 tlačítek a 7-segmentový LED displej). Externí příkazy pro spuštění/zastavení a signály 0–10 V pro řízení otáček lze připojit přes svorkovnici. Měnič tyto signály používá k řízení motoru.
jsou vhodné pro venkovní použití a disponují vestavěnými ovládacími prvky. Tyto měniče mají vestavěný potenciometr pro nastavení otáček, třípolohový přepínač pro směr běhu (zpětný chod – VYP – přímý chod) a uzamykatelný hlavní vypínač.Kryt měničů řady -E6-19 poskytuje stupeň krytí IP66 proti vniknutí vody a nečistot. Díky této robustní konstrukci je možné zařízení snadno instalovat ve venkovním prostředí v blízkosti motoru. Jsou odolná proti vniknuí prachu a připravena pro oplachování díky utěsněnému ABS krytu a chladiči odolnému vůči korozi. Odolný polykarbonátový plastový kryt je navržen tak, aby odolával degradaci způsobené ultrafialovým (UV) zářením, tuky, oleji a kyselinami. Zároveň je dostatečně pevný, aby neztrácel svou odolnost ani při teplotách do -20 °C. Doporučuje se zařízení chránit před přímým deštěm a slunečním zářením.
Jak vybrat správný frekvenční měnič pro vaši aplikaci?
Po provedení výběru podle typu použití je třeba provést také výběr na základě technických parametrů motoru. Pro správný výběr vhodného zařízení pro vaši aplikaci budete potřebovat následující informace:
Po provedení výběru podle typu použití je třeba provést také výběr na základě technických parametrů motoru. Pro správný výběr vhodného zařízení pro vaši aplikaci budete potřebovat následující informace:
- Jaké je dostupné napájecí napětí na místě instalace?
Typická dostupná napájecí napětí jsou: 1fázové napájení 230 V, 3fázové napájení 230 V, 3fázové napájení 400 V
Toto je napětí, které bude přiváděno na frekvenční měnič. - Jaké napětí vyžaduje motor? (Tuto informaci naleznete na technickém štítku motoru.)
AC motory jsou běžně dostupné s následujícími jmenovitými napětími: 1fázové 230 V AC, 3fázové 230 V AC, 3fázové 400 V AC
Toto je napětí, které bude frekvenční měnič dodávat AC motoru (bez ohledu na napájecí napětí samotného měniče). - Jaký je proud motoru? Tato informace je také uvedena na technickém štítku motoru a je vyjádřena v ampérech [A].
Proud, který je frekvenční měnič schopen dodat, musí být vyšší než jmenovitý proud motoru. V případě, že jeden frekvenční měnič ovládá více motorů, součet proudů všech motorů (plus určitá rezerva) musí být nižší než maximální výstupní proud měniče.
Obvykle se údaje o proudu [A] a výkonu [kW], uvedené na motoru a na měniči, vzájemně shodují. V případě nejistoty je doporučeno zvolit typ frekvenčního měniče, který je schopen dodat vyšší proud, než je maximální proud motoru.