Frequentieregelaars voor een perfecte motorregeling

06-06-2025 Heidi Wyns

Frequentieregelaars voor energiezuinige toevoer van verse lucht

Een frequentieregelaar, ook wel bekend als een Variable Frequency Drive (VFD), is een elektronisch apparaat dat de snelheid en het koppel van een elektrische AC-motor regelt door de spanning en frequentie van de voeding te variëren. Hierdoor kan de motorsnelheid nauwkeurig worden aangepast, wat het ideaal maakt voor toepassingen zoals ventilatorregeling waarbij de luchtstroom efficiënt moet worden geregeld. Het gebruik van een frequentieregelaar verbetert niet alleen de prestaties, maar vermindert ook het energieverbruik en de slijtage van mechanische onderdelen. Vooral de combinatie van een frequentieregelaar met HVAC-sensoren biedt veel mogelijkheden om de energie-efficiëntie van een ventilatiesysteem te verhogen via vraaggestuurde ventilatie. Bij vraaggestuurde ventilatie wordt de ventilatorsnelheid continu geoptimaliseerd om altijd precies genoeg verse lucht te leveren. Zodra de HVAC-sensoren aangeven dat de luchtkwaliteit afneemt, wordt de ventilatorsnelheid verhoogd om meer verse lucht toe te voeren. Wanneer de luchtkwaliteit voldoende is, wordt de snelheid weer verlaagd. Op deze manier bespaart het ventilatiesysteem energie terwijl het continu voldoende frisse lucht aanvoert.

Elektrische motoren zetten elektrische energie om in beweging

Voordat we dieper ingaan op de werking van een frequentieregelaar, is het nuttig om eerst wat basisinformatie over elektrische motoren te geven. Een elektrische motor is een machine die elektrische energie omzet in beweging (ook wel kinetische energie genoemd). De motor zet elektrische energie voornamelijk om in een roterende beweging van de motoras. De motoras is het deel van de elektrische motor dat draait wanneer de motor in werking is. Je kunt het vergelijken met de as van een wiel — het is het onderdeel dat draaikracht van de motor overdraagt op het aangedreven apparaat, zoals een ventilatorblad of een pomp.

De snelheid van de motor kan worden geregeld met een snelheidsregelaar. Er bestaan talloze motortypes, maar in grote lijnen maken we onderscheid tussen AC- en EC-motoren. EC-motoren hebben altijd een ingebouwde snelheidsregelaar, terwijl AC-motoren een externe snelheidsregelaar nodig hebben. Er zijn verschillende types snelheidsregelaars: transformatorregelaars, TRIAC-regelaars en frequentieregelaars. Elk type gebruikt een andere technologie om de motorsnelheid te regelen en heeft zijn eigen voor- en nadelen. Omdat een frequentieregelaar gebruikt wordt om een AC-motor aan te sturen, lichten we die hier verder toe.

AC-motor: elektrische stromen en magnetisme

Elektrische motoren werken op basis van de interactie tussen magnetisme en elektrische stroom. Naast elektrische energie is er dus ook magnetisme nodig. Synchrone AC-motoren gebruiken permanente magneten, terwijl asynchrone AC-motoren hun eigen magnetisch veld opwekken via inductie — ook een samenspel van magnetisme en elektriciteit.

In de stator – het deel van de motor dat niet beweegt – is een spoel geplaatst. Wanneer er wisselstroom door deze spoel loopt, wordt er een magnetisch veld opgewekt. Omdat de stroom wisselend is, verandert de polariteit van het magnetisch veld voortdurend. Hierdoor lijkt het alsof het magnetisch veld ronddraait. Dit gebeurt met dezelfde frequentie als de wisselspanning. De rotor – het draaiende deel van de motor – volgt dit veranderende magnetisch veld. De rotor van synchrone motoren bestaat uit permanente magneten. De rotor van asynchrone motoren heeft een kooiankerontwerp (ook wel kortsluitanker genoemd) – dit lijkt een beetje op een metalen wiel met dikke staven langs de lengte, aan beide uiteinden verbonden met ringen — een soort hamsterwiel van metaal. Wanneer deze kooirotor in een bewegend magnetisch veld wordt geplaatst, wordt er een elektrische stroom opgewekt (geïnduceerd), die op zijn beurt weer een magnetisch veld creëert. Al deze magnetische velden en elektrische stromen genereren warmte (energieverlies in de vorm van warmte). Warmte is dan ook de grootste vijand van de robuuste AC-motor. Bij oververhitting ontstaat het risico op schade door interne kortsluiting. Het tijdig detecteren van oververhitting is dus erg belangrijk voor een AC-motor. Sommige uitvoeringen zijn uitgerust met temperatuursensoren in de motor (zoals TK of PTC). Deze kunnen worden uitgelezen door bepaalde snelheidsregelaars om de motor bij oververhitting tijdig uit te schakelen en schade te voorkomen.

Technische gegevens van de AC-motor

Om het juiste type frequentieregelaar voor een specifieke motor te kiezen, is het noodzakelijk om over de volgende gegevens te beschikken:

Voedingsspanning – De elektriciteit die een AC-motor nodig heeft om te functioneren, wordt de voedingsspanning genoemd en wordt uitgedrukt in [VAC]. Deze kan enkelfasig of driefasig zijn. De volgende spanningsopties zijn beschikbaar via het openbare elektriciteitsnet: 1-fase 230 VAC / 3-fase 230 VAC / 3-fase 400 VAC.
Stroomverbruik – De hoeveelheid energie die de motor verbruikt. De elektrische stroom die de motor verbruikt, wordt uitgedrukt in ampère [A]. Hoe hoger de motorsnelheid of de belasting (bijvoorbeeld grotere ventilatorbladen), hoe meer stroom de motor trekt. De maximale stroomafname staat meestal vermeld op het technische label van de motor.
Motorvermogen – De combinatie van de aangeleverde spanning, de (maximale) stroomafname en het rendement van de motor bepaalt het motorvermogen. Dit wordt uitgedrukt in watt of kilowatt en is doorgaans ook vermeld op het technische label van de motor.

Naast deze essentiële gegevens bevat het technische label van de motor vaak nog andere informatie. De draaisnelheid van de motoras wordt uitgedrukt in omwentelingen per minuut [rpm]. Het koppel (de kracht die de motoras kan leveren) wordt uitgedrukt in newtonmeter [Nm]. Voorbeeld uit de praktijk: Een tractor heeft een motor met lage snelheid maar een hoog koppel – hij rijdt traag maar kan zware lasten trekken. Een Formule 1-wagen heeft een motor met zeer hoge snelheid (veel rpm) maar een lager koppel dan een tractor. Omdat een racewagen licht is, is dat prima: er is minder kracht nodig.

Verschillende types snelheidsregelaars

Zoals eerder vermeld, zijn er verschillende soorten snelheidsregelaars, elk met hun eigen technologie, voordelen en nadelen. De frequentieregelaar springt eruit vanwege zijn geavanceerde aansturing. Eenvoudige snelheidsregelaars verlagen enkel de motorspanning, een frequentieregelaar doet veel meer...

Transformatorregelaars en TRIAC-regelaars verlagen de motorsnelheid door de spanning die naar de motor wordt gestuurd te verlagen. Een lagere motorspanning resulteert in een lagere snelheid. Transformatorregelaars verlagen de spanning in stappen (meestal 5 stappen), elektronische snelheidsregelaars bieden een variabele snelheidsregeling. Het grote voordeel van beide types snelheidsregelaars is hun eenvoud in bedrading en inbedrijfstelling. Zodra de motor is aangesloten, kan de regelaar onmiddellijk worden gebruikt, er is geen configuratie nodig.

Een frequentieregelaar regelt het motortoerental ook continu, net als de TRIAC-regelaar. De regeling is echter complexer dan die van een TRIAC-regelaar (binnenkort meer hierover). Deze meer geavanceerde regeling vereist extra configuratie. Na het aansluiten moeten over het algemeen enkele instellingen in de frequentieregelaar worden aangepast voordat deze kan worden gebruikt. Dankzij extra in- en uitgangen op het apparaat kunnen veel extra logische functies en mogelijkheden worden toegevoegd. Frequentieregelaar versus TRIAC-regelaar

Wat is het verschil tussen een frequentieregelaar en een TRIAC-regelaar?

Een frequentieregelaar verandert niet alleen de motorspanning, maar ook de frequentie! Een TRIAC-regelaar snijdt segmenten uit de geleverde spanning, maar verandert de frequentie niet - die blijft 50 Hz. Dit resulteert in een lager koppel (minder kracht). De motor probeert nog steeds op maximale snelheid te draaien, omdat de frequentie nog steeds maximaal is. De frequentie creëert het roterende magnetische veld dat verantwoordelijk is voor de motorsnelheid. Door enkel de spanning te verlagen zonder de frequentie aan te passen bestaat het risico dat de motor afslaat. Wanneer je de spanning naar een motor verlaagt zonder de frequentie te veranderen, wordt de motor zwakker omdat hij minder koppel produceert - de kracht die hem aan het draaien houdt. Als het koppel te veel daalt, is de motor mogelijk niet in staat om de weerstand van de belasting, zoals de bladen van een ventilator, te overwinnen en kan hij afslaan of stoppen met draaien. Daarom kan het simpelweg verlagen van de spanning (zoals TRIAC-regelaars doen) riskant zijn, vooral bij lage snelheden, in vergelijking met frequentieregelaars die zowel de spanning als de frequentie aanpassen om de motor soepel te laten draaien.

Een frequentieregelaar behoudt namelijk de verhouding tussen spanning en frequentie (U/f = constant). Zo krijgt de motor steeds een optimale spanning (minder energieverbruik!). Dankzij deze optimale verhouding werkt de motor efficiënt en stabiel, wat de frequentieregelaar veel energie-efficiënter maakt dan een TRIAC- of transformatorregelaar, vooral bij lage snelheden.

Bij een lagere spanning verlaagt de frequentieregelaar ook de frequentie. Hierdoor draait de motor trager, maar met vrijwel hetzelfde koppel. De motor blijft dus krachtig, zelfs bij lage snelheid. De kans dat hij vastloopt, is aanzienlijk kleiner. Omdat een TRIAC-regelaar geen perfecte sinusvormige spanning levert, kan de motor lawaai maken, vooral bij lage snelheden.

Een frequentieregelaar genereert een bijna perfect sinusvormige spanning dankzij de PWM-technologie (Pulse Width Modulation), waardoor zowel de frequentieregelaar als de motor volledig geruisloos werken. Als het geluidsniveau met de standaardinstellingen nog steeds te hoog is, kan het verder worden gereduceerd door de maximale schakelfrequentie in de parameterinstellingen van de frequentieregelaar te verhogen (parameter 17). Een verhoogde schakelfrequentie kan echter leiden tot een snellere slijtage van de motorlagers en extra elektromagnetische storingen (EMC).

Schematische werking van een frequentieregelaar

Hoe werkt een frequentieregelaar?

Vanuit technisch oogpunt kan een frequentieregelaar worden onderverdeeld in drie functionele blokken:

De gelijkrichter - Hier wordt de aangevoerde wisselstroom (enkelfasig of driefasig AC) omgezet in gelijkstroom (DC).
De DC-bus - Deze module werkt als een energiereservoir. De DC-bus kan worden gezien als een grote interne batterij in de frequentieregelaar.
De omvormerfase - Hier wordt de gelijkstroom terug omgezet in wisselstroom (enkelfasig of driefasig). De technologie die voor deze omzetting wordt gebruikt is Pulse Width Modulation (PWM) of Pulsbreedtemodulatie. Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBT's) laten kort achter elkaar stroom vloeien (zoals lichtschakelaars die extreem snel aan en uit gaan). De combinatie van al deze korte pulsen genereert een bijna perfecte sinusvormige spanning. IGBT's zijn dan wel veel sneller en krachtiger dan TRIAC's, ze zijn ook duurder.

Het grote verschil tussen frequentieregelaars en TRIAC- of transformatorregelaars is dat de frequentieregelaar eerst wisselspanning omzet naar gelijkspanning, en daarna weer naar wisselspanning met aangepaste parameters. De andere twee types verlagen alleen de aangevoerde AC-spanning.

Elektromagnetische Compatibiliteit of EMC

EMC staat voor Elektromagnetische Compatibiliteit. Elke frequentieomvormer maakt gebruik van IGBT’s (de snelle elektronische schakelaars) om de motorsnelheid te regelen. Hoewel deze schakelaars zeer efficiënt zijn, genereren ze ook elektrische ruis — ook wel bekend als elektromagnetische interferentie (EMI) — die zich kan terugvoeren naar het stroomnet van het gebouw. TRIAC- en transformatorregelaars produceren veel minder EMI dan een frequentieregelaar, omdat ze schakelen met een veel lagere frequentie. Daarom speelt de EMC-filter een cruciale rol bij het behouden van een stabiele elektrische omgeving in een gebouw waarin frequentieomvormers worden toegepast.

EMI-interferentie veroorzaakt geen hoorbaar geluid, maar kan wel de werking van andere gevoelige elektronische apparaten in het gebouw verstoren. Systemen zoals brandalarmen, lichtbesturing, communicatienetwerken en kantoorapparatuur kunnen allemaal worden beïnvloed door deze onzichtbare verstoring. Daar komt de EMC-filter in beeld. De filter fungeert als een beschermende barrière die de door de omvormer opgewekte elektrische ruis uitfiltert en voorkomt dat deze zich via de stroomvoorziening verspreidt. Kortom, de EMC-filter zorgt ervoor dat de frequentieomvormer functioneert zonder andere apparatuur in het gebouw te storen. Het installeren van een EMC-filter is niet alleen verstandig — het is vaak verplicht. In commerciële, industriële of multifunctionele gebouwen schrijft de regelgeving doorgaans het gebruik van EMC-filters voor bij het installeren van frequentieomvormers. Dit draagt bij aan de naleving van elektrische veiligheidsnormen én aan de betrouwbaarheid van alle andere elektronische systemen in de installatie.

Productgamma frequentieregelaars

Sentera is een distributeur van Invertek-frequentieregelaars voor HVAC-toepassingen. De Optidrive E3-serie staat bekend om het gebruiksgemak, de uitstekende kwaliteit en standaardinstellingen die al geoptimaliseerd zijn voor HVAC-toepassingen. Dit vereenvoudigt de inbedrijfstelling en configuratie. Alle apparaten zijn uitgerust met een ingebouwde EMC-filter van categorie C1, conform EN61800-3:2004. Ons assortiment frequentieomvormers bestaat uit drie varianten:

1. Frequentieomvormers -E2 voor installatie in elektrische schakelkasten met klemmenstroken voor het aansluiten van externe stuursignalen. Deze frequentieomvormers zijn uitgerust met het standaard bedieningspaneel (5 drukknoppen en een 7-segment LED-display). Externe start-stopcommando’s en 0–10 Volt snelheidsreferentiesignalen kunnen worden aangesloten via het klemmenblok. De frequentieomvormer gebruikt deze externe stuursignalen om te bepalen hoe de motor aangestuurd moet worden.

De behuizing van de -E2-toestellen biedt een IP20-beschermingsgraad tegen het binnendringen van vocht en stof. We raden ten zeerste aan om deze toestellen te installeren in een elektrische schakelkast met voldoende ventilatie en koeling, om een goede warmteafvoer te garanderen.

2. Frequentieomvormers -E6-19 voor installatie buiten, met klemmenstroken voor het aansluiten van externe stuursignalen.

Deze frequentieomvormers zijn uitgerust met het standaard bedieningspaneel (5 drukknoppen en een 7-segment LED-display). Externe start-stopcommando’s en 0–10 Volt snelheidsreferentie signalen kunnen worden aangesloten via het klemmenblok. De frequentieomvormer gebruikt deze externe signalen om te bepalen hoe de motor moet worden aangestuurd.

De behuizing van de -E6-19-toestellen biedt een IP66-beschermingsgraad tegen het binnendringen van water en vuil. Dankzij deze robuuste behuizing kunnen ze eenvoudig buitenshuis, in de nabijheid van de motor, worden geïnstalleerd. Ze zijn stofdicht en bestand tegen afspuiten dankzij de afgedichte ABS-behuizing en de corrosiebestendige koelvin. De stevige polycarbonaat behuizing is bestand tegen aantasting door uv-straling, vetten, oliën en zuren, en blijft ook bij -20°C robuust zonder broos te worden. Wel wordt aangeraden het toestel te beschermen tegen rechtstreekse regenval en zonlicht.

3. Frequentieomvormers -E6-19 voor installatie buiten met ingebouwde bedieningsknoppen.
Deze frequentieomvormers zijn uitgerust met een ingebouwde potentiometer voor snelheidsregeling, een 3-standen schakelaar voor de commando’s Run Reverse – OFF – Run Forward, en een vergrendelbare hoofdstroomschakelaar.

Hoe kiest u de juiste frequentieomvormer voor uw toepassing?

Na het maken van bovenstaande keuze, moet er ook een keuze worden gemaakt op basis van de technische specificaties van de motor. Voor het selecteren van het juiste toestel heeft u de volgende gegevens nodig:

Wat is de beschikbare voedingsspanning op de locatie?
Typische beschikbare voedingsspanningen zijn: 1-fase 230 Volt, 3-fase 230 Volt of 3-fase 400 Volt.
Dit is de spanning die wordt aangeleverd aan de frequentieomvormer.
Welke spanning heeft de motor nodig?
Deze informatie vindt u op het technische label van de motor. Veelvoorkomende spanningen voor AC-motoren zijn: 1-fase 230 VAC, 3-fase 230 VAC of 3-fase 400 VAC.
Dit is de spanning die de frequentieomvormer zal leveren aan de motor, ongeacht de voedingsspanning van de omvormer zelf.
Wat is de motorstroom?
Ook deze waarde vindt u terug op het technische label van de motor en is aangegeven in ampère [A]. De stroom die de frequentieomvormer kan leveren, moet hoger zijn dan de stroom van de motor. Als meerdere motoren worden aangestuurd met één frequentieomvormer, moet de totale som van alle motorstromen (plus een veiligheidsmarge) lager zijn dan de maximale stroom van de frequentieomvormer.
Vaak stemmen de stroom [A] en vermogen [kW] van de motor en omvormer overeen. Bij twijfel kiest u best een frequentieomvormer die meer stroom kan leveren dan de motor maximaal nodig heeft, om overbelasting of storingen te voorkomen.