Frekvensomformere

Mere viden om en Frekvensomformer:

Frekvensomformere (invertere / konvertere) findes i flere typer og AC- og DC-frekvens-omformere anvendes til lavspændingsapplikationer og AC-frekvens-omformere anvendes til mellemspændingsapplikationer. Frekvensomformer eller AC-til-AC-konverter anvendes typisk til at ændre den vekselstrømsfrekvens som et elektrisk apparat forsynes med. Frekvensomformere er især nyttigt til hastighedsændring af elektriske asynkronmotorer - som er den mest udbredte type elektromotor - frekvensomformer.

En frekvensomformer er en elektrisk komponent, som omsætter vekselstrømseffekt til tilsvarende effekt ved en anden frekvens.

De anvendes i stigende grad sammen med motorer og andre apparater som for eksempel induktionsovne med henblik på at forbedre ydeevnen eller virkningsgraden ved opstart og hyppigt forekommende driftsformer. Der anvendes nu udelukkende halvlederteknik, hvorved en variabel udgangsfrekvens kan opnås også ved store effekter, det vil sige af størrelsesordenen MW. De klassiske frekvensomformere bestod af sammenkoblede, roterende vekselstrømsmaskiner med forskellige poltal, så kun et fast forhold mellem indgangs- og udgangsfrekvenserne kunne opnås.

Hvad er en frekvensomformer?

En frekvensomformer er en elektronisk anordning, der konverterer vekselstrøm ( AC ) fra en frekvens til vekselstrøm fra en anden kanal. Frekvensomformeren kan også ændre spændingen, men hvis det sker, er det accessorisk i forhold til dens hovedformål.

Traditionelt er disse frekvensomformere elektromekaniske maskiner kaldet en motorgenerator sæt. Også enheder med kviksølv ensrettere eller vakuumrør har været i brug.  Med fremkomsten af faststof elektronik er det blevet muligt at bygge komplet elektroniske frekvensomformere. Disse indretninger består sædvanligvis af en ensretter (fremstilling jævnstrøm ), der derefter vendes til fremstilling af AC af den ønskede frekvens.  Den inverter kan bruge tyristorer, IGCT eller IGBT'er .  Hvis spændingen ønskes omdannet, anvendes en transformator normalt i enten AC input eller output kredsløb og denne transformer kan også tilvejebringe isolation mellem input og output AC kredsløb.  Et batteri kan også tilsættes til DC kredsløb til forbedring af frekvensomformerens "passage" for korte afbrydelser i indgangseffekt. Frekvensomformere varierer i power/kraft -handlings kapacitet fra et par watt til megawatt.

Hvordan virker den?

Bortset fra den indlysende anvendelse af konvertering af bulk mængders strøm fra en fordeling standard til en anden bliver frekvensomformere også brugt til at styre hastigheden og drejningsmomentet af AC-motorer.  I denne applikation, er den mest typiske frekvensomformer topologi den trefasede med to niveauer spændingskilde inverter.  De fasespændinger styres ved hjælp af strøm fra halvlederkontakter og Pulse Width Modulation (PWM). Halvleder afbrydermateriel og anti-parallelle forbundne fritløbende dioder danner en bro, der kan forbinde hver motorfase til den positive eller negative dc-link potentiale.  PWM ændrer forbindelserne af faserne mellem positive og negative DC-potentialer, således at den fundamentale bølge spænding har den ønskede frekvens og amplitude.  Motoren reagerer primært til den grundlæggende frekvens og filtrerer virkningerne af harmoniske frekvenser.

I hvilke brancher bruges frekvens-omformere?

En anden anvendelse er i rumfarts- og flybranchen. Flyvemaskiner bruger ofte 400 Hz magt, så 50 Hz eller 60 Hz til 400 Hz frekvensomformere er nødvendig til brug i jorden da kraftenheden bruges til at drive flyet, mens det er på jorden.  Flyselskaber kan også benytte frekvensomformere til opnåelse af luft væg strøm til passagererne til brug med bærbare computere og lignende.
I vedvarende energi systemer er frekvensomformere et afgørende element i dobbelt fodret induktionsgeneratorer ( DFIGs ) som anvendt i moderne multi-megawatt klasse vindmøller.

Frekvensomformere anvendes typisk til at styre hastigheden af motorerne, primært pumper og ventilatorer.  I mange applikationer kan betydelige energibesparelser opnås. De mest krævende anvendelsesområder findes på industrielle forarbejdningslinjer, hvor krav til nøjagtig regulering kan være meget høje.  Dette er især tilfældet i atomkraft og våbenindustrien, hvor disse enheder regulere anvendelsen af raffinement centrifuger. Et HVDC -system kan fungere som frekvensomformer til store belastninger.

Det tekniske hjørne - Frekvensomformer med STO funktion (sikker stop)

Skrevet af: Paul Klöcker – Product Manager Electronics, FS Technician #163/14 (TÜV Rheinland), NORD Drivesystems Danmark

I mange frekvensomformer findes der i dag en STO (Safe Torque Off) funktionalitet, men hvordan kan man bruge denne? Og hvorfor er det en god ide at bruge denne funktion? Med denne artikel vil jeg prøve at forklare nogle af de vigtigste punkter omkring denne funktion.

Som et alternativ til kontaktsæt, hvor man typisk fjerner forsynings spænding til frekvensomformer eller motor, kan man med STO bibeholde forsyningsspænding til frekvensomformer.

Fordele ved brug af STO i frekvensomformere:

• Frekvensomformer har typisk kondensatorer der skal lades op ligesom batterier. Det gør en hurtig genindkobling umulig, da disse først skal lades op før drevet virker igen. Et elektronisk sikkert stop gør det muligt at bibeholde hovedforsyningen på omformeren, således at man meget hurtigt kan genindkoble sit drev efter et nødstop. Desuden så er det muligt at bibeholde bus kommunikationen til enheden, så det stadig er muligt at håndtere diverse data fra drevet.

• Desuden så er der en del besparelser i form af komponenter, for at opnå PLe skal der som minimum altid være 2x kontaktorer for at koble motoren fra. Disse to kontaktorer kan spares væk hvis man vælger en frekvensomformer med STO funktion der kan overholde PLe.

• Mindre dokumentation, takket være hjælpeprogrammer som SISTEMA hvor mange leverandører har filer til.

• Mulighed for stop kategori 1. Det vil sige at det er muligt at bruge frekvensomformeren sammen med eventuelle bremsemodstande til at stoppe en farlig bevægelse.

Forklaring på sikkerstop kategori 0, 1 og 2 i frekvensomformer

Omkring sikkert stop (SS0, SS1 eller SS2) findes der 3 forskellige stop kategorier man kan bruge i forbindelse med drevløsninger. Herunder lige en forklaring på hvad de betyder:

Kategori 0: Er en stopfunktion hvor vi blot fjerner energien ud mod motoren, således at motoren går i frit løb. Denne funktion vil typisk kunne bruges i applikationer hvor den farlige bevægelse ikke er tilgængelig før den har roteret sig ud. Har man en stor inerti skal man sikre sig at rotationen er ophørt inden man får adgang til denne.

Kategori 1: Her bruges f.eks. frekvensomformeren aktivt for at formindske ens stoptid betydeligt. Det vil sige at man kan bruge en nedrampning hvor energien fra bevægelsen kan bremses aktivt ned ved hjælp af en frekvensomformer eventuel i kombination med en bremsemodstand. Det er også muligt at bruge en mekanisk bremse her, denne skal dog være egnet til dette. Efter aktiv nedbremsning skal energien til drevløsningen fjernes. Det gør det muligt at nedsætte bremsetiden markant.

Kategori 2: Typisk ville man have en overvåget bevægelse. Her vil man ligesom i kategori 1 stoppe den farlige bevægelse så hurtig som mulig, med den forskel at der så bibeholdes spænding ud mod motoren med f eks 0Hz. Denne funktion giver mulighed for meget hurtigt at genstarte produktionen, da drevet er klar til at køre. Denne stopkategori kan dog være meget dyr at etablere da dette typisk kræver en omdrejningsovervågning der kan overholde det påkrævede sikkerhedsniveau.

Skrevet af: Paul Klöcker – Product Manager Electronics, FS Technician #163/14 (TÜV Rheinland), NORD Drivesystems Danmark