Frekvensomriktare för energieffektiv frisklufttillförsel
En "frekvensomriktare", även känd som en "Variable Frequency Drive eller VFD", är en elektronisk enhet som styr hastigheten och vridmomentet hos en elektrisk växelströmsmotor genom att variera spänningen och frekvensen hos dess strömförsörjning. Den möjliggör exakt justering av motorhastigheten, vilket gör den idealisk för tillämpningar som fläkthastighetsreglering där luftflödet behöver regleras effektivt. Användning av en frekvensomriktare förbättrar inte bara prestandan utan minskar även energiförbrukningen och slitage på mekaniska komponenter. I synnerhet erbjuder kombinationen av en frekvensregulator med HVAC-sensorer många möjligheter att öka energieffektiviteten hos ett ventilationssystem genom att tillämpa behovsstyrd ventilation. Med behovsstyrd ventilation optimeras fläkthastigheten kontinuerligt för att alltid ha precis tillräckligt med frisklufttillförsel. Så snart HVAC-sensorerna indikerar att luftkvaliteten minskar ökas fläkthastigheten för att tillföra mer friskluft. När luftkvaliteten är tillräckligt bra minskas fläkthastigheten igen. På så sätt kan ventilationssystemet spara energi samtidigt som det kontinuerligt tillför tillräckligt med friskluft.
En "frekvensomriktare", även känd som en "Variable Frequency Drive eller VFD", är en elektronisk enhet som styr hastigheten och vridmomentet hos en elektrisk växelströmsmotor genom att variera spänningen och frekvensen hos dess strömförsörjning. Den möjliggör exakt justering av motorhastigheten, vilket gör den idealisk för tillämpningar som fläkthastighetsreglering där luftflödet behöver regleras effektivt. Användning av en frekvensomriktare förbättrar inte bara prestandan utan minskar även energiförbrukningen och slitage på mekaniska komponenter. I synnerhet erbjuder kombinationen av en frekvensregulator med HVAC-sensorer många möjligheter att öka energieffektiviteten hos ett ventilationssystem genom att tillämpa behovsstyrd ventilation. Med behovsstyrd ventilation optimeras fläkthastigheten kontinuerligt för att alltid ha precis tillräckligt med frisklufttillförsel. Så snart HVAC-sensorerna indikerar att luftkvaliteten minskar ökas fläkthastigheten för att tillföra mer friskluft. När luftkvaliteten är tillräckligt bra minskas fläkthastigheten igen. På så sätt kan ventilationssystemet spara energi samtidigt som det kontinuerligt tillför tillräckligt med friskluft.
Elmotorer omvandlar elektrisk energi till rörelseInnan vi diskuterar en frekvensomriktare i detalj behövs först lite information om en elmotor. En elmotor är en maskin som omvandlar elektrisk energi till rörelse (även kallad kinetisk energi). Motorn omvandlar främst elektrisk energi till rotationsrörelse hos motoraxeln. En motoraxel är den del av en elmotor som roterar när motorn är igång. Man kan tänka på den som axeln på ett hjul – det är den del som överför motorns rotationskraft till det den driver, som ett fläktblad eller en pump.
Motorhastigheten kan regleras med hjälp av en hastighetsregulator. Antalet olika motortyper är otaliga, men grovt sett kan vi skilja mellan AC-motorer och EC-motorer. EC-motorer har alltid en inbyggd hastighetsregulator, men för AC-motorer kan en extern hastighetsregulator tillhandahållas. Det finns flera typer av hastighetsregulatorer: transformatorregulatorer, TRIAC-regulatorer och frekvensomriktare. Varje typ använder olika tekniker för att styra motorhastigheten. Varje typ har sina egna fördelar och nackdelar. Eftersom en frekvensregulator används för att styra en AC-motor, först lite ytterligare information om detta.
Växelströmsmotor: elektriska strömmar och magnetism
Elmotorer fungerar baserat på samspelet mellan magnetism och elektriska strömmar. Förutom elektrisk energi krävs även magnetism. Synkrona växelströmsmotorer använder permanentmagneter, medan asynkrona växelströmsmotorer genererar sina egna magnetfält med hjälp av induktion (också ett samspel mellan magnetism och elektricitet).
I statorn – den del av motorn som inte rör sig – är en spole installerad. När växelström flyter genom denna spole genereras ett magnetfält. Eftersom strömmen är alternerande ändras magnetfältets polaritet ständigt. Det verkar som om detta magnetfält roterar kontinuerligt i cirklar. Detta sker i samma takt som växelspänningens frekvens. Rotorn – den roterande delen av motorn – följer detta föränderliga magnetfält. Rotorn på synkronmotorer består av permanentmagneter. Rotorn på asynkronmotorer har en burformad design – den ser lite ut som ett metallhjul med tjocka stänger som löper längs dess längd, sammankopplade i båda ändar med ringar – ungefär som ett hamsterhjul av metall. När denna kortslutna rotor placeras i ett rörligt magnetfält induceras en elektrisk ström, vilket i sin tur skapar ett magnetfält.
Elmotorer fungerar baserat på samspelet mellan magnetism och elektriska strömmar. Förutom elektrisk energi krävs även magnetism. Synkrona växelströmsmotorer använder permanentmagneter, medan asynkrona växelströmsmotorer genererar sina egna magnetfält med hjälp av induktion (också ett samspel mellan magnetism och elektricitet).
I statorn – den del av motorn som inte rör sig – är en spole installerad. När växelström flyter genom denna spole genereras ett magnetfält. Eftersom strömmen är alternerande ändras magnetfältets polaritet ständigt. Det verkar som om detta magnetfält roterar kontinuerligt i cirklar. Detta sker i samma takt som växelspänningens frekvens. Rotorn – den roterande delen av motorn – följer detta föränderliga magnetfält. Rotorn på synkronmotorer består av permanentmagneter. Rotorn på asynkronmotorer har en burformad design – den ser lite ut som ett metallhjul med tjocka stänger som löper längs dess längd, sammankopplade i båda ändar med ringar – ungefär som ett hamsterhjul av metall. När denna kortslutna rotor placeras i ett rörligt magnetfält induceras en elektrisk ström, vilket i sin tur skapar ett magnetfält.
Alla dessa magnetfält och elektriska strömmar genererar värme (energi som går förlorad i värme). Värme är därför den största fienden för den robusta växelströmsmotorn. Vid överhettning finns det risk för skador på grund av intern kortslutning. Att upptäcka överhettning i tid är därför mycket viktigt för en växelströmsmotor. Vissa versioner är utrustade med temperatursensorer inuti motorn (TK eller PTC). Dessa kan avläsas av vissa varvtalsregulatorer för att stoppa motorn i tid vid överhettning och förhindra motorskador.
Tekniska detaljer om växelströmsmotorn
För att välja rätt typ av frekvensomvandlare för en viss motor är det nödvändigt att känna till följande data:
- Matningsspänning - Den elektricitet som en växelströmsmotor behöver för att fungera kallas matningsspänning.
Den uttrycks i [VAC]. Den kan levereras antingen i enfas- eller trefasform. Följande alternativ finns tillgängliga via det allmänna elnätet: 1-fas 230 VAC / 3-fas 230 VAC / 3-fas 400 VAC. - Strömförbrukning - Den mängd energi som förbrukas av motorn. Mängden elektrisk ström som används av
motorn uttrycks i Ampere eller [A]. Mängden ström som förbrukas ökar när motorvarvtalet ökar eller när belastningen ökar (t.ex. större fläktblad). Den maximala förbrukade strömmen anges vanligtvis på motorns tekniska etikett. - Motoreffekt - Kombinationen av den tillförda spänningen, den (maximala) förbrukade strömmen och motorns verkningsgrad kallas motoreffekt. Detta uttrycks i watt eller kilowatt. Detta anges också vanligtvis på motorns tekniska etikett.
Utöver denna viktiga information finns det vanligtvis mer information tillgänglig på motorns tekniska etikett. Motoraxelns rotationshastighet uttrycks i varv per minut [rpm]. Vridmomentet, eller den kraft som motoraxeln kan leverera, uttrycks i newtonmeter [Nm]. I ett praktiskt exempel: en traktor har en motor med låg hastighet men högt vridmoment. Det är därför en traktor rör sig långsamt men kan dra enorma laster över ett fält.
En Formel 1-bil har en motor med mycket hög hastighet (många varv/min) men lägre vridmoment än en traktor. Detta är idealiskt, eftersom racerbilen är mycket lätt och därför kräver relativt liten kraft.
Olika typer av hastighetsregulatorer
Som redan nämnts finns det flera typer av hastighetsregulatorer. Varje typ använder olika tekniker med motsvarande fördelar och nackdelar. Frekvensomriktaren sticker dock ut eftersom den är mer avancerad. Enkla hastighetsregulatorer minskar bara motorspänningen. En frekvensomriktare gör dock mycket mer...
Transformatorregulatorer och TRIAC-regulatorer minskar motorhastigheten genom att sänka spänningen som skickas till motorn. Lägre motorspänning resulterar i lägre hastighet. Transformatorregulatorer minskar spänningen i steg (vanligtvis 5 steg). Elektroniska hastighetsregulatorer erbjuder variabel hastighetsreglering. Den stora fördelen med båda typerna av hastighetsregulatorer är deras enkelhet i kabeldragning och driftsättning. När motorn är ansluten kan regulatorn användas omedelbart. Ingen konfiguration behövs.
Som redan nämnts finns det flera typer av hastighetsregulatorer. Varje typ använder olika tekniker med motsvarande fördelar och nackdelar. Frekvensomriktaren sticker dock ut eftersom den är mer avancerad. Enkla hastighetsregulatorer minskar bara motorspänningen. En frekvensomriktare gör dock mycket mer...
Transformatorregulatorer och TRIAC-regulatorer minskar motorhastigheten genom att sänka spänningen som skickas till motorn. Lägre motorspänning resulterar i lägre hastighet. Transformatorregulatorer minskar spänningen i steg (vanligtvis 5 steg). Elektroniska hastighetsregulatorer erbjuder variabel hastighetsreglering. Den stora fördelen med båda typerna av hastighetsregulatorer är deras enkelhet i kabeldragning och driftsättning. När motorn är ansluten kan regulatorn användas omedelbart. Ingen konfiguration behövs.
En frekvensomvandlare reglerar också motorhastigheten kontinuerligt (precis som TRIAC-regulatorn). Regleringen är dock mer komplex än för en TRIAC-regulator (mer om detta snart). Denna mer avancerade reglering kräver ytterligare konfiguration. Efter anslutning måste i allmänhet vissa inställningar justeras i frekvensomvandlaren innan den kan användas. Tack vare ytterligare ingångar och utgångar på enheten kan många extra logikfunktioner och egenskaper läggas till.
Frekvensomvandlare vs TRIAC-regulator
Så hur skiljer sig en frekvensomvandlare från en TRIAC-regulator? En frekvensomvandlare ändrar inte bara motorspänningen utan även frekvensen! En TRIAC-regulator hackar bort segment från den tillförda spänningen, men ändrar inte frekvensen – den förblir på 50 Hz. Detta resulterar i lägre vridmoment (mindre kraft). Motorn försöker fortfarande köras med maximal hastighet, eftersom frekvensen fortfarande är maximal. Frekvensen skapar det roterande magnetfältet som ansvarar för motorhastigheten. Att sänka motorspänningen utan att ändra frekvensen skapar en risk för att motorn stannar. När du sänker spänningen till en motor utan att ändra frekvensen blir motorn svagare eftersom den producerar mindre vridmoment – vilket är den kraft som håller den igång. Om vridmomentet sjunker för mycket kanske motorn inte kan övervinna motståndet från belastningen, som bladen på en fläkt, och den kan stanna eller sluta snurra. Det är därför det kan vara riskabelt att helt enkelt minska spänningen (som TRIAC-regulatorer gör), särskilt vid låga hastigheter, jämfört med frekvensomriktare som justerar både spänning och frekvens tillsammans för att hålla motorn igång smidigt.
Så hur skiljer sig en frekvensomvandlare från en TRIAC-regulator? En frekvensomvandlare ändrar inte bara motorspänningen utan även frekvensen! En TRIAC-regulator hackar bort segment från den tillförda spänningen, men ändrar inte frekvensen – den förblir på 50 Hz. Detta resulterar i lägre vridmoment (mindre kraft). Motorn försöker fortfarande köras med maximal hastighet, eftersom frekvensen fortfarande är maximal. Frekvensen skapar det roterande magnetfältet som ansvarar för motorhastigheten. Att sänka motorspänningen utan att ändra frekvensen skapar en risk för att motorn stannar. När du sänker spänningen till en motor utan att ändra frekvensen blir motorn svagare eftersom den producerar mindre vridmoment – vilket är den kraft som håller den igång. Om vridmomentet sjunker för mycket kanske motorn inte kan övervinna motståndet från belastningen, som bladen på en fläkt, och den kan stanna eller sluta snurra. Det är därför det kan vara riskabelt att helt enkelt minska spänningen (som TRIAC-regulatorer gör), särskilt vid låga hastigheter, jämfört med frekvensomriktare som justerar både spänning och frekvens tillsammans för att hålla motorn igång smidigt.
En frekvensomriktare håller förhållandet mellan spänning och frekvens konstant (U/f = konstant). Detta säkerställer att motorn alltid får en optimerad spänning (mindre energiförbrukning!). Tack vare detta perfekta förhållande styrs motorn alltid optimalt. Detta gör också en frekvensomriktare betydligt mer energieffektiv än en TRIAC-regulator eller transformatorfläkthastighetsregulator, särskilt vid lägre hastigheter.
När motorspänningen minskas minskas även frekvensen. Detta gör att motorn roterar långsammare samtidigt som den bibehåller nästan fullt vridmoment. När motorhastigheten styrs av en frekvensomriktare förblir motorn kraftfull även vid lägre hastigheter. Risken för att motorn stannar vid låga hastigheter är betydligt lägre här.
På grund av den icke-perfekt sinusformade motorspänningen som skickas till motorn av TRIAC-regulatorer kan motorn vara bullrig, särskilt vid lägre hastigheter. Frekvensomriktaren skapar en nästan perfekt sinusformad spänning tack vare PWM-tekniken, vilket gör att både omriktaren och motorn kan arbeta helt tyst. Om ljudnivåerna fortfarande är för höga med standardinställningarna kan de minskas ytterligare genom att öka den maximala switchfrekvensen i frekvensomriktarens parameterinställningar (parameter 17). En ökad switchfrekvens kan dock orsaka snabbare slitage på motorlagren samt ytterligare EMC.
Hur fungerar en frekvensomvandlare?
Ur ett tekniskt perspektiv kan frekvensomvandlare delas in i tre funktionella block:
Ur ett tekniskt perspektiv kan frekvensomvandlare delas in i tre funktionella block:
- Likriktaren – Det är här den tillförda växelspänningen (enfas eller trefas växelström) omvandlas till likström (DC).
- Likströmsbussen – Denna modul fungerar som en energireservoar. Likströmsbussen kan ses som ett stort internt batteri i frekvensomvandlaren.
- Växelriktarsteget – Här omvandlas likspänningen tillbaka till växelspänning (enfas eller trefas). Tekniken som används för denna omvandling är PWM, eller pulsbreddsmodulering. IGBT:er (isolerade bipolära transistorer med isolerad grind) låter ström flyta tillfälligt i snabb följd (man kan tänka på dem som ljusströmbrytare som slås på och av extremt snabbt). Kombinationen av alla dessa korta pulser producerar en nästan perfekt sinusvågsspänning. IGBT:er är mycket snabbare än TRIAC:er och kan växla mycket högre strömmar. De är dock också dyrare än TRIAC:er.
Den stora skillnaden mellan en frekvensomriktare och en transformatorregulator och TRIAC-regulator är att frekvensomriktaren först omvandlar den tillförda energin till likspänning och sedan omvandlar den tillbaka till växelspänning. TRIAC- och transformatorregulatorer minskar bara den tillförda växelspänningen.
Elektromagnetisk kompatibilitet eller EMC
EMC står för Electromagnetic Compatibility. Varje frekvensomriktare använder IGBT:er (höghastighetselektroniska brytare) för att reglera motorhastigheten. Även om dessa brytare är mycket effektiva genererar de också elektriskt brus – även känt som elektromagnetisk störning (EMI eller ElectroMagnetic Interference) – som kan färdas tillbaka till byggnadens elnät. TRIAC-regulatorer och transformatorregulatorer producerar mycket mindre EMI än en frekvensregulator eftersom de växlar mycket långsammare. Det är därför EMC-filtret spelar en avgörande roll för att hålla byggnadens elektriska miljö stabil när frekvensomriktare är installerade i byggnaden.
EMC står för Electromagnetic Compatibility. Varje frekvensomriktare använder IGBT:er (höghastighetselektroniska brytare) för att reglera motorhastigheten. Även om dessa brytare är mycket effektiva genererar de också elektriskt brus – även känt som elektromagnetisk störning (EMI eller ElectroMagnetic Interference) – som kan färdas tillbaka till byggnadens elnät. TRIAC-regulatorer och transformatorregulatorer producerar mycket mindre EMI än en frekvensregulator eftersom de växlar mycket långsammare. Det är därför EMC-filtret spelar en avgörande roll för att hålla byggnadens elektriska miljö stabil när frekvensomriktare är installerade i byggnaden.
EMI-störningar orsakar inget fysiskt brus som du kan höra, men det kan störa driften av andra känsliga elektroniska enheter i byggnaden. System som brandlarm, belysningskontroller, kommunikationsnätverk och kontorsutrustning kan alla påverkas av denna osynliga störning. Det är där EMC-filtret kommer in i bilden. EMC-filtret fungerar som en skyddande barriär som filtrerar bort det elektriska brus som genereras av växelriktaren och förhindrar att det sprids genom strömförsörjningen. I huvudsak säkerställer EMC-filtret att växelriktaren fungerar utan att störa annan utrustning i byggnaden. Att installera ett EMC-filter är inte bara en bra idé – det är ofta ett krav. I kommersiella, industriella eller flerbruksbyggnader föreskriver föreskrifter vanligtvis användning av EMC-filter när frekvensomriktare installeras. Detta bidrar till att säkerställa att elsäkerhetsstandarder uppfylls samtidigt som tillförlitligheten hos alla andra elektroniska system i anläggningen bibehålls.
Produktsortiment av frekvensomriktare
Sentera är distributör av Invertek frekvensregulatorer för HVAC-applikationer. Optidrive E3-serien är känd för sin användarvänlighet, utmärkta kvalitet och standardinställningar som redan har optimerats för HVAC-applikationer. Detta förenklar driftsättning och konfiguration. Alla enheter är utrustade med inbyggt EMC-filter kategori C1 enligt EN61800-3:2004.
Sentera är distributör av Invertek frekvensregulatorer för HVAC-applikationer. Optidrive E3-serien är känd för sin användarvänlighet, utmärkta kvalitet och standardinställningar som redan har optimerats för HVAC-applikationer. Detta förenklar driftsättning och konfiguration. Alla enheter är utrustade med inbyggt EMC-filter kategori C1 enligt EN61800-3:2004.
Vårt produktsortiment av frekvensomriktare består av tre varianter:
1. Frekvensomriktare -E2 för installation i elskåp. Frekvensomriktare IP20 med kopplingsplintar för anslutning av externa styrsignaler. Dessa frekvensomriktare är utrustade med standardmanöverpanel (5 tryckknappar och en 7-segments LED-display). Externa start-stopp-kommandon och 0-10 Volt hastighetsreferenssignaler kan anslutas via kopplingsplint. Frekvensomriktaren använder dessa externa styrsignaler för att veta hur motorn ska styras.
Höljet till -E2-enheterna erbjuder en IP20-skyddsgrad mot inträngning av fukt och damm. Vi rekommenderar starkt att installera dessa enheter i ett elskåp med tillräcklig ventilation och kylning för att garantera god värmeavledning.
2. Frekvensomriktare -E6-19 för utomhusinstallation med kopplingsplintar för anslutning av externa styrsignaler. Frekvensomriktare IP66
Dessa frekvensomriktare är utrustade med standardmanöverpanel (5 tryckknappar och en 7-segments LED-display). Externa start-stopp-kommandon och 0-10 volts hastighetsreferenssignaler kan anslutas via kopplingsplint. Frekvensomriktaren använder dessa externa styrsignaler för att veta hur motorn ska styras.
Dessa frekvensomriktare är utrustade med standardmanöverpanel (5 tryckknappar och en 7-segments LED-display). Externa start-stopp-kommandon och 0-10 volts hastighetsreferenssignaler kan anslutas via kopplingsplint. Frekvensomriktaren använder dessa externa styrsignaler för att veta hur motorn ska styras.
Höljet på -E6-19-enheterna erbjuder en IP66-skyddsgrad mot inträngning av vatten och smuts. Tack vare detta robusta hölje kan de enkelt installeras utomhus nära motorn. De är dammtäta och redo för avtvättning tack vare det förseglade ABS-höljet och den korrosionsbeständiga kylflänsen. Det tåliga polykarbonatplasthöljet är konstruerat för att motstå nedbrytning av ultraviolett (UV), fetter, oljor och syror. Det är också robust nog att inte vara sprött vid -20°C. Det rekommenderas att skydda enheten från direkt regn och solljus.
3. Frekvensomriktare -E6-19 för utomhusinstallation med inbyggda kontrollknappar. Frekvensomriktare med vred. Dessa frekvensomriktare är utrustade med en inbyggd potentiometer för hastighetsjustering, en 3-lägesbrytare för kommandot "kör bakåt" – "AV" – "kör framåt" och en låsbar nätbrytare.
inbyggd potentiometer för hastighetsjustering, en 3-lägesbrytare för kommandot "kör bakåt" – "AV" – "kör framåt" och en låsbar nätbrytare.Höljet på -E6-19-enheterna erbjuder en IP66-skyddsklass mot inträngning av vatten och smuts. Tack vare detta robusta hölje kan de enkelt installeras utomhus nära motorn. De är dammtäta och redo för avtvättning tack vare det förseglade ABS-höljet och den korrosionsbeständiga kylflänsen. Det tåliga polykarbonatplasthöljet är konstruerat för att motstå nedbrytning av ultraviolett (UV), fetter, oljor och syror. Det är också robust nog att inte vara sprött vid -20°C. Det rekommenderas att skydda enheten från direkt regn och solljus.
Hur väljer man rätt frekvensomriktare för din applikation?
Efter att ovanstående val har gjorts måste ett val också göras baserat på motorns tekniska sida. För att välja rätt enhet för din applikation behöver du följande information:
- Vilken är den tillgängliga matningsspänningen på plats?
Typiska tillgängliga matningsspänningar är: 1-fas 230 volt matning, 3-fas 230 volt matning eller 3-fas 400 volt matning. Detta är den spänning som kommer att matas till frekvensomriktaren. - Vilken spänning kräver motorn? (Denna information finns på motorns tekniska etikett.)
AC-motorer finns vanligtvis i följande spänningar: 1-fas 230 VAC, 3-fas 230 VAC eller 3-fas 400 VAC. Detta är den spänning som frekvensomriktaren kommer att mata till växelströmsmotorn (oavsett frekvensomriktarens matningsspänning). - Vad är motorströmmen? Denna information anges också på motorns tekniska etikett och uttrycks i [A].
Strömmen som frekvensomriktaren kan leverera måste vara högre än motorströmmen. Om flera motorer styrs med en frekvensomriktare måste den kombinerade summan av alla motorströmmar (plus en viss marginal) vara lägre än frekvensomriktarens maximala ström.
Vanligtvis överensstämmer strömangivelserna [A] och effekt [kW] på motorn och frekvensomriktaren. Vid tveksamhet är det lämpligt att välja en typ av frekvensomriktare som kan leverera mer ström än den maximala motorströmmen.