Get Adobe Flash player

50 éves a frekvenciaváltó

Zajácz János
alkalmazási mérnök
Danfoss Kft.

50 éve kezdődött meg a hajtástechnikát forradalmasító frekvenciaváltók sorozatgyártása. Áttekintjük miért volt forradalmi a hatás.

The series production of the frequency converters has begun 50 years ago. We take a short overview why it had a huge effect.

A villamos hajtástechnikában már régóta ismert a rövidrezárt forgórészű aszinkron motorok alacsony karbantartásigényű, egyszerű felépítése. A szabályozásuk viszont sokáig csak nagy nehézségek árán volt lehetséges, ezért a forgó átalakító gépcsoportokról táplált aszinkron motorokat ki is szorították a különféle egyenáramú hajtások. A korai, szabályozott aszinkron gépes hajtásoknak a forgó átalakító miatt magas bekerülési költség, komplikált felépítés, nagy tömeg és alacsony megbízhatóság volt a hátrányuk. Az iparban a könnyen kézben tartható, és viszonylag egyszerűen szabályozható külső gerjesztésű egyenáramú motorok, a vontatásban pedig a soros vagy vegyes gerjesztésű egyenáramú gépek vették át az uralmat a múlt század ötvenes éveitől. Az egyszerűbb felépítésű és könnyebben kezelhető szabályzási módok azonban nem homályosították el az egyenáramú gépek hátrányait, csak átmenetileg váltak kevesebb kompromisszummal használható és jobb tulajdonságú hajtásokká a váltakozó áramúakhoz képest.

Azonban az egyenáramú motorok nagy mérete, tömege, a kedvezőtlen kommutációs jelenségek és a folyamatos karbantartást igénylő, kopó szénkefék a kutatásokat és a fejlesztési próbálkozásokat a rövidrezárt forgórészű vagy kalickás aszinkron gépek irányába vitték.

A hatvanas években a Danfoss félvezetőket gyártó kísérleti részlegéről két mérnök, Arne Riisager és Arne Jensen részt vett egy londoni konferencián. A konferencián az egyik előadó nagy meggyőződéssel állította, hogy az aszinkron motorok fordulatszám szabályozásának a módja csak mechanikus lehet. A két mérnöknek nem tetszett ez a kijelentés, ezért hazatérve hozzáláttak egy elektronikus fordulatszám szabályozó eszköz megvalósításához. 1967-re el is készültek a működő prototípussal és 1968-ban elkezdődhetett az akkor még VeLoTrolnak hívott, később VLT 5-re átkeresztelt frekvenciaváltó sorozatgyártása, a világon először.

Impulzus amplitudó modulációval (PAM) működő frekvenciaváltó vezérlési hatásvázlata

Ezzel lehetővé vált a rövidrezárt forgórészű aszinkron motorok fokozatmentes és a korábbiakhoz képest elhanyagolható veszteséggel történő fordulatszám-szabályozása. A megbízható és alacsony karbantartás igényű aszinkron motorok így fokozatosan ki tudták szorítani a szabályozott ipari hajtásokban használt külső gerjesztésű egyenáramú motoros és a különféle csúszógyűrűs aszinkron gépes hajtásokat. Az első frekvenciaváltók inverter fokozataiban impulzus amplitudó modulációval vezérelt tirisztorokat alkalmaztak. A teljesítményelektronikát olajfürdőben hűtötték, ezért a későbbi frekvenciaváltókhoz képest még nagy méretűek és nehezek voltak. A többi megoldáshoz képest viszont a frekvenciaváltós hajtásnak behozhatatlan előnyei voltak:

  • Veszteségmentes indítás, névleges nyomatékkal.
  • Minimális járulékos veszteséggel folyamatos üzemelés a névlegestől alacsonyabb fordulatszámokon.
  • A csapágyokon kívül kopó alkatrészt nem tartalmazó motor használata.
  • Kisebb, könnyebb motorok használata.
  • Egyszerű beállítás, telepítés, beüzemelés.

Ezek a frekvenciaváltók a mai utódaikhoz képest még meglehetősen csekély funkciókkal rendelkeztek. A felhasználó indítani, leállítani tudta a motort, meg tudta adni a kívánt fordulatszámot és meg tudta változtatni a motor forgásirányát is. A beállításra csupán pár bekötés és potenciométer szolgált.

Az ipar részéről felmerülő egyre komolyabb követelményekkel összhangban felgyorsult a frekvenciaváltók fejlesztése, hiszen egyre nőtt az igény a rugalmas, intelligens és költséghatékony megoldások iránt.

A frekvenciaváltók méretének csökkentésében az első lépést a múlt század hetvenes éveinek a végén a léghűtéses modellek megjelenése jelentette. A nyolcvanas évek végén jelentek meg a digitális frekvenciaváltók első változatai. A szintén ekkor megjelenő terepi vezérlési rendszerek és a hozzájuk kifejlesztett terepi kommunikációs buszok a frekvenciaváltókban is megjelentek. További fejlődéshez utat az egyre kisebbé és nagyobb teljesítménytartományban elérhető félvezetők nyitottak, így a frekvenciaváltók is egyre kisebbek lettek. A tirisztorokat felváltották az IGBT kapcsolóelemek és az impulzus amplitudó modulációt az impulzus szélesség moduláció (ISZM vagy PWM). Ezek a készülékek már további funkciókkal is rendelkeztek, és különböző kiegészítőkkel lehetett őket bővíteni. A különböző alkalmazásokhoz kifejlesztett típuscsaládok megjelenésével a fordulatszám-szabályozás újabb és érdekes válfaja jelent meg.

A jelen század első éveiben a moduláris felépítésű, kompakt frekvenciaváltók terjedtek el. Ezeket építőkocka-szerűen lehet összeállítani, így a felhasználó a saját igényeihez optimálisan illeszkedő megoldást állíthat össze, és lehetőséget kap berendezéseinek későbbi bővítésére, illetve illesztheti azokat a módosított rendszereihez, illetve új gyártástechnológiai folyamataihoz. Ezzel egyidejűleg nagyobb intelligenciát integráltak a frekvenciaváltókba, amivel számos, korábban központi vezérléssel ellátott funkciót vehet át a hajtás, ezzel tehermentesítve az irányítástechnikát más feladatok és összetettebb programok számára. Jelenleg az Ethernet-alapú terepi busz rendszerek fontossága növekszik, a frekvenciaváltók ezeken keresztül kapcsolódhatnak az Ipar 4.0 követelményeit kielégítő egyre intelligensebb felügyeleti rendszerekhez. Ezzel párhuzamosan a hajtások vezeték nélküli kezelhetősége is egyre nagyobb teret hódít.

A bármilyen háromfázisú motort hajtó, korszerű frekvenciaváltó már okostelefonról is kezelhető.

Az energia hatékony felhasználása az aszinkron motortól újabb motortechnológiák megjelenését vonta maga után. Az állandómágneses szinkron motorok igen nagy hatásfokú gépek, de indítókalicka nélkül csak frekvenciaváltókkal együtt használhatók. Általában ritkaföldfém mágnesekkel készülnek, ezért a beszerzési költségük magasabb az aszinkron gépétől, de a magas hatásfokuk és a lehetőség a többpólusú, alacsony fordulatszámú, nagy forgatónyomatékú kialakításra képessé teszi ezeket a motorokat a rossz hatásfokú áttételek kiváltására is. Ezzel a teljes hajtásrendszer hatásfoka igen nagyot javulhat. Elveit tekintve nem új, de az alkalmas gyártástechnológia kifejlesztése miatt az elmúlt években léptek piacra a szinkron reluktancia motorok. A magas cos fi-vel működő motorok igen egyszerű felépítésűek, frekvenciaváltóról táplálhatóak, és magas a hatásfokuk. A frekvenciaváltók az aszinkron motorétól eltérő, speciális algoritmusok használatával tudják vezérelni az újfajta motorokat. A Danfoss frekvenciaváltók bármely gyártmány hajtására képesek, speciális opciók és szoftverek nélkül is, akár precíziós mozgások szintjén is.

További információ: Danfoss Kft.
Zajácz János alkalmazási mérnök
1139 Budapest, Váci út 91.
http://drives.danfoss.hu
janos.zajacz@danfoss.com
Tel.:+36 1 450 3566