A frekvenciaváltó, avagy frekvencia konverter létrejöttét a villanymotorok megjelenése hívta életre. A kezdeti lépéseket követően a frekvenciaváltó mára az egyik leginkább preferált kiegészítője Nikolaj Tesla egyik legismertebb találmányának.
Ez a praktikus szerkezet, amit angolul Variable Frequency Drive (VFD) néven ismer a szakirodalom, ugyanis nemcsak az elektromos motorok fordulatszám-szabályozása és a forgásirány-változtatás igénye közötti dilemmát oldja fel, emellett az energiahatékonyság növelésében is fontos szerepet játszik. De ne szaladjunk ennyire előre.
Kezdjük a 0. kérdésnél: miért van még ma is létjogosultsága a frekvenciaváltóknak a szervók mellett?
A szervók megjelenése igencsak átrendezte a hajtásművek piacát, hiszen sok területen hatékonyan és széleskörűen alkalmazhatók. Azonban a szervók előretörése ellenére még mindig vannak olyan alkalmazási lehetőségek, ahol a frekvenciaváltók létjogosultsága megmarad vagy akár előnyösebb lehet:
1. Költséghatékonyság
A frekvenciaváltók általában olcsóbbak a szervókhoz képest. Ha az alkalmazás nem igényel a szervók által nyújtott nagy pontosságot és teljesítményt, a frekvenciaváltók lehetnek a gazdaságosabb megoldások.
2. Egyszerűség és könnyebb telepítés
A frekvenciaváltók általában könnyebben telepíthetők és beállíthatók, mint a szervók. Egyszerűbb vezérlőrendszereket lehet velük kialakítani, ami csökkentheti a telepítési és üzembe helyezési időt, illetve költségeket.
3. Alacsony igények esetén
Amennyiben az alkalmazás nem igényel nagy teljesítményt, precizitást vagy gyors reakcióidőt, hanem csak egyszerű motorvezérlést kíván, a frekvenciaváltók tökéletesen megfelelhetnek a feladatnak.
Ezek a tényezők együttesen biztosítják, hogy a frekvenciaváltóknak még mindig számos alkalmazási területe és létjogosultsága legyen, még akkor is, ha a szervók előretörése számos területen megfigyelhető.
Egy lépés előre: mi a frekvenciaváltó?
A frekvenciaváltó, avagy VFD, egy olyan elektromos berendezés, amely lehetővé teszi a villanymotorok forgási sebességének szabályozását azáltal, hogy megváltoztatja az elektromotor táplálóáramának frekvenciáját és feszültségét.
Ipari területen dolgozva gyakran szembesülhetünk azzal, hogy a legtöbbször használt háromfázisú aszinkron elektromos motorok működését egy bizonyos tényező korlátozza. Nevezetesen az, hogy a villanymotor működését egy 50 Hz-es váltakozó feszültségű hálózat biztosítja (Európában legalábbis ez a legelterjedtebb, míg az ázsiai régiók gyakran már az 60 Hz felé kacsintgatnak, míg az űrutazásban akár 400 Hz-re is szükség lehet).
A probléma ott kezdődik, hogy ez a párosítás korlátokat szab a teljesítményben, mivel a fordulatszámot egy adott fix értékre korlátozza. A frekvenciaváltó ezt a problémát oldja meg azáltal, hogy általa szabályozhatóvá válik a villanymotorok fordulatszáma és a forgásirány egyaránt.
Ennek okán ma már szinte minden olyan esetben, amikor a váltakozó feszültség növelésére vagy csökkentésére van szükség, a frekvenciaváltó alkalmazása is megbízható, hatékony megoldás.
Mindent egybevetve, ez a technológia lehetővé teszi a motorok energiahatékonyságának növelését, valamint a mechanikai rendszerek kezelésének és ellenőrzésének finomhangolását is. Mindez jelentősen hozzájárul az olyan ipari eszközök hatékonyságának javításához, mint például a szivattyúk, a ventilátorok, a hajtóművek és a kompresszorok, hogy csak a legalapvetőbb felhasználási területeit említsem.
Nem volt ez mindig így: Tesla is kellett hozzá
A frekvenciaváltók története az elektromos motorok korai fejlesztésével kezdődik, a 19. század végén és a 20. század elején. Ekkoriban az iparosodás gyorsuló üteme egyre nagyobb igényt teremtett az energiatakarékos, ugyanakkor szabályozható hajtási megoldások iránt.
Az első frekvenciaváltókat még mechanikus eszközökkel valósították meg, amelyek igen korlátozott hatékonysággal és pontossággal bírtak. Azonban az elektronika fejlődésével, különösen a félvezető technológia 20. század közepén mutatott előretörésével megjelentek az első elektronikus frekvenciaváltók is. Ezek a készülékek már képesek voltak pontosabb és hatékonyabb sebességszabályozásra.
A folyamatot minden bizonnyal Nikolaj Tesla, a szerb-amerikai feltaláló gyorsította fel, amikor 1924-ben megjelent a piacon saját találmányaival, a többfázisú, váltakozó áramú indukciós motorral. Nem sokkal a váltakozó áramú motor kifejlesztését követően felmerült a fordulatszám változtatásának ötlete is, amire az 1950-1970-es évek között több módszert is alkalmaztak.
Az igazi áttörést azonban a 1980-as évek hozták meg, amikor például a félvezetők előretörése és a mikroprocesszoros technológiák elterjedése lehetővé tette a frekvenciaváltók méretének és költségének jelentős csökkentését. Emellett az sem vált éppen hátrányára, hogy egyre komplexebb feladatokat tudott menedzselni. Többek között ez terjesztette el a frekvenciaváltó szélesebb körű ipari alkalmazását, amely hozzájárult és a mai napig hozzájárul az egyre fontosabbá váló energiahatékonysági célok eléréséhez.
A 21. századra a frekvenciaváltók a legkülönbözőbb iparágak nélkülözhetetlen, mondhatni must have „hozzávalóivá” váltak. Napjainkban ezek a berendezések már rendkívül fejlett kiegészítő funkciókkal bírnak. Olyanokkal, mint például a hálózati kommunikáció, a beépített diagnosztika és a fejlett energia-menedzsment képességek, amelyek tovább növelik a termelési folyamatok hatékonyságát és csökkentik a karbantartási költségeket.
Ennek következtében tehát nem alaptalan a kijelentés, hogy a frekvenciaváltók fejlődésének története szorosan összefonódik a hajtástechnológia, az ipari automatizálás és az energiahatékonyság iránti igény növekedésével. A folyamatos innováció és a technológiai előrehaladás biztosítja, hogy ezek a kritikus eszközök továbbra is kulcsszerepet játszanak a modern ipari és energetikai rendszerekben.
Hogyan működik a frekvenciaváltó?
A frekvenciaváltó működési elve szorosan kapcsolódik a háromfázisú motorok működéséhez. Utóbbi esetében fontos kitétel, hogyha működése közben egy váltakozó áramú hálózatra van kapcsolva, akkor a motor álló részében mozgó mágneses mező keletkezik.
Ennek fordulatszáma megegyezik a váltakozó áramú hálózat frekvenciájával. Miért fontos ez? Többek között azért, mert a forgó mágneses mező a hatására a motor forgórész tekercseiben is feszültség keletkezik, amely kölcsönhatásba lépve és együttműködve a mágneses mezővel, mozgásra készteti a motor forgórészét.
Ugyanakkor annak érdekében, hogy a motor el tudja látni a feladatát, szükség van némi nyomatékra is. Ehhez azt kell elérni, hogy a forgórész lassabban mozogjon, mint az azt körülvevő forgó mágneses mező. A kihívás tehát abban rejlik, hogy megtaláljuk azt az ideális fordulatszám-különbséget vagy slipet, ami nem túl magas és nem túl alacsony.
A számok nyelvére lefordítva ez azt jelenti, hogy motorvédelmi/hővédelmi funkciók megléte mellett az elektromos motorok rövid ideig – legfeljebb 50-60 másodpercig – 150%-os fordulatszámon használhatók, míg a minimumértéket tekintve a motor névleges fordulatszámának 50%-a az elvárt szint.
Többek között itt jön képbe a frekvenciaváltó, mivel a kívánt fordulatszám eléréséhez a tápfeszültség frekvenciájának módosítására van szükség. Ami ebben az esetben porszem lehetne a gépezetben az az lenne, ha a keletkező feszültséggel a frekvencia módosítása közben nem kezdenénk semmit sem.
Azonban a feszültségvezérelt frekvenciaváltók segítenek abban, hogy a frekvencia csökkentésével párhuzamosan a motorra jutó feszültséget is enyhítsék, míg ellenkező esetben, vagyis a frekvencia növelése mellett a motor feszültségének növeléséről és a nyomaték szinten tartásáról is gondoskodik.
Vannak úgynevezett vektoros frekvenciaváltók is. Ennek hagyományos verziója úgy működik, hogy a fordulatszám fenntartása miatt egy szenzoros fordulatszám-szabályozót is rákötnek az egységre. Ami már némileg fejlettebb technológiát feltételez, az az, amikor a szenzoros egység használata nélkül nem a fordulatszámot, hanem motor árama és a kimenő feszültség kerül monitorozásra.
A legmodernebb frekvenciaváltók már képesek arra, hogy nyomon kövessék és leképezzék a motor aktuális állapotát, illetve az adott beállításnak megfelelően szabályozza a motor működését és megóvják a motort a túlterheléstől.
A frekvenciaváltók előnyei, avagy a 3 fő ok, amiért megéri használni őket
Bár vannak más technológiai megoldások is, a frekvenciaváltók használata megfontolandó alternatíva. Több okból kifolyólag is:
- Fokozatmentes fordulatszám-változtatás
A frekvenciaváltók egyik legnagyobb előnye, hogy bizonyos területeken egyáltalán nem kell kompromisszumot kötni az alkalmazásuk során. Ilyen a fokozatmentes fordulatszám-változtatás is, amelynek során még a nyomaték is változatlan marad.
- Változtatható forgásirány
Egyszerű és nagyszerű megoldás, amennyiben a forgásirány megváltoztatása a cél. Csupán egy egyszerű parancsra van szükség hozzá.
- Az egyenáramú hajtástechnológiák megbízható alternatívája
A fentebb már említett félvezető-technológia és mikroprocesszorok fejlődése miatt maguk a frekvenciaváltók is komplexebb feladatok ellátására képesek. Ennek köszönhetően felveszik a versenyt az egyenáramú hajtástechnológiákkal is.
Ezek a tulajdonságoknak köszönhetően a frekvenciaváltó használata az ipar számos területén elterjedt már, szinte nincsen olyan iparági szintű automatizálási folyamat, amelyben ne jutna a frekvenciaváltónak kisebb-nagyobb szerep.
Sokan teszik fel a kérdést, hogy az előnyei tekintetében hogyan alakul a frekvenciaváltó ára. A beruházásokat, innovatív fejlesztéseket tekintve természetesen ez az egyik legfontosabb paraméter, de ez függ a frekvenciaváltó típusától, márkájától, teljesítményétől is.
A Chemplex Kft-nél mi például 3 frekvenciaváltó márkát forgalmazunk és mindhárom kiváló minőséget képvisel a maga kategóriájában. Az egyfázisú frekvenciaváltók esetében a Motovario frekvenciaváltók, a Delta frekvenciaváltók és az INVT frekvenciaváltók közös jellemzője, hogy saját kezelőfelületük segítségével egyszerűen programozhatók és a hozzájuk kapcsolt elektromos motort is megfelelően irányítják, amely a folyamatautomatizálás alapja.
A háromfázisú frekvenciaváltók sokoldalúságát bizonyítja, hogy nemcsak egyszerű feladatokra, hanem összetett, illetve kifejezetten nagy rendszerekhez is sikeresen használhatók. Legyen szó akár egy szivattyúról, szállítószalagról, ventilátorról, kompresszorról vagy más célgépről, szinte bárhol bevethetők.
Miért van mégis létjogosultsága a frekvenciaváltóknak a szervók mellett?
Bár a szervók sok területen hatékonyan alkalmazhatók a mozgásvezérlésben, még mindig vannak olyan alkalmazások, ahol a frekvenciaváltók létjogosultsága megmarad vagy akár előnyösebb lehet:
- Költség hatékonyság: Frekvenciaváltók általában olcsóbbak a szervókhoz képest. Ha az alkalmazás nem igényel a szervók által nyújtott nagy pontosságot és teljesítményt, a frekvenciaváltók lehetnek gazdaságosabb megoldások.
- Egyszerűség és könnyebb telepítés: A frekvenciaváltók általában könnyebben telepíthetők és beállíthatók, mint a szervók. Egyszerűbb vezérlőrendszereket lehet velük kialakítani, ami csökkentheti a telepítési és üzembe helyezési időt és költségeket.
- Alacsony igények esetén: Ha az alkalmazás nem igényel nagy teljesítményt, precizitást vagy gyors reakcióidőt, hanem csak egyszerű motorvezérlést kíván, a frekvenciaváltók tökéletesen megfelelhetnek a feladatnak.
Ezek a tényezők együttesen biztosítják, hogy a frekvenciaváltóknak még mindig számos alkalmazási területe és létjogosultsága legyen, még akkor is, ha a szervók előretörése számos területen megfigyelhető.
Kiss László
hajtástechnikai szakértő, a Chemplex Kft. tulajdonosa
