Az ideális motorindító II.
2004/7-8. lapszám | netadmin | 8325 |
Figylem! Ez a cikk 22 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az ideális motorindító II. A korszerű frekvenciaváltós hajtások jellemzői, alkalmazásával kapcsolatos kérdések Napjainkra az iparban az aszinkron motorok a villamos hajtásokban egyeduralkodóvá váltak. A korszerű, félvezetős frekvenciaváltók (as...
A korszerű frekvenciaváltós hajtások jellemzői, alkalmazásával kapcsolatos kérdések
Napjainkra az iparban az aszinkron motorok a villamos hajtásokban egyeduralkodóvá váltak. A korszerű, félvezetős frekvenciaváltók (aszinkron-hajtásszabályozók) megjelenéséig a szabályozott hajtásokban szinte kizárólag az egyenáramú motorok alkalmazása jöhetett szóba. A nehéz indítású technológiákban viszont, ahol rövidre zárt forgórészű (kalickás) aszinkron motorokat alkalmazni nem lehetett, az indító ellenállással indítható, csúszógyűrűs (más néven tekercselt forgórészű) aszinkron motorok alkalmazása jelentette a megoldást. Ezt a motortípust gyakran alkalmazták például a daruk emelőhajtásaiban is. A félvezetős frekvenciaváltók megjelenésével lehetővé vált a fent említett esetekben is a rövidre zárt forgórészű aszinkron motorok alkalmazása. Ez nem csak műszakilag nyújt jobb megoldást, hanem a legtöbb esetben gazdaságosabb is. A legújabb fejlesztésű készülékkel pedig az aszinkron motorok szervo üzemmódjának a megvalósítására is mód nyílik. Így ma már nincs olyan technológia, talán a robothajtást kivéve, ahol aszinkron motort ne lehetne alkalmazni.
A korszerű aszinkronhajtások kialakulásának áttekintése
A félvezetős frekvenciaváltók felépítésében a megjelenésük óta folyamatos fejlődés figyelhető meg. A teljesítményelektronikai elemek fejlődésével párhuzamosan egyre nagyobb teljesítményű és egyre nagyobb kapcsolási frekvenciájú invertereket tartalmazó hajtások születtek. Ma már a gyors, negyedik generációs intelligens teljesítménymodulokból készült impulzusszélesség modulációs (ISZM vagy más néven PWM) inverterekkel a 20kHz fölötti kapcsolási frekvencia is elérhető, az ezekből felépített aszinkronhajtások teljesítménye pedig megközelíti az egy megawattot. A hajtások teljesítmény-áramkörének fejlődésével együtt azok vezérlőegysége és vezérlési elve is folyamatosan fejlődik, megfelelve ezzel az egyre magasabb felhasználói igényeknek. A mai legfejlettebb készülékek vezérlőáramköre nagyteljesítményű, gyors mikroprocesszort tartalmaz, szoftvere tág határok közötti lehetőséget biztosít a hajtás technológiába való illesztéséhez, a hajtásvezérlési elve pedig szinte kizárólag a nyílt vagy zárt hurkú fluxusvektor vezérlés. (Tehát fordulatszám-érzékelő nélküli vagy azzal ellátott vektorvezérlés, angol rövidítéssel SVC illetve FVC.) Nevezik még ezt a vezérlési megoldást mezőorientált áramvektor szabályozásnak is. Bár ez a szabályozási megoldás a 1970-es évek vége óta ismert, a gyakorlati alkalmazására csak a nagyteljesítményű, gyors szigetelt kapus teljesítmény-tranzisztorok és a gyors, nagy számítási teljesítményű ipari mikroprocesszorok megjelenése után kerülhetett sor. Ezzel a vezérlési móddal megvalósított aszinkronhajtások rendelkeznek a legjobb dinamikai tulajdonságokkal és nagy túlnyomatékot képesek biztosítani a teljes fordulatszám-tartományban (a fordulatszám-visszacsatolással rendelkező változat nulla fordulatszámnál is). Ezekkel a korszerű berendezésekkel a közönséges aszinkron motorral működő hajtások már a szervo hajtások alkalmazási területére is betörtek.
A frekvenciaváltó felépítése, működési elve
Az 1. ábrán a feszültség-inverteres frekvenciaváltó blokkvázlata látható. A készülék három fő funkcióblokkból áll: hálózati egyenirányító, háromfázisú inverter, mikroprocesszoros vezérlés. A legtöbb készüléknél (általában 75kW-ig) az egyenfeszültségű áramkörbe egy fékező modul is be van építve.
1.ábra
1. Hálózati egyenirányító
A készülék egy egyenirányító egységen keresztül csatlakozik a táphálózatra. Ennek a hálózati egyenirányító modulnak az egyenfeszültségű kimenetére egy nagy kapacitású elektrolit-kondenzátor csatlakozik. Ennek a kondenzátornak a szerepe kettős: egyrészt az egyenirányított feszültségből a háromfázisú inverter számára előállítja a szűrt egyenfeszültséget, másrészt a motor gerjesztéséhez szükséges meddő energiát biztosítja. Az egyenirányító többnyire diódákból épül fel (kis és közepes teljesítményű készülékeknél). Az ilyen készülékeknél, a hálózati feszültség bekapcsolásakor a kondenzátorban kialakuló nagy töltőáram-impulzust csökkenteni kell. Ezt a legegyszerűbb módon egy előtöltő ellenállásnak az egyenáramú körbe való beiktatásával lehet megvalósítani. Természetesen ezt az előtöltő ellenállást a kondenzátor-telep feltöltődése után az egyenáramú körből ki kell iktatni egy kapcsolóval történő áthidalással. Az ilyen készülékeknél a hálózati feszültség bekapcsolása majd kikapcsolása nem lehet gyakori, mert ez egyrészt az előtöltő ellenállás túlmelegedését eredményezné, másrészt a gyakran kialakuló töltőáram-impulzus a kondenzátorokat túlságosan igénybe venné. A motor üzemszerű indítása és megállítása a vezérlő logikai bemeneteken keresztül történhet, a hálózati feszültséget pedig csak hosszabb üzemszünet idejére kell kikapcsolni.
Azért, hogy ne kelljen nagy teljesítményű előtöltő ellenállást beépíteni, a nagyobb teljesítményű készülékek egyenirányítója félig vezérelt. Az ilyen készüléknél a kondenzátorok feltöltése az egyenirányító kivezérlésével valósítható meg. A teljes kivezérlés után az egyenirányító üzemszerűen ennél a változatnál is vezéreletlen (diódás) egyenirányítóként működik.
A tápláló hálózat lehet egyfázisú 230V-os (az inverterre jutó egyenfeszültség ebben az esetben kb. 320V), vagy háromfázisú 400V-os (az egyenfeszültség kb. 540V). Természetesen a készülék által előállított kimeneti feszültség, amely a motort táplálja, minden esetben háromfázisú. A maximális kimeneti feszültség értéke a tápláló hálózat feszültségével egyelő lehet csak. Így az egyfázisú feszültséggel táplált készülékek esetében a legnagyobb kimeneti vonali feszültség 3 x 230V. Ilyen esetben a csatlakoztatott motort - amely 3 x 230/400V-os tekercsű kell, hogy legyen és amely hálózati üzemben csillag-kapcsolásban működne - deltába kell kötni. Ezt a felhasználók gyakran elfelejtik megtenni! Az egyfázisú táplálás 3kW-nál kisebb teljesítményű készülékeknél gyakori. Ennek egyetlen előnye van: az alacsonyabb feszültségszint miatt a készülék olcsóbb, mert kisebb feszültségű kondenzátorokat és félvezetőket kell alkalmazni; bár az invertert alkotó félvezetők terhelhetőségének ebben az esetben nagyobbnak kell lennie, mert a kimeneti áram a motor vonali árama (√3 x Ifázis) és az egyenirányító árama is nagyobb (az egy fázisból felvett áram háromszorosa a háromfázisú készülékek áramfelvételének).
A vezéreletlen egyenirányító jellegéből adódóan a készülék minden esetben wattos fogyasztóként terheli a hálózatot, tehát a hálózati cosφ értéke 1.
2.ábra
A 2. ábrán a piros görbe a háromfázisú egyenirányítóval rendelkező készülék hálózati áramának az oszcillogramját mutatja. Rögtön szembetűnik a nagy szűrőkapacitással rendelkező egyenirányító jellegzetesen torz áramalakja. Ez a nagyteljesítményű frekvenciaváltóknál jelent problémát (vagy ha több kisebb teljesítményű készülék összteljesítménye összemérhető a tápláló transzformátor teljesítményével), mivel az ilyen nagy felharmonikus-tartalmú áram torzítja a hálózati feszültséget, ami jelentős túláramot okoz a hálózaton működő szabályozatlan motorok fázisjavító kondenzátoraiban és zavarja a hálózati feszültség torzítására érzékeny berendezések működését.
2.ábra
Ez a probléma azonban egyszerűen megoldható az egyenirányító elé beépített háromfázisú induktivitással. A 3. ábrán az így kialakuló áramalak látható. (Természetesen az induktivitás beépítésének következtében a hálózati cosφ értéke nagyon kis mértékben 1 alá csökken.) A 4. ábrán példaként egy 15kW-os frekvenciaváltó hálózati áramának spektruma látható fojtó nélkül, névleges fordulatszámon. (A 3-mal osztható rendszámú felharmonikusok kiesnek.) Jól látható a jelentős felharmonikus tartalom. Ennek az áramnak az effektív értéke kb. 45A. Ha egy ilyen teljesítményű készüléknél egy 1mH induktivitású fojtótekercset beiktatunk az egyenirányító elé a hálózatba, akkor a felharmonikus-tartalom jelentősen lecsökken (5. ábra), és az áram effektív értéke is jóval kisebb lesz (kb. 29A, ami közel azonos a motoráram értékével). Az 5. ábrán látható, hogy egy ekkora induktivitással az 5. rendszámú felharmonikus is jóval kisebb lett és az a fölötti rendszámúak már csak jelentéktelen mértékben vannak jelen. Ez az induktivitás még nem okoz számottevő feszültségesést, tehát a beépítése teljes mértékben kielégítő megoldás. Egyes készülékgyártók ezt a 15kW-nál nagyobb teljesítményű készülékekbe be is építik.
Rónyai Sándor
műszaki tanácsadó
villamos hajtás szakmérnök
