Frekvenciaváltók és fékmotorok (jegyzet)

2006.03.07 Módosítva: 2013.06.13

Néhány gondolat a frekvenciaváltók alkalmazásáról és a fékmotorokról.
Ez a jegyzet a Danfoss VLT5000 frekvenciaváltók alkalmazásának néhány módját mutatja be. Ezek az információk hasznosak lehetnek más gyártmányú vagy típusú frekvenciaváltóknál is, de más gyártmányok bekötése, funkcionalitása és paraméterezése merőben eltérő lehet.

A frekvenciaváltókat arra használják a leggyakrabban, hogy hagyományos AC aszinkron motorok fordulatszámát változtassák. Ezért a frekvenciaváltókat VFD-nek (Variable Frequency Drive) is nevezik. Speciálisabb esetben használhatók feszítés (nyomaték) vezérlésre vagy megfelelő kiegészítő kártyával pozícionálásra, szinkronizálásra is. Az alkalmazási kör igen széles, ma már elterjedten használják az iparban a frekvenciaváltókat.

A frekvenciaváltók felépítésére jellemző, hogy a bejövő hálózati feszültséget (1) egyeniránytják (2) (akár 1 fázisú, akár 3 fázisú a frekvenciaváltó betáplálása). Az egyenáramot kondenzátorokkal szűrik (5), így létrejön egy ún. belső DC feszültség. A frekvenciaváltó a motor számára a három fázisú áramot ebből a DC feszültségből állítja elő kapcsoló félvezetőkből összeállított hídkapcsolás segítségével (6). A hídkapcsolás félvezetőit a frekvenciavűltó elektronikája vezérli (8).

Egy három fázisú frekvenciaváltó felépítése az alábbi:

  1. Betáplálás. Jellemzően 3x400V AC
  2. Három fázisú egyenirányító híd, amely egyenáramot állít elő
  3. Közbenső DC kör
  4. Szűrőtekercsek
  5. Nagy kapacitású szűrőkondenzátor, amelyen előáll a közbenső köri szűrt, kb 520V-os (3x400V-os betápnál) egyenfeszültség
  6. Félvezetős teljesítmény fokozat. Három fázisú tranzisztor híd (általában IGBT, kisebb telj, típusokban FET), amely a közbenső köri DC feszültségből PWM jel segítségével előállítja a motor számára a három fázisú változtatható frekvenciájú feszültséget
  7. A meghajtott hagyományos 400V AC aszinkron motor
  8. Vezérlő elektronika amely vezérli a teljesítmény fokozatot, ellenőrzi az üzemi körülményeket, előállítja a kimenő jeleket, kezeli a bemeneteket, lehetővé teszi a paraméterezést, stb
A frekvenciaváltót digitális és analóg jelekkel lehet vezérelni, vagy valamilyen szabvány szerinti ipari kommunikációs vonalon (közönséges RS422, RS232, Modbus, Profibus, Interbus, CAN bus, stb).
Gyakori a digitális be és kimenetek felhasználása a vezérlésre. Digitális, analóg ki és bemenetekkel minden általános célú frekvenciaváltó rendelkezik.
A digitális bemenetek kontaktus vagy általában 0/+24V DC feszültség lehet. VLT5000 esetében a digitális kimenetek nyitott kollektoros tranzisztor kimenetek és két relékontaktus. Analóg jel 0/10V-os feszültség, vagy 0-20/4-20mA áramjel.

A Danfoss VLT5000 frekvenciaváltó ki és bemeneti kapcsainak és belső áramköreinek sémája:

A ki és bemenetek funkciója paraméterezhető.
A legegyszerűbb esetben a frekvenciaváltónak egy kontaktus ad start parancsot, esetleg irányváltás parancsot, és egy analóg bemenet szerinti sebességgel forgatja a motort, mint alapjel (referencia).
Vagy a motor sebességét több lépcsőben, előre beállított paraméterek szerinti sebességgel forgartja, mely lépcsők között digitális bemenetek állapota választ.

A frekvenciaváltó egy start parancs hatására egyre gyorsítva (felfutó rámpa) forgatni kezdi a motort. A gyorsítást addig végzi, amíg a motorfrekvencia el nem éri az alapjel által előírt frekvenciát. Ezután ezzel a sebességgel forog tovább. Amikor a start parancs megszűnik, a motort lassítani (lefutó rámpa) kezdi amíg az meg nem áll. Az álló motor indítása után a gyorsítási időt a 207-es paraméterben beállított idő határozza meg. A start parancs megszűnésekor, a motor lassulásának kezdetétől a motor megállásáig eltelő időt a 208-as paraméterben beállított idő határozza meg. Ez a felfutó és a lefutó rámpaidő:


A fenti ábra szerint a motor lassításkor is feszültség alatt van, a frekvenciaváltó fokozatosan (lineárisan) csökkenő frekvenciával táplálja. Ilyenkor a motor nem szabadonfutással lassul le, a motor sebessége terheléstől függetlenül szigorúan követi a lassítás közben csökkenő frekvenciának megfelelő sebességet.

A motor fékezése generátor üzemben

A leggyakoribb alkalmazásoknál megállás előtt a motor csökkenő frekvencia szerint lassul megállásig egy paraméterben megadott lefutó rámpaidő szerint. A frekvenciaváltó a motor sebességét tehát "végigvezeti" a megállásig, így a motor a lassulási rámpa alatt is adhat le nyomatékot. A lassulás idejét nem a motor saját tehetetlensége és a forgást fékező körülmények eredője határozza meg, vagyis nem szabadonfutással áll meg.
Ezért kellően nagy lendítő tömeg és forgási sebesség, illetve rövid lefutási rámpaidő mellett előfordulhat, hogy a mechanika tehetetlensége a rámpánál hosszabb lassulási időt diktálna. Ilyenkor a motor a lassítási rámpa alatt fékezőnyomatékot produkál, mivel a motort a mnechanikai terhelés lendülete hajtja. Ilyenkor a motor generátor üzemben van és energiát termel. Ez az energia villamos energia formájában visszajut a frekvenciaváltóba és növeli a belső DC kör feszültségét.
Ha a generátor üzem intenzív és hosszan tart, akkor a DC kör feszültsége elér egy kritikus értéket és beavatkozik a frekvenciaváltó védelme. Ilyenkor a frekvenciaváltó abbahagyja a motor vezérlését, és lekapcsolódik róla, a motor szabadonfutással megáll. A frekvenciaváltó pedig DC link overvoltage hibát jelez.
A probléma kiküszöbölhető fékező ellenállás használatával.
A VLT5000 bizonyos altípusai (SB és EV) ún. fékcsopper tranzisztorral rendelkeznek.


A fékcsopper egy tranzisztor (IGBT) ami a belső DC kör feszültségét kivezeti a frekvenciaváltó R+ és R- kapcsaira. Ide egy nagy teljesítményű ellenállást kell kapcsolni. A frekvenciaváltó vezérlése a DC köri feszültségének növekedését a motor generátor üzeménél megakadályozza azzal, hogy a fékcsopper segítségével a DC köri feszültséget a külső fékezőellenállásra juttatja, ami a motor által visszajuttatott energiát hővé alakítja át.
Fékező ellenállás alkalmazásakor a frekvenciaváltón be kell állítani hogy használja az ellenállást. A 400-as paramétert állítsuk RESISTOR-ra és a 401-es paraméterben adjuk meg a frekvenciaváltónak a fékező ellenállás értékét ohm-ban, a 402-es paraméterben pedig a teljesítményét.
Fékellenállás használata mellett (ha a fékellenellás jól van méretezve) a motor generátor üzemben képes ugyanakkora fékezőnyomatékot produkálni mint amekkora a névleges nyomatéka. Ezzel nagy inerciájú berendezések is meglehetősen dinamikusan mozgathatók.
A fékellenállás teljesítménye szinte mindig sokkal kisebb mint a motor teljesítménye, mivel fékezés a motor teljes üzemidejének csak néhány százalékát teszi ki. Ennek ellenére nagyobb hajtásoknál (főleg emelőműveknél) az ellenállás szükséges teljesítménye több kW is lehet.



A fékellenállás nélkül a DC feszültség emelkedése hosszabb rámpaidővel kerülhető el, vagy a motor vezérlési módjának megváltoztatásával.
Pl. a motort nem lefutó rámpa szerint, hanem szabadonfutással állítjuk meg. Erre a frekvenciaváltó egy külön bemenete biztosít lehetőséget, melyet a COAST INVERSE funkcióra állítunk be. Ez gyári beállítás szerint a 27-es kapocspont (átállítható). A coast inverse funkciója az, hogy a bemenet inaktív állapotában a frekvenciaváltó "elengedi" a motort, vagyis lekapcsolódik róla. A motor szabadonfutással áll le. Ha a 27-es pontot a start paranccsal együtt vezéreljük, akkor a motor minden megálláskor szabadonfutással áll le. Így megállításkor nem lesz lefutó rámpa, ilyenkor a lefutó rámpaidőt meghatározó paraméter tartalma közömbös. A rámpaidő azonban ilyenkor is hatásos, ha a motort nem megállítani akarjuk, hanem a sebességét változtatjuk meg!

Fékezés egyenárammal

Ha a motort a stop parancs után a lehető leggyorsabban meg akarjuk állítani, de rövid lefutó rámpa nem alkalmazható a generátor üzem miatt, használhatjuk az egyenáramú fékezés lehetőséget is.
Ha egy bemenet funkcióját "DC Brake inverse" funkcióra állítjuk, a bemenet inaktív állapotában a frekvenciaváltó a motor állórészére egyenáramot kapcsol, ami a motort fékezi. A 125-ös paraméterben adható meg a fékező áram mértéke a motor névleges áramának százalékában, 126-os paraméterben a fékezés ideje, ami maximum egy perc lehet.
Amíg a motortekercseken egyenáram folyik át, a motor tartónyomatékot fejt ki. Ha a "DC Brake inverse" bemenetet aktiváljuk a 126-os paraméterben beállított idő letelése előtt, akkor a frekvenciaváltó abbahagyja a fékezést.
Az egyenáramú fékezést nem csak bemenettel aktiválhatjuk, hanem beállítható egy küszöbfrekvencia is a 127-es paraméterben. A frekvenciaváltó egyenáramú fékezésbe kezd, amikor a lefutó rámpa során  (stop parancs hatása alatt) a motorfrekvencia a 127-es paraméterben beállított frekvencia alá csökken. A fékező áram mértéke ekkor is a 125-ös paramétertől függ, az ideje pedig a 126-ostól.
Folyamatos tartónyomaték is létrehozható a motortengelyen, ha a 122-es paraméterben (stop művelet) DC tartás (DC-HOLD) funkciót állítunk be. Amikor a frekvenciaváltó nem kap start parancsot és nincs érvényben egyéb művelet sem, a 122-es paraméterben beállított funkciót hajtja végre, ami gyári beállítás szerint szabadonfutás (COAST). DC-HOLD beállítással a motor nyugalmi állapotban folyamatosan a 124-es paraméterben beállított erősségű egyenáramot kap. Nagy tartóáram nagy tartónyomatékot fejt ki, de melegíti a motort!
Biztonsági okokból az egyenáramú fékezés önmagában nem használható emelőgépeknél a teher megtartására, mert a frekvenciaváltó meghibásodása, kikapcsolása, hibaállapot létrejötte vagy áramszünet esetén a teher lezuhanhat a tartónyomaték megszűnésekor! Ilyen berendezéseknél eletromechanikus fékkel szerelt motort kell alkalmazni.

Az elektromechanikus fék vezérlése

A hajtás rögzítésére használhatunk ún. fékmotort. Fékmotor több féle létezik. Elterjedt az elektromechanikus fékkel szerelt motor. Az ilyen motor tengelyén egy féktárcsa van, amit rugók szorítanak hozzá a fék álló részéhez. Nyugalmi (feszültségmentes) helyzetben tehát a motortengely fékezve van. Egy elektromágnes a rugóerő ellenében eltávolítja a fékező felületeket egymástól, így amíg a mágnes feszültség alatt van, a motor akadálytalanul foroghat. Amikor a tekercs feszültségmentes lesz, a fék kioldómágnes elejt és a rugók ismét összeszorítják a fékező felületeket.


A tekercs rendszerint egyenáramú. Azoknál az alkalmazásoknál, amelyikben nincs frekvenciaváltó és a motort közönséges mágneskapcsoló indítja, gyakori hogy a motor kapocsléce mellé szerelt egyenirányító híddal táplálják ezt a tekercset közvetlenül a motorban. A híd a motorfázisokról vagy az egyik motorfázisról és a csillagpontról kap feszültséget. Így a tekercs a motorral egyszerre van feszültség alatt.
Ez a megoldás semmiképpen nem alkalmazható frekvenciaváltóra kapcsolt motornál, mert alacsonyabb sebességnél a motor alacsonyabb feszültséget kap, ezért a fékre jutó feszültség is a névleges alatti lesz, ezért a féktekercs nem tudja kioldani a féket. Továbbá a frekvenciaváltó kapcsoló üzeme miatt az egyenirányítóra kb. 5-15kHz-es 500V-os impulzusok jutnak, ami tönkreteheti azt.
Frekvenciaváltó alkalmazásánál az elektromechanikus féket mindig külön áramkörről kell táplálni!

A hagyományos mágneskapcsolós motorindításnál a motortekerccsel párhuzamosan kötött fék megoldás hátránya, hogy a motort indító mágneskapcsoló elejtésekor a még teljes sebességgel forgó motor rövid ideig generátor üzemben áramot fejleszt, ami átmenetileg megtáplálja a féktekercset. Ez késlelteti a fék reakcióját megálláskor.
Ezt úgy lehet elkerülni, hogy a féktekercset a motort indító mágneskapcsolóval kapcsoljuk, de külön érintkezővel. A kapcsoló elejtésekor nem marad kapcsolatban a motor kivezetése és a fék kioldó tekercse, a féktekercsen folyó áram azonnal nulla lesz, a fékezés azonnal hatásos:


A rajz egy irányváltó kapcsolás részletét mutatja a fék kioldó tekercs bekötésével.
Ha egy ilyen motor mellé pl. utólag frekvenciaváltót kell beépíteni, akkor a fék vezérlésén változtatni kell, ha a motort a frekvenciaváltó lefutó rámpájával akarjuk lassítani.
Ha ugyanis a féket a frekvenciaváltónak kiadott start paranccsal együtt kapcsolgatjuk lefutó rámpa alkalmazásával, akkor a motor és a fék működése a következő lesz:


A felső görbe a rámpa szerint gyorsuló, majd állandó sebességgel forgó, végül rámpa szerint lassuló motor sebesség görbéjét mutatja időben.
Az alsó a mechanikus fék kapcsolási állapotát szemlélteti a fentivel párhuzamosan.
Mivel a start paranccsal párhuzamosan kapcsol a fék, a start megszünésekor (stop) a fék azonnal elejt, azaz a motort fékezni kezdi, de a motor még csak ekkor kezdi végrehajtani a lefutó rámpát. Így a motor a lefutó rámpa alatt már fékkel forog, amit az "A" jelű szakasz mutat.
Ez vagy azt eredményezi, hogy a fékbetét hamar elhasználódik, vagy a frekvenciaváltó túlterheléssel hibára megy, a motor hamar túlmelegszik, stb.
Ha a frekvenciaváltót szabadonfutással állítjuk le, ez a probléma nem jelentkezik, viszont a motor fokozatos lassulás nélkül azonnal leáll.

Ha pl. technológiai okokból elkerülhetetlen, hogy a fékmotort rámpa szerint lassítsuk le (pl. a kíméletesebb lassítás érdekében), akkor az elektromechanikus fék vezérlését a frekvenciaváltóra kell bízni. Ez annyit tesz, hogy a féktekercset nem a start paranccsal együtt kapcsoljuk, hanem annak vezérlését a frekvenciaváltó egy kimenetére kötjük.
Erre egy lehetséges példát mutat az alábbi rajz részlet:
     
A motorféket a K2.7 segédrelén keresztül a frekvenciaváltó 01-02-es relékontaktusa kapcsolja.
VLT5000-nél az elektromechanikus fék vezérlésének több módja van, melyek között a fék vezérlésére használt kimenet funkciójának beállításával lehet választani.
A fék vezérlését 24V-os kimenettel is meg lehet valósítani. A rajz szerinti megoldásnál a VLT5000 323-as paraméterével lehet a 01 relékimenet és így a fék vezérlését beállítani.
VLT running
Ha a kimenet funkcióját erre állítjuk, akkor a fék kiold ahogy a frekvenciaváltó start parancsot kap, és a stop parancsnál mindaddig kioldva marad, amíg a motor teljesen le nem áll. A fék tehát mindaddig ki van oldva, amíg a motor forog, azaz a lefutó rámpa ideje alatt is kioldoott állapotban van.
Mechanical brake control és Extended mechanical brake control
Emelőhajtásoknál is használható fék vezérlési mód.
A mechanikus féket nem a start paranccsal egyidőben oldja ki, hanem akkor, amikor a start parancsot követően a felfutó rámpa alatt a motor  áramfelvétele meghaladja a 223-as paraméterben beállított áramot (warning current low). Mivel a motor nyomatéka az elindulás pillanatában a felfutó rámpa elején nagyon alacsony fordulatnál még kicsi, ha a fék a start paranccsal együtt oldana, a motor induló nyomatéka nem volna képes terhelés megtartására. Ha a fék kioldásának áram értékét úgy állítjuk be, hogy a beállított áramnál a motor már kellő nyomatékot adjon a terhelés megtartásához, megakadályozhatjuk hogy indulásnál a teher visszaessen.
A fék akkor ejt el (azaz kezd újra fogni) amikor a motor frekvenciája stop parancs hatására a lefutó rámpa végrehajtása közben a 225-ös (warning frequency low) paraméterben beállított frekvencia alá csökken. (Ezt a frekvenciaküszöböt csak érvényben lévő stop parancs közben veszi figyelembe, tehát a motor kioldott fékkel foroghat ennél alacsonyabb frekvenciával is).
Ez a módszer a motor lassításánál akadályozza meg a terhelés elejtését, ha a fék kapcsolásának frekvenciáját megfelelően választjuk meg.
A két fék vezérlési mód között (extended és normál) az a különbség, hogy mechanical brake conrol használatakor, ha a motor forgása közben a motor árama a 223-as paraméterben megadott küszöb alá esik, akkor a fék elejt és fogni kezd. Extended mech. brake control választásakor a fék kioldva marad ilyen esetben is és csak a 225-ös frekvenciahatár alá lassuló motornál fog újra.

Amennyiben frekvenciaváltóval fékmotort működtetünk, a mechanikus fék csak a motortengely rögzítésére szolgál és nem a forgó motor lelassítására és megállítáásra. A lassítást a frekvenciaváltó végzi, a fék igénybevétele így sokkal kisebb. Az elektromechanikus fék frekvenciaváltó általi vezérlését kombinálhatjuk DC fékezéssel is.
Ilyenkor a mechanikus fék a fent leírt módon működik, de leállási művelet kiegészül azzal, hogy a motor teljes megállása után és a mech. fék kapcsolásakor a frekvenciaváltó néhány másodpercig egyenárammal is fékezi a motort. A DC fékezéssel áthidalható a mechanikus fék késése így a féket mégjobban kíméli.

Kúpos forgórészű fékmotor

Egy speciálisabb fékmotor a kúpos forgórészű motor. A féket maga a forgórész mégneses tere oldja ki forgás közben, így nincs szükség külön fék kioldó áramkörre.
Az ilyen motoroknál a forgórész csapágyazása lehetővé teszi a forgórész tengely iránnyal párhuzamos elmozdulását. A forgórész átmérője általában a motor eleje felé csökken, a forgórész nagyobb átmérőjű végén (a motor hátulján) egy féktárcsa van.
A kúpos forgórészt a kúpos állórészben egy rugó hátranyomja. A féktárcsára rögzített fékgyűrűt így a rugó nekinyomja a fedél gyűrűvel párhuzamosan kiképzett felületéhez, ami a tengelyt rögzíti elfordulás ellen. A motor feszültségmentes állapotban a rugó segítségével fékez.


Feszültségmentes állapotban a rugó által hátranyomott forgórész és állórész közötti rés megnő a kúpolás miatt.
Amikor a motor feszültséget kap, az állórész mágneses tere behúzza a forgórészt a kúpba, mert arra törekszik, hogy ez a rés megszűnjön. A forgórész előre lendül és a réstávolság lecsökken, ugyanakkor a tengely végén a féktárcsa és fékgyűrű eltávolodnak egymástól, a fékező hatás megszűnik, a tengely szabadon foroghat. A tengely a motor első csapágyánál kiképzett vállon és az első pajzsba szerelt axiális csapágyon felütközik, amikor az álló és forgó rész közötti rés optimális.
Amikor a motor feszültségmentes állapotba kerül, a rugót legyőző mágneses erő megszűnik, és a rugó ismét hozzányomja a fékgyűrűt a hátsó fedél kiképzett felületéhez.

Ha a frekvenciaváltóval egy ilyen fajta motort akarunk hajtani, akkor extra beállításokra is szükség lehet.
Várható az a probléma, hogy a motor indításakor kis kezdeti sebességnél nem elég nagy a motor mágnesezése ahhoz, hogy a rugóerőt legyőzze. Különösen akkor, ha hosszú elnyújtott rámpákkal dolgozunk. A probléma megálláskor is jelentkezhet a lefutó rámpa végénél; a forgórész még a rámpa vége előtt "visszaejt" és a motor fékezni kezd.
A problémát a start funkcióval kerülhetjük el.
A 120-as paraméterben beállítható egy start késleltetési idő. Amikor a frekvenciaváltó start parancsot kap, akkor elkezd telni ez az idő. A 121-es paraméterben pedig megadhatjuk, hogy amíg ez az idő telik, mit tegyen a frekvenciaváltó. Jelen esetben a "horizontal operation" funkcióra van szükség, ami annyit tesz, hogy az idő leteléséig a referenciának megfelelő irányban, a motort a 130-as paraméterben megadott start frekvenciával és a 131-es paraméterben megadott initial voltage feszültséggel forgatni kezdi. Az idő letelte után a szokásos rámpával gyorsítja a motort.
Start funkció használata nélkül a felfutó rámpa mentén gyorsuló motor egyre nagyobb feszültséget kap a frekvencia függvényében az ún. feszültség/frekvencia karakterisztika alapján a motor kiválasztott nyomatékgörbéje szerint.
A start funkció lehetővé teszi, hogy az indulás pillanatában rövid ideig magasabb feszültséget kapjon a motor mint azt a forgatás frekvenciája a feszültség/frekvencia karakterisztika alapján indokolná. Így a forgórész határozottan "behúz" és oldja a féket. A behúzott forgorész bent tartásához már kevesebb erő kell, így a start késleltetés leteltekor induló "közönséges" rámpa már kioldott fékkel indul.

Irodalom:
Danfoss VLT5000 magyar nyelvű leírás

Kapcsolódó rovatok:
Fényképek frekvenciaváltókról
Mire jó a frekvenciaváltó?

Szirty