Elektrik motorlarını yeni öğrenen bir acemiyseniz, "VFD" terimini sık sık duymuş olabilirsiniz. Ancak VFD'nin ne olduğu ve nasıl çalıştığı, türleri, avantajları ve dezavantajları ve ilgili uygulamaları, VFD'nin çok iyi bilmediğiniz temel bilgileridir ve bu makale yeni başlayanlar için oldukça uygundur.
VFD nedir?
VFD veya değişken frekanslı sürücü, güç kaynağının frekansını ve voltajını değiştirerek bir AC endüksiyon veya senkron motoru kontrol etmek için kullanılan bir tür elektronik cihazdır. Sürücü, motora sağlanan frekansı ve voltajı kontrol etse de, sonuç olarak motorun hızının ayarlanmasıyla sonuçlandığı için genellikle buna hız kontrolü denir. VFD'nin diğer isimleri şunlardır: ayarlanabilir hız sürücüsü, ayarlanabilir frekans sürücüsü, değişken voltajlı/değişken frekanslı sürücü, AC sürücü, Mikro sürücü, İnverter, değişken hız sürücüsü.
Değişken frekanslı sürücü, üç ana alt sistemden oluşan bir sürücü sisteminde kullanılan bir cihazdır: AC motor, ana sürücü kontrol ünitesi ve sürücü/operatör arayüzü.
- Genellikle üç fazlı endüksiyon motoru olan bir AC motor, ancak bazen tek fazlı veya senkron motor da olabilir.
- Üç farklı alt sistemden oluşan, katı hal güç elektroniği dönüşüm sistemini kullanan bir ana tahrik kontrolörü: bir doğrultucu köprü dönüştürücü, bir DC bağlantısı ve bir invertör.
- Operatöre veya PLC'ye motoru çalıştırma ve durdurma, hızı ayarlama, yön değiştirme vb. araçlar sağlayan bir izleme ve kontrol arayüzüdür. Arayüz ayrıca motorun çalışması, sürücünün sağlığı vb. hakkında bilgi sunar. Bir PLC ile iletişim, bir dizi seri iletişim protokolü veya 4-20mA veya 0-10V analog sinyallerle birleştirilmiş eski tip röle giriş ve çıkışları aracılığıyla gerçekleştirilebilir.
VFD nasıl çalışır?
Bir VFD'nin nasıl çalıştığını anlamak için, şimdi VFD'nin dört ana bölümünü açıklayacağım: doğrultucu, DC bara/DC bağlantısı, invertör ve kontrol devresi.
1. Doğrultucu
Ana güç kaynağından gelen AC girişini DC'ye dönüştürür. Bu parça, kullanılan uygulamaya (örneğin, bir motorun dört kadranlı çalışması) bağlı olarak tek yönlü veya çift yönlü olabilir. Diyotlar, tristörler, transistörler ve diğer elektronik anahtarlama aygıtlarını kullanır.
2. DC veri yolu/DC bağlantısı
DC bağlantısı, doğrultucu tarafından dönüştürülen gücü depolayarak, doğrultucunun titreşimli DC çıkışındaki dalgalanmaları giderir ve düzgün bir DC voltajı sağlar. Esas olarak, titreşimli DC'deki dalgalanmaları filtrelemek ve depolamak için kapasitörlerden oluşur. Ayrıca, dalgalanma türüne bağlı olarak bir indüktör de içerebilir.
3. İnvertör
Bu parça, transistörler, tristörler, IGBT'ler vb. gibi elektronik anahtarlardan oluşur. DC bağlantısından sabit bir DC akımı alır ve bunu ayarlanabilir frekanslı bir AC akıma dönüştürerek motora iletir. Endüksiyon motorunun hızını kontrol etmek için çıkış frekansını değiştirmek amacıyla darbe genişlik modülasyonu gibi modülasyon tekniklerini kullanır.
4. Kontrol Devresi
Bir mikroişlemci ünitesinden oluşur. Doğrultucuya, DC baraya ve invertöre sinyaller iletir ve ayrıca bu parçalardan sinyaller alır. Bu sinyalleri kullanarak invertörün yarı iletken cihazlarını açıp kapatır, invertörü çalıştırmak için çeşitli kontrol sinyalleri sağlar ve koruma işlevleri sağlamak için invertörün çalışma durumunu izler.
VFD Türleri
Piyasada iki ana tip değişken frekanslı sürücü bulunmaktadır: mekanik ve elektrikli.
Mekanik VFD'lerin türleri
1. Değişken adımlı tahrik
Bu VFD, bir veya iki kasnağın adım çapının özel gereksinimlere göre ayarlanabildiği bir kayış-kasnak tahrik sistemidir. Bu mekanizma, değişken bir çıkış hızı sağlayan çoklu bir oran uygular.
2. Çekiş tahriki
Bu VFD'de, iki eşleşen metal silindire ait temas yolunun çapı ayarlanabilir, bu da çoklu oran ve dolayısıyla değişken bir çıkış hızı sağlar.
3. Hidrostatik tahrik
Bu VFD, pozitif deplasmanlı bir hidrolik pompa ve motordan oluşur. Pompadan çıkan akışkan hacmi, valfler veya deplasman değiştirilerek değiştirilir.
4. Hidrolik hidroviskoz tahrik
Bu VFD'de, giriş milindeki bir dizi disk, çıkış milindeki karşılık gelen sayıda diske bastırılır. Bu diskler arasında ince bir yağ tabakası bulunur. Sıkıştırılan disklerin basıncı değiştirilerek tork aktarımı ayarlanabilir ve böylece değişken hızlı çalışma elde edilebilir.
5. Hidrolik hidrodinamik tahrik veya akışkan kaplini
Bu VFD'de, iki pervane hidrolik sıvı kullanılarak birbirine bağlanır. Sıvının hacmi değiştirilerek, birincil ve çıkış arasındaki bağlantı derecesi değiştirilebilir ve bu da değişken hızlar elde edilmesini sağlar. Endüstride en yaygın kullanılan mekanik VFD'dir.
Elektrikli Tahrik Türleri
Eddy-Akım Bağlantısı
Bu VFD, sabit hızlı bir motor ile motor tarafından tahrik edilen uygulama arasında bulunur. Sabit hızlı bir rotor ve aralarında küçük bir hava boşluğu bulunan değişken hızlı bir rotordan oluşur. Rotorlardan birinde, rotorları birbirine bağlayan ve iletilen torku belirleyen bir manyetik alan oluşturmak için bir uyarma sargısı bulunur.
DC Sürücüler
DC sürücü, sağlanan AC gücünü değişken büyüklükte bir DC voltajına dönüştüren ve bunu bir DC motorun armatür sargısına besleyen bir DC dönüştürücüden oluşur. DC sürücüler genellikle tristör teknolojisini kullanır ve yukarıda belirtilen tüm tehlikesiz alan uygulamalarında kullanılabilir.
AC Sürücüler
Üç ana tip VFD vardır; hepsi AC girişini DC'ye çevirir ve ardından bir invertör yardımıyla DC'yi değişken AC çıkışına dönüştürür.
- Doğrudan dönüşüm: Bu tür, giriş AC'sinin tek aşamada değişken AC'ye dönüştürüldüğü siklo dönüştürücüler ve diğer matris topolojilerini içerir. Bu VFD'ler, en yaygın olarak fırçalı veya fırçasız uyartımlı senkron motorları kontrol eden siklo dönüştürücülerdir. Bu VFD'ler, motor hızının düşük ve tork gereksiniminin yüksek olduğu uygulamalarda kullanılır.
- Akım Kaynağı: Sabit akım jeneratörü gibi davranarak neredeyse kare dalga akımı üretir. Senkron motorları kontrol etmek için kullanılan akım kaynağı VFD'si, yük komütasyonlu invertör (LCI) VFD olarak da adlandırılır ve genellikle tristör teknolojisini kullanır. Endüktif kaynak nedeniyle tepkisi çok daha yavaştır, bu nedenle yalnızca fan ve pompa tipi yükler için uygundur.
- Gerilim kaynağı: Bir VSI sürücüde, diyot köprü dönüştürücünün DC çıkışı, invertöre sabit bir gerilim girişi sağlamak için bir kapasitör barasında enerji depolar. VSI sürücüler hem endüksiyon hem de senkron motorlarla çalışır. Gerilim kaynaklı invertörler, belirli bir güç değerinin üzerindeki sürücüler için tek seçenektir. Sürücülerin büyük çoğunluğu PWM gerilim çıkışlı VSI tipindedir. Günümüzde endüstride kullanılan en yaygın elektrikli VFD'ler, gerilim kaynaklı invertör (VSI) tipini kullanan AC invertörlerdir.
VFD'nin Avantajları
Enerji ve Enerji maliyeti tasarrufu
Motor sistemleri, günümüzde endüstride tüketilen elektriğin %65'inden fazlasını tüketmektedir. VFD'ler kullanarak motor kontrol sistemlerinin optimize edilmesi, ekipman enerji tüketiminde önemli azalmalara yol açabilir. Özellikle pompalarda, fanlarda ve kompresörlerde, VFD'ler önemli enerji tasarrufu sağlayabilir.
Verimli ve sorunsuz kontrol
Motorun en verimli hızda kontrol edilmesiyle hatalar azaltılır. VFD, daha düzgün bant ve konveyör hareketi sağlayarak, başlangıçtaki titremeyi ortadan kaldırır ve motor ile bant tahrikindeki termal ve mekanik stresi azaltır.
Yüksek güç faktörü
VFD'nin DC bağlantısına entegre edilmiş güç faktörü düzeltme devresi, ek güç faktörü düzeltme ekipmanı ihtiyacını azaltır. Bu da ek, pahalı kapasitör gruplarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır.
Tipik bir AC motorun tam yük güç faktörü 0,7 ile 0,8 arasında olabilir. Motor yükü azaldıkça güç faktörü de düşer. Özellikle yüksüz uygulamalarda, asenkron motorların güç faktörü çok düşüktür. Düşük güç faktörü, yüksek reaktif güç kayıpları nedeniyle düşük güç tüketimine neden olur.
Ekipman ömrünü uzatın ve bakım ihtiyacını azaltın
VFD, motor frekansı ve voltajının optimize edilmiş kontrolü sayesinde motorunuz için elektriksel aşırı yük, faz koruması, düşük voltaj, aşırı voltaj vb. sorunlara karşı daha iyi koruma sağlar. Bir yükü çalıştırmak için VFD kullanmak, motoru veya tahrik edilen yükü, hat içi çalıştırmanın "anlık şokundan" korur. Düzgün çalıştırma, kayış, dişli ve yatak aşınmasını büyük ölçüde ortadan kaldırır. Ek bir avantaj ise, düzgün hızlanma ve yavaşlama döngüleri sayesinde su darbesinin azaltılması veya ortadan kaldırılmasıdır. Bu, ekipmanın ömrünü uzatmaya ve bakım nedeniyle oluşan arıza süresini en aza indirmeye yardımcı olabilir.
VFD'nin dezavantajları
- Bir VFD'nin ilk maliyeti genellikle diğer değişken hızlı kontrol cihazlarından daha yüksektir.
- Bir VFD'nin kullanıcı arayüzü, bir çapraz hat başlatıcının kullanıcı arayüzünden daha karmaşıktır.
- Endüklenen Harmonikler: Değişken hızlı sürücü, güç hattına harmonikler indükleyen doğrusal olmayan bir yüktür. VFD'ler, özellikle yüksek beygir gücündeki sürücüler, bu bozulmanın potansiyel olarak hassas elektrikli ekipmanlara iletilmesini önlemek için hatlarında harmonik filtreler gerektirir.
VFD'nin uygulamaları
Aslında, bir AC motorun VFD ile çalışmaya uygun olmadığı hiçbir uygulama yoktur. VFD belirli bir uygulama için birçok avantaj sunuyorsa ve maliyeti makulse, VFD uygulaması kabul edilebilir.
VFD'lerin HVAC fan ve pompa uygulamalarında kullanılması enerji ve enerji maliyetlerinden tasarruf sağlayabilir ve endüstriyel uygulamalarda motor torku ve hız kontrolünü iyileştirebilir, ayrıca motor korumasını iyileştirebilir.
