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.

Bár alkalmazási területtől függ, de 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:

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 a csökkenő frekvencia szerint lassul, a frekvenciaváltó a motor sebességét "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 rámpa 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 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, amikor 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 PWM teljesítményszabályozással a fölösleges teljesítményt a külső fékezőellenállásra juttatja, amit az hővé alakít 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 berendezés 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 az ellenállás 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, nem lesz lefutó rámpa (ilyenkor a lefutó rámpaidőt meghatározó paraméter tartalma közömbös).

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!
Az egyenáramú fékezés nem használható hosszú idejű tartónyomaték kifejtésére emelőgépeknél, mert a frekvenciaváltó meghibásodása, kikapcsolása, hibaállapot létrejötte vagy áramszünet esetén a teher lezuhanhat a tartónyomaték megszűnésekor! Ilyen berendezéseknél eletromechanikus fékkel szerelt motort kell alkalmazni.

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 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, 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.

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 rovat:
Fényképek frekvenciaváltókról


Szirty