Motoraandrijving met Variabel Toerental

Motoraandrijving met variabel toerental

Dit gedeelte behandelt de interactie tussen motoren en frequentieregelaars in systemen met variabel toerental, met nadruk op U/f-bedrijf (spanning/frequentie verhouding) en veldverzwakking.

Basisprincipes van U/f-regeling:

De motorprestaties worden gedefinieerd door de gegevens op het motortypeplaatje, zoals spanning, frequentie en vollaststroom. Bij een frequentiegestuurde motor wordt een constante verhouding tussen de spanning (U) en de frequentie (f) gehandhaafd, wat de magnetische flux (Φ) in de motor optimaliseert.
Dit wordt de U/f-regeling genoemd, wat ideaal zorgt voor een constant koppel tot de nominale frequentie (bijvoorbeeld 50 Hz). Boven deze frequentie kan de spanning niet verder worden verhoogd door de limieten van de motorisolatie, waardoor de magnetische flux afneemt en de motor in het veldverzwakkingsgebied komt, waar het koppel afneemt.
Het ideale gedrag wordt beïnvloed door de praktische limieten van de frequentieregelaars en motoren.

Ster- en driehoekconfiguratie bij veldverzwakking:

Motoren kunnen in ster- of driehoekconfiguratie worden aangesloten om de werking in het veldverzwakkingsgebied te beïnvloeden. Door de motor in driehoekconfiguratie aan te sluiten, kan de frequentie verder worden verhoogd zonder dat de flux te snel afneemt, wat resulteert in een groter toerentalbereik (tot 87 Hz in het voorbeeld).
Dit biedt voordelen zoals een groter toerentalbereik en betere dynamische prestaties door gebruik van een motor met een lager nominaal vermogen, maar heeft ook nadelen, zoals verhoogde slijtage van lagers door de hogere snelheid.

Draaien binnen stroomgrenzen:

Het motoraskoppel is direct gerelateerd aan de motorstroom. In toepassingen waarbij tijdelijk een hoog koppel nodig is, moet de frequentieregelaar ontworpen zijn om binnen de stroomgrenzen te werken zonder uit te schakelen. Dit kan bijvoorbeeld door het koppel te verlagen wanneer het toerental daalt, hoewel dit niet altijd mogelijk is voor alle toepassingen.

Kortom, dit gedeelte gaat over het balanceren van motorprestaties, spanning en frequentie in systemen met frequentieregelaars, waarbij zowel de voordelen als de beperkingen van de verschillende configuraties en bedrijfsstrategieën worden besproken.

2. Compensaties bij motoraandrijvingen

Compensatiefuncties zijn essentieel om de motorprestaties te optimaliseren, aangezien motorkarakteristieken vaak niet-lineair zijn. Verschillende compensaties worden toegepast om de motor te ondersteunen tijdens het starten, bij lage toerentallen en bij belastingen.

Compensatie voor niet-lineaire motorprestaties:

Startspanning, startcompensatie en slipcompensatie zijn nodig omdat een inductiemotor bij lage snelheden meer stroom vereist om zowel de magnetiserings- als koppel-genererende stroom te leveren. De frequentie-regelaar zorgt voor optimale werking door deze compensaties toe te passen, wat het maximale koppel levert tijdens het starten en bij lage toerentallen.

Belastingonafhankelijke startcompensatie:

Om de motor op te starten, kan een extra spanning (startspanning) handmatig ingesteld worden, vooral bij motoren die veel kleiner zijn dan de aanbevolen framegrootte van de frequentieregelaar. Dit helpt bij het overwinnen van statische wrijving en zorgt voor optimale magnetisering bij lage snelheden. Bij parallelbedrijf van meerdere motoren wordt aanbevolen deze compensatie uit te schakelen.

Belastingafhankelijke startcompensatie:

De start- en slipcompensatie wordt bepaald door de gemeten stroom (arbeidsstroom). Dit type compensatie, ook wel I × R-compensatie of boost genoemd, kan in sommige gevallen tot problemen leiden, zoals verzadiging van de motor bij nullastbedrijf of onvoldoende koppel bij belasting. De frequentieregelaar kan de spanningsboost afstemmen om overmagnetisering en opwarming van de motor te voorkomen.

Slipcompensatie:

De slip van een inductiemotor is afhankelijk van de belasting. Als de motor bij lage snelheden draait, kan de slipcompensatie van de frequentieregelaar noodzakelijk zijn om te voorkomen dat de motor stilvalt. Actieve slipcompensatie verhoogt de frequentie op basis van de gemeten arbeidsstroom, wat ervoor zorgt dat de motor efficiënt blijft draaien, zelfs bij een lagere snelheid.

PM-motoren en SynRM-compensaties:

Voor permanentmagneetmotoren (PM-motoren) zijn traditionele compensaties zoals start- en slipcompensatie niet relevant. In plaats daarvan moeten andere parameters zoals tegen-EMK, veldverzwakking en dynamische gegevens voor de motorbesturing in overweging worden genomen.
Voor SynRM-motoren (Synchronous Reluctance Motors) zijn specifieke parameters zoals statorweerstand, inductanties en verzadigingspunten essentieel voor de juiste besturing.

In samenvatting zorgen deze compensatiefuncties ervoor dat de motor efficiënt werkt over het gehele toerental- en belastingbereik, door automatische en handmatige aanpassingen te maken in de frequentieregelaar. Deze aanpassingen helpen bij het optimaliseren van koppel, het voorkomen van oververhitting en het beheersen van de motorprestatie bij verschillende bedrijfstoestanden.

3. werking van motoraandrijvingen met variabel toerental

Regeling motortoerental

Het motortoerental wordt geregeld door een referentiesignaal (0-10 V, 4-20 mA of spanningspulsen). Als het referentiesignaal stijgt, neemt het motortoerental toe en verschuift de motorkoppelkarakteristiek naar rechts. Als het belastingskoppel lager is dan het motorkoppel, bereikt het toerental de gewenste waarde. Als de belasting te groot is, kan het toerental niet worden overschreden, maar kortstondige overschrijdingen zijn toegestaan.

Omkeren

De draairichting van de motor kan worden omgekeerd door de fasevolgorde van de voeding te wijzigen. Dit kan elektronisch gedaan worden via de frequentieregelaar. Omkeren kan de motor beschadigen, vooral als de motor bij opstarten een specifieke draairichting moet hebben.

Acceleratie- en deceleratiehelling

De acceleratie- en deceleratiehellingen zorgen voor een geleidelijke verandering van het toerental, wat belangrijk is om schade aan de motor of andere mechanische systemen te voorkomen. De acceleratiehelling bepaalt hoe snel het toerental van de motor wordt verhoogd, terwijl de deceleratiehelling bepaalt hoe snel het toerental wordt verlaagd. Deze tijden zijn instelbaar, en kunnen worden berekend op basis van het traagheidsmoment van de motor en de belasting.

Motorkoppelregeling

Het motorkoppel kan worden geregeld om schade te voorkomen of om meerdere motoren efficiënt een belasting te laten delen. Als de belasting plotseling toeneemt, kan de frequentieregelaar tijdelijk overbelasting toestaan, maar het koppel kan ook begrensd worden om schade aan de motor te voorkomen. Bij meerdere motoren op een systeem wordt de belasting vaak gelijkmatig verdeeld door de droopfunctie, waarbij één motor het toerental regelt en de anderen zich hieraan aanpassen.

Watchdog

Frequentieregelaars kunnen het systeem bewaken door parameters zoals uitgangsfrequentie, stroom en koppel te controleren. Als bepaalde drempels worden overschreden, kan de regelaar ingrijpen door een waarschuwing te geven, het toerental te verlagen of de motor af te schakelen.

Energie-efficiënte motorstart

Een energie-efficiënte motorstart kan worden bereikt door gebruik te maken van een frequentieregelaar in plaats van directe aansluiting (DOL). Frequentieregelaars verlagen de slip en verliezen bij het starten door het geleidelijk verhogen van de spanning en frequentie, wat resulteert in een meer gecontroleerde en efficiënte opstart. Softstarters kunnen ook gebruikt worden, maar zijn minder efficiënt dan frequentieregelaars.

Energie-efficiënte motorbesturing

Efficiëntie wordt verder verbeterd door het gebruik van de juiste besturingsalgoritmes, zoals U/f-regeling, spanningsvector- of flux-vectorregeling. Dit is vooral belangrijk voor motoren met permanentmagneten, waarbij de voeding zo nauwkeurig mogelijk moet worden afgestemd op de tegen-EMK (elektromotorische kracht) van de motor.

Kortom, het gebruik van frequentieregelaars biedt veel voordelen in termen van efficiëntie, flexibiliteit, bescherming en energiebesparing bij het bedienen van motoren met variabel toerental.

4. Werking Dynamische Rem

Machines kunnen zowel potentiële als kinetische energie produceren die we willen verwijderen:

Potentiële energie ontstaat door zwaartekracht (bijvoorbeeld bij het hijsen van een last).
Kinetische energie ontstaat door beweging (bijvoorbeeld bij het stoppen van een draaiende centrifuge).

De machine kan worden ontworpen om deze energie te “remmen” of af te voeren. Dit proces vereist meestal vierkwadrantenbedrijf, wat inhoudt dat de motor zowel kan aandrijven als remmen (in beide draairichtingen).

Remenergiebeheer via de Frequentieregelaar

Als de motor door een frequentieregelaar wordt aangestuurd, wordt de remenergie (meestal gegenereerd door de bewegende delen van de machine) in de tussenkring van de frequentieregelaar opgeslagen. Als de remenergie groter is dan de vermogensverliezen in de regelaar, stijgt de spanning in de tussenkring tot een gevaarlijk niveau (soms boven 1000 V DC). Dit kan leiden tot uitschakeling van de frequentieregelaar (meestal met een foutmelding zoals ‘overspanning’).

Om dit te voorkomen, zijn er verschillende strategieën:

Verlenging van de deceleratiehellingstijd: Dit zorgt ervoor dat de motor langzamer afremt, waardoor minder energie teruggevoerd hoeft te worden in een kortere tijd.

Gebruik van de motor als remweerstand: Dit wordt gedaan door de motor als generator te laten werken, waardoor de gegenereerde energie in de motor zelf wordt omgezet in warmte. Dit is echter niet ideaal voor dynamische toepassingen zoals liften of takels, omdat de motor dan steeds warmer wordt.

Remchopper en weerstand: Dit is een specifiek circuit binnen de frequentieregelaar dat overtollige spanning afvoert naar een weerstand. Het remchoppercircuit voorkomt overspanning door deze overtollige energie te dissiperen. Het nadeel is dat dit systeem warmte genereert, wat problemen kan opleveren bij hogere vermogens.

Regeneratieve remeenheid: In toepassingen waar veel remenergie wordt geproduceerd, kan het voordelig zijn om een regeneratieve remeenheid te gebruiken. Dit systeem zet de opgehoopte energie om in stroom die terug naar het net wordt gevoerd, wat de efficiëntie verhoogt en de belasting op de frequentieregelaar vermindert.

Verlenging van de Deceleratiehelling

De deceleratiehelling bepaalt hoe snel het toerental van de motor wordt verlaagd. Als deze tijd te kort is, kan de frequentieregelaar uitschakelen vanwege de hoge teruggevoerde energie. De deceleratiehellingstijd kan handmatig worden verlengd om dit te voorkomen. Bij sommige moderne frequentieregelaars wordt deze verlenging automatisch aangepast op basis van de belasting en de benodigde energieafvoer.

Motor als Remweerstand

De motor zelf kan als een rem gebruikt worden door hermagnetisatie of andere methoden. Bij deze methode wordt de motor als generator gebruikt om de kinetische energie van de belasting om te zetten in elektrische energie, die vervolgens als warmte in de motor zelf wordt afgevoerd. Dit type remming is minder geschikt voor toepassingen waarbij de motor vaak moet stoppen en weer starten, zoals bij liften, omdat de motor dan oververhit kan raken.

Remchoppercircuit en Weerstand

Een veelgebruikte methode om remenergie veilig af te voeren is het gebruik van een remchoppercircuit (ook wel een remmodule genoemd), waarbij de overtollige spanning wordt afgevoerd naar een aangesloten remweerstand. Het belangrijkste voordeel hiervan is dat de spanningspieken die ontstaan bij het remmen (door de motor als generator te laten werken) worden afgevlakt en naar de weerstand worden gestuurd, waar de energie wordt omgezet in warmte.

Regeneratieve Remeenheden

In systemen waar veel remenergie wordt geproduceerd, kunnen regeneratieve remeenheden helpen door de energie terug te voeren naar het net. Dit gebeurt via een actieve gelijkrichter die de energie vanuit de tussenkring omzet in een stroom die synchroon wordt teruggevoerd naar het net. Dit systeem vereist echter extra hardware en kan alleen rendabel zijn voor systemen waar de remenergie significant is.

Samenvattend, de dynamische rem is een belangrijk aspect van de werking van machines met frequentieregelaars, vooral voor toepassingen waarbij snelheid snel moet worden verlaagd. Er zijn meerdere manieren om remenergie af te voeren, afhankelijk van de toepassing en de belasting. De keuze tussen deceleratiehelling, remchoppers, of regeneratieve systemen hangt af van de hoeveelheid remenergie, de efficiëntievereisen, en de kosten van de extra hardware.

5. Statische remfuncties

De tekst beschrijft de verschillende rem- en blokkeringstechnieken die een frequentieregelaar kan gebruiken om de motoras te stoppen of vrij te laten lopen. Deze functies worden vaak pas uitgevoerd na een stopcommando, en het is belangrijk te begrijpen hoe deze functies werken om schade of misverstanden te voorkomen.

Functies voor het blokkeren of vrijlaten van de motoras:

Vrijlopen tot stilstand: Bij deze functie wordt de motor losgekoppeld van de spanning en frequentie (0 V / 0 Hz), waarna de motor vanzelf tot stilstand komt. Hoe lang dit duurt, hangt af van de belasting en het toerental van de motor. Bij zware belasting kan het enkele seconden tot uren duren voordat de motor stopt.
DC-remmen: Hierbij wordt een DC-spanning over de motorfasen gezet om een stilstaand magnetisch veld in de stator te creëren, wat helpt de motor af te remmen. Deze methode kan echter niet veel remkoppel leveren bij de nominale frequentie en kan leiden tot oververhitting van de motor bij langdurig gebruik. Drie belangrijke instellingen voor DC-remmen zijn:
- Uitgangsfrequentie: De frequentie waarbij de remfunctie moet worden geactiveerd. Het wordt aanbevolen een frequentie lager dan 10 Hz te gebruiken.
- Remstroom: De stroom die wordt gebruikt om de motoras vast te houden. Het is belangrijk de nominale stroom van de motor niet te overschrijden om thermische overbelasting te voorkomen.
- Duur van het DC-remmen: Dit varieert afhankelijk van de toepassing.
DC-houd: Deze functie verschilt van DC-remmen doordat er geen tijdslimiet is voor het vasthouden van de motoras. De motor blijft onder constante stroom staan, wat nuttig is voor bijvoorbeeld het vasthouden van de motor in een koude omgeving. Ook hier geldt dat de nominale stroom niet overschreden mag worden om oververhitting te vermijden.
Elektromechanische rem: Dit is een fysieke rem die de motoras tot stilstand brengt, bediend via een relais in de frequentieregelaar. Het is belangrijk te bepalen wanneer de rem kan worden ingeschakeld of vrijgegeven, wat afhankelijk is van de voormagnetisering van de motor en de frequentie van activering. Bij kritieke toepassingen zoals takels of liften moet de rem pas worden vrijgegeven nadat de motor optimaal is voorgemagnetiseerd om te voorkomen dat de last valt.

Belangrijke aandachtspunten:

Deze functies kunnen vaak niet gebruikt worden wanneer de draairichting van de motor is omgekeerd.
Een referentiewaarde van 0 Hz werkt niet als een stopcommando. Het is belangrijk een expliciet stopcommando te geven voordat rem- of houdfuncties geactiveerd worden.

Samenvattend, de verschillende rem- en blokkeringstechnieken (zoals vrijlopen, DC-remmen, DC-houd en elektromechanische rem) bieden manieren om de motor veilig tot stilstand te brengen of vast te houden, maar moeten zorgvuldig worden geconfigureerd en gebruikt om oververhitting en andere technische problemen te voorkomen.

6. Motoropwarming en koeling

Motoren kunnen opwarmen door energieverlies, wat leidt tot de noodzaak voor koeling. Er zijn verschillende koelsystemen zoals zelfventilatie, geforceerde luchtkoeling en vloeistofkoeling. Bij lage toerentallen is het belangrijk om extra koeling toe te passen, aangezien de motorventilator minder lucht kan verplaatsen. Bij niet-sinusvormige stroom is er een hogere opwarming door harmonische stromen. In sommige gevallen is een externe ventilator noodzakelijk om de motor effectief te koelen.

Thermische bescherming:

De frequentieregelaar kan de motortemperatuur monitoren via berekeningen of meting door sensoren zoals thermistoren of PTC’s. Bij oververhitting kunnen corrigerende maatregelen worden genomen op basis van de toepassing.

7. Functionele veiligheid

Een frequentieregelaar kan worden geïntegreerd in een veiligheidssysteem, maar is zelf geen veiligheidssysteem. Het ondersteunt functies zoals Safe Torque Off (STO), Safe Stop 1 (SS1), Safe Limited Speed (SLS), en Safe Maximum Speed (SMS), die helpen bij het minimaliseren van risico’s en het beschermen van operators. Deze functies voldoen aan de Europese Machinerichtlijn 2006/42/EG en andere regionale normen. Voor de beoordeling van veiligheidsniveaus worden verschillende normen zoals PL (Performance Level) en SIL (Safety Integrity Level) gebruikt.

Veiligheidssoftware (SISTEMA):

De SISTEMA-software ondersteunt ontwerpers bij het evalueren van de veiligheid van machinebesturingssystemen. Het maakt het mogelijk om veiligheidscomponenten te modelleren en betrouwbaarheidswaarden te berekenen volgens ISO 13849-1. Deze tool helpt bij het bepalen van het vereiste prestatieniveau (PLr) en het analyseren van de impact van verschillende risicofactoren.

Kortom, de tekst behandelt zowel de technische aspecten van motorremming en thermisch beheer als de integratie van veiligheidsfuncties in frequentieregelaars voor het waarborgen van een veilige werking van machines.