Dimensionering en selectie van frequentieregelaars

Het kiezen van de juiste frequentieregelaar is cruciaal bij het ontwerpen van een aandrijfsysteem met toerenregeling. Een te kleine regelaar kan de motor niet goed regelen bij alle vereiste werkpunten, terwijl een te grote regelaar onjuiste regeling kan veroorzaken en mogelijk niet kosteneffectief is.

Voor het selecteren van de juiste frequentieregelaar zijn de volgende basisparameters belangrijk:

• Motorspecificaties en de classificatie van de regelaar op basis daarvan
• Stroomverdeling binnen de regelaar (inclusief de motorcos φ)
• Overbelastbaarheid van de regelaar
• Regelbereik en de mogelijkheid van veldverzwakking
• Regeneratieve energie (hergebruik van energie)
• Lengte van de motorkabel
• Omgevingsfactoren zoals temperatuur en hoogte
• Centrale versus decentrale installatie

Na het bepalen van de basisparameters kan de keuze voor de regelaar worden gemaakt, rekening houdend met de motor die wordt gebruikt. Dit geldt bijvoorbeeld voor toepassingen in gebouwenbeheersystemen, waar de keuze voor de regelaar vaak pas in de laatste fase van het bouwproces wordt gemaakt, wanneer de meeste componenten bekend zijn en een gedetailleerde analyse van de systeemcondities kan worden uitgevoerd.

Hoe complexer en dynamischer de toepassing, hoe meer factoren in het ontwerp moeten worden meegenomen. Het is belangrijk om te controleren of de technische functies van de regelaar voldoen aan de eisen van de specifieke toepassing, aangezien fabrikanten soms kosten besparen door bepaalde functies te beperken.

De belangrijkste factor bij het bepalen van de systeemconfiguratie van de regelaar is het proces waarin de regelaar zal worden gebruikt. Het vinden van de juiste configuratie vereist inzicht in de procesvereisten, zoals het benodigde koppel, toerental en de belastingscyclus van de motor.

---

2. Frequentieregelaar-classificatie op basis van motorspecificaties

Een gangbare methode om een frequentieregelaar te selecteren, is door het nominale vermogen van de motor als uitgangspunt te nemen. Fabrikanten specificeren meestal de vermogensklasse van hun regelaars, maar deze gegevens zijn vaak gebaseerd op standaard vierpolige motoren. Omdat de nominale stromen van motoren bij hetzelfde vermogen aanzienlijk kunnen variëren, afhankelijk van de motorconstructie (bijvoorbeeld standaardmotor versus motorreductor) en het aantal poolparen, is deze methode slechts geschikt voor een ruwe schatting van het juiste regelaarvermogen.

De nominale stroom van een motor is afhankelijk van verschillende factoren, zoals het aantal poolparen en de motorconfiguratie (ster- of driehoekverbinding). Frequentieregelaars moeten daarom worden geselecteerd op basis van de nominale stroom voor de gekozen motorconfiguratie.

Naast de motorstroom is ook de vereiste motorspanning belangrijk. Veel frequentieregelaars kunnen werken binnen een breed netspanningsbereik (bijvoorbeeld 3 x 380-500 V) en bieden een overeenkomstig uitgangsspanningsbereik. Het is echter belangrijk te begrijpen dat een regelaar die met een gereduceerde spanning werkt, niet in staat zal zijn om het gespecificeerde kVA te leveren, aangezien de spanningsbeperking niet wordt gecompenseerd door een toename in stroom.

Een voorbeeld van selectiegegevens van een frequentieregelaar, zoals te zien in het identificatieplaatje van een Danfoss-frequentieregelaar (0,75 kW), toont aan dat de stroomwaarden variëren afhankelijk van het spanningsbereik. Bijvoorbeeld, bij een netspanning van 380-440 V kan de regelaar 2,4 A leveren, terwijl bij een spanning van 441-500 V slechts 2,1 A geleverd kan worden. Het schijnbare vermogen bij beide spanningsbereiken is 1,70 kVA.

---

3. Overbelastingscapaciteit bij het selecteren van een frequentieregelaar

Bij het kiezen van een frequentieregelaar moet rekening worden gehouden met de belastingscondities van de toepassing. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen kwadratische (variabele) en constante belastingskarakteristieken, die in de praktijk vaak voorkomen.

Constant Koppel

Bij toepassingen waar het koppel constant is over het volledige toerentalbereik, zoals bij transportbanden en hijs- en hefapparatuur, is het nodig om een overbelastingsreserve in de regelaar te voorzien. Voor deze toepassingen is een overbelasting van 50-60% gedurende 60 seconden gebruikelijk.

In de tabel hieronder worden de typische overbelastingspercentages voor verschillende toepassingen met constant koppel weergegeven:

Toepassing	Overbelasting
Hijs- en hefapparatuur	160%
Transportband	160%
Roerder/mixer/centrifuge	160%
Zuigerpomp, Spiraalpomp	150%
Zuigercompressor	150%
Spiraalpomp (dik slib)	150%
Slibontwateringspers	150%
Zijkanaalblower voor zwembadbeluchting	110%

Bij het bereiken van de maximale overbelastingslimiet kan de regelaar reageren door het vermogen uit te schakelen of de motor thermisch uit te schakelen na een bepaalde tijd.

Variabel Koppel

In toepassingen waar het koppel kwadratisch toeneemt met het toerental, zoals bij ventilatoren en centrifugaalpompen, is een kleinere overbelastingsreserve van 10% gebruikelijk. Dit komt omdat deze toepassingen doorgaans geen snelle versnelling vereisen en de belasting afhangt van het toerental.

Voorbeeld: In toepassingen met variabel koppel kan de regelaar worden geconfigureerd om bij het starten een hoger losbreekkoppel te bieden om een goede start van de motor te garanderen.

Toepassing	Overbelasting
Ventilator	110%
Boosterpomp / Centrifugaalpomp	110%
Bronpomp	110%

Afwegingen voor Energierendement

Het is belangrijk om de energie-efficiëntie van het systeem te overwegen bij het selecteren van een frequentieregelaar. Dit betekent dat de motor, frequentieregelaar en machine samen moeten worden gekozen om het systeemrendement te optimaliseren. Veel motoren bereiken het hoogste rendement bij een toerental tussen 75% en 100% van hun nominale snelheid, wat kan afwijken van het toerental van ventilatoren of pompen.

Sommige merken frequentieregelaars bieden een softwarefunctie die het optimale motorasvermogen bepaalt op basis van het ingangsvermogen van de regelaar, wat bijdraagt aan het verbeteren van de energie-efficiëntie van het systeem.

---

4. Regelbereik van een Frequentieregelaar

Het regelbereik van een frequentieregelaar verwijst naar het toerental dat de motor kan bereiken, en dit bereik varieert afhankelijk van de gebruikte besturingsalgoritmes en de motoromstandigheden. Er zijn verschillende factoren die het regelbereik beïnvloeden:

Besturingsalgoritmes en Regelmethoden

• U/f-regeling (spanning-frequentie regeling): Deze eenvoudige regeling biedt een regelbereik van 1:15 (bijvoorbeeld van 1000 RPM naar 15.000 RPM).
• Voltage Vector Control: Deze geavanceerdere methode kan een bereik van 1:100 bereiken, wat een veel grotere flexibiliteit biedt.
• Encoder-gestuurde terugkoppeling: Wanneer het motortoerental wordt teruggekoppeld via een encoder, kunnen regelbereiken van 1:1.000 tot 1:10.000 worden gerealiseerd, wat nauwkeuriger is.

Beperkingen bij Lage Toerentallen en Veldverzwakking

• Bij lage toerentallen neemt het zelfkoelend vermogen van de motor af, wat kan leiden tot oververhitting. In dergelijke gevallen is het noodzakelijk om een externe ventilator te gebruiken om de motor te koelen of de asbelasting te verlagen.
• Wanneer de motor zich in het veldverzwakkingsbereik bevindt (waarbij de frequentieregelaar de U/f-verhouding niet meer kan handhaven), neemt het beschikbare koppel af. Het veldverzwakkingsbereik begint doorgaans bij 400 V/50 Hz in Europa en 460 V/60 Hz in Noord-Amerika.

Koppel bij Lage Toerentallen

• In dit bereik neemt het koppel af met een factor van 1/f of 1/f² (waarbij f de frequentie is). Dit betekent dat het koppel minder efficiënt wordt naarmate de motor langzamer draait.

Optimale Toerentalkeuze

• Het kiezen van het optimale toerental is belangrijk voor de energie-efficiëntie en de levensduur van de motor. Soms specificeren motorfabrikanten een hoger koppel bij lagere belastingscycli, wat betekent dat de motor tijdelijk meer vermogen kan leveren als de belasting intermitterend is.
• Voor toepassingen met een kwadratische koppelkarakteristiek, zoals ventilatoren en pompen, kan de regelaar geoptimaliseerd worden om een hoger losbreekkoppel te bieden bij het starten, voordat de kwadratische karakteristiek van kracht wordt.

Samenvatting:

Het regelbereik van een frequentieregelaar hangt sterk af van het gebruikte besturingssysteem en de motoromstandigheden. Bij lage toerentallen moeten speciale maatregelen worden genomen om oververhitting te voorkomen, en bij het werken in het veldverzwakkingsbereik is er een beperking op het beschikbare koppel. Het kiezen van het juiste toerental en het optimaliseren van de koppelkarakteristieken zijn essentieel voor de prestaties en efficiëntie van de motor en frequentieregelaar.

---

5. Warmteverliezen en Koeling van de Frequentieregelaar

Frequentieregelaars zijn over het algemeen zeer efficiënt, maar de werking van de halfgeleidermodules en andere elektronische componenten veroorzaakt warmteverliezen. Deze warmte moet effectief worden afgevoerd om oververhitting, schade aan de componenten en verkorting van de levensduur van de regelaar te voorkomen. De noodzaak om de regelaar te koelen hangt sterk af van de belasting, de uitgangsfrequentie en de schakelfrequentie van de regelaar.

Warmteverliezen en Warmtedissipatie

• Halfgeleidermodules, die essentieel zijn voor de werking van de frequentieregelaar, produceren aanzienlijke hoeveelheden warmte. Dit maakt een efficiënte koeling noodzakelijk, aangezien de zelfopbrengst van de modules vaak niet voldoende is om de temperatuur binnen veilige grenzen te houden.
• Koellichamen worden vaak gebruikt om de warmte van de modules af te voeren. Ze zijn doorgaans van aluminium vanwege de goede thermische geleidbaarheid, lage kosten en relatief geringe massa.
• De warmte wordt via convectie (lucht of koelvloeistof) van het koellichaam overgebracht naar de omgeving. De basisformule voor warmteoverdracht door convectie is:Q′=h×A×(Ta−Tb)Q’ = h \times A \times (T_a – T_b)Q′=h×A×(Ta​−Tb​)Waarbij:
  • Q’ de warmteoverdracht per tijdseenheid is
  • A het oppervlak van het object (bijvoorbeeld het koellichaam) is
  • h de warmteoverdrachtscoëfficiënt is
  • T_a de temperatuur van het oppervlak van het object is
  • T_b de temperatuur van de omringende vloeistof (bijv. lucht of koelvloeistof)
  Conclusie: Hoe groter het oppervlak van het koellichaam, hoe effectiever de warmteoverdracht kan zijn. Om het oppervlak te vergroten, worden vaak vinnen toegevoegd aan het koellichaam, wat de luchtstroom verbetert en de koeling efficiënter maakt.

Luchtgekoelde Frequentieregelaars

De meeste frequentieregelaars gebruiken luchtkoeling, waarbij een ventilator lucht door de behuizing van de regelaar blaast om de warmte af te voeren. Er zijn echter verschillende belangrijke overwegingen:

• Ventilatie: De luchtinlaat en -uitlaat moeten zorgvuldig worden ontworpen om ervoor te zorgen dat er een ongestoorde luchtstroom is die de regelaar efficiënt koelt. Dit is met name belangrijk bij het stapelen van meerdere regelaars, waarbij luchtbarrières of buizen gebruikt kunnen worden om de luchtstroom te sturen.
• Afgezonderde koeling: Wanneer frequentieregelaars in een kast zijn geïnstalleerd, kan de warmte die door de regelaars wordt gegenereerd de temperatuur in de kast verhogen. Het is belangrijk dat de ventilatie van de kast voldoende is en dat, indien nodig, aparte ventilatoren of airconditioningsystemen worden gebruikt om de temperatuur te beheersen.
  • Backchannel-koeling: Danfoss heeft een unieke backchannel-koeling ontwikkeld, waarbij lucht van buiten de controlekamer door een kanaal aan de achterkant van de regelaar wordt gezogen. Deze lucht absorbeert de warmte van het koellichaam en voert deze af zonder direct in contact te komen met de elektronische componenten, wat de betrouwbaarheid en levensduur van de regelaar verbetert.

Vloeistofgekoelde Frequentieregelaars

In veeleisende toepassingen, zoals hoogvermogenstoepassingen of wanneer er ruimtebeperkingen zijn, kan vloeistofkoeling worden gebruikt. Dit biedt een efficiëntere manier om de warmte af te voeren, omdat vloeistoffen, zoals water of water-glycolmengsels, een veel hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt hebben dan lucht:

• Lucht: h=10−100 W/m2Kh = 10-100 \, W/m^2Kh=10−100W/m2K
• Water: h=500−10.000 W/m2Kh = 500-10.000 \, W/m^2Kh=500−10.000W/m2KDit maakt vloeistofkoeling veel effectiever dan luchtkoeling, vooral bij hoge vermogensniveaus. Het koelsysteem bestaat doorgaans uit een gesloten koelcircuit, waarbij een koelvloeistof door leidingen in het koellichaam circuleert en de warmte naar een externe warmtewisselaar transporteert.Er zijn verschillende types warmtewisselaars voor vloeistofgekoelde systemen:
  • Vloeistof-naar-vloeistof-warmtewisselaars: De warmte van de koelvloeistof wordt overgedragen naar een secundair circuit, dat de warmte via een externe condenser afvoert.
  • Vloeistof-naar-lucht-warmtewisselaars: De koelvloeistof wordt via een radiator gekoeld door lucht.
  • Koeleenheid: In sommige gevallen wordt een koeleenheid gebruikt om de koelvloeistof actief te koelen.

Condensatieproblemen en Preventie

Bij vloeistofgekoeling moet er bijzondere aandacht worden besteed aan de temperatuur van de koelvloeistof. Om condensatie in de behuizing van de regelaar te voorkomen, moet de temperatuur van de koelvloeistof altijd boven het dauwpunt blijven. Dit kan worden bereikt door de temperatuur van de koelvloeistof adequaat te controleren en te zorgen voor een gesloten, goed gecontroleerd systeem.

Samenvatting

• Luchtkoeling is eenvoudiger en goedkoper, maar minder efficiënt dan vloeistofkoeling. Het gebruik van ventilatoren, vinnen en luchtbarrières kan de efficiëntie van de luchtkoeling verbeteren.
• Vloeistofkoeling is veel efficiënter, vooral voor toepassingen met hoge vermogensbehoeften. Het vereist echter complexere systemen, zoals warmtewisselaars en het handhaven van een gesloten koelcircuit.
• Backchannel-koeling is een geavanceerde luchtkoelingsmethode die de luchtstroom door de elektronica minimaliseert en de levensduur van de regelaars verhoogt door de warmteverliezen efficiënt af te voeren.

Beide koelsystemen moeten zorgvuldig worden ontworpen op basis van de belasting, omgeving en toepassing van de frequentieregelaar om oververhitting te voorkomen en de prestaties en levensduur van de regelaar te waarborgen.

---

6. Reduceren van een Frequentieregelaar

Frequentieregelaars zijn elektronische apparaten die gevoelig zijn voor omgevingsomstandigheden, vooral voor de omgevingstemperatuur. Bij overschrijding van de maximale temperatuur kunnen de prestaties van de regelaar verminderen, kunnen componenten uitvallen, en kan de levensduur van de elektronica aanzienlijk verkorten. De levensduur van een elektronische component wordt sterk beïnvloed door de bedrijfstemperatuur, wat wordt beschreven door de Arrheniusvergelijking:

De levensduur van een elektronische component wordt met 50% verkort voor elke 10 °C verhoging boven de gespecificeerde bedrijfstemperatuur.

Om deze effecten te mitigeren en de levensduur van de frequentieregelaar te waarborgen, kan het nodig zijn om het vermogen van de regelaar te reduceren. Dit kan bijvoorbeeld door de uitgangsstroom of de schakelfrequentie te verlagen, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden.

Vermogensreductie bij Hoge Temperatuur

Wanneer de omgevingstemperatuur van de frequentieregelaar toeneemt, neemt de mogelijkheid van de regelaar om de volledige nominale stroom te leveren af zonder de levensduur te verkorten. De reductie van de vermogen capaciteit is doorgaans 1,5% per 1°C boven de nominale temperatuur.

Bijvoorbeeld:

• Als de regelaar bij 45°C omgevingstemperatuur werkt, kan deze 100% van de nominale uitgangsstroom leveren bij een schakelfrequentie van 4 kHz.
• Bij een temperatuur van 55°C kan de regelaar slechts 75% van de nominale stroom continu leveren zonder de levensduur te verkorten.

Bij hogere temperaturen kan het dus nodig zijn om de outputstroom van de regelaar te verlagen of de schakelfrequentie te verlagen om de opwarming te beperken. Als de verkorting van de levensduur door hoge temperatuur niet acceptabel is, kan het noodzakelijk zijn om een grotere frequentieregelaar met meer vermogen te gebruiken om de belasting te verdelen en de temperatuur binnen veilige grenzen te houden.

Effect van Schakelfrequentie op Vermogensverliezen

• Hogere schakelfrequenties verbeteren de motorprestaties doordat ze het geluidsniveau verlagen en de motor soepeler laat draaien. Echter, hogere schakelfrequenties leiden ook tot hogere vermogensdissipatie in de inverter, wat extra opwarming van de frequentieregelaar veroorzaakt.
• Lagere schakelfrequenties helpen om de verliezen en de warmteontwikkeling te beperken. Dit kan echter ten koste gaan van de motorefficiëntie, waardoor de motor minder soepel draait.

De optimale schakelfrequentie is altijd een compromis tussen:

• Het gewenste geluidsniveau
• De soepele werking van de motor
• De verliezen en de daarmee samenhangende opwarming van de regelaar.

Vermogensreductie bij Hoge Hoogte

Naast temperatuur is de installatiehoogte van invloed op de prestaties van de frequentieregelaar. Op grotere hoogtes (boven de 1000 meter) is de lucht dunner en heeft deze een slechter thermisch vermogen. Dit betekent dat de lucht minder efficiënt is in het opnemen en afvoeren van warmte.

• Bij hoogtes boven de 1000 meter moet de maximale belastingsstroom met 1% per 100 meter worden verlaagd.
• Bijvoorbeeld, bij 2500 meter hoogte kan de regelaar maximaal 85% van de nominale uitgangsstroom leveren om oververhitting en verkorting van de levensduur te voorkomen.

Voor vloeistofgekoelde frequentieregelaars heeft de hoogte geen invloed op de thermische prestaties, aangezien het koelsysteem niet afhankelijk is van de omgevingslucht. Vloeistofgekoelde systemen blijven efficiënt, ongeacht de hoogte, omdat de koeling via een gesloten circuit wordt uitgevoerd.

Vermogensreductieschema voor Schakelfrequentie

Het verminderen van de schakelfrequentie kan helpen om het energieverbruik en de warmteontwikkeling te beperken, maar zoals eerder genoemd, kan dit leiden tot een minder soepele motorwerking. Het vermogensreductieschema toont hoe de uitgangsstroom (in percentage van de nominale stroom) afneemt bij hogere temperaturen of hoger schakelfrequentie.

Samenvatting

• Vermogensreductie door temperatuur: Bij een hogere omgevingstemperatuur moet de uitgangsstroom van de frequentieregelaar worden verlaagd om de levensduur van de elektronica te beschermen. De reductie is meestal 1,5% per graad boven de nominale bedrijfstemperatuur.
• Verlagen van de schakelfrequentie kan helpen om de opwarming van de frequentieregelaar te beperken, maar dit kan het geluidsniveau en de motorprestaties beïnvloeden.
• Hoogte-invloed: In gebieden boven de 1000 meter hoogte moet de belastingsstroom voor elke 100 meter met 1% worden verminderd vanwege de lagere thermische prestaties van de lucht.
• Vloeistofgekoelde systemen zijn minder gevoelig voor hoogte-invloeden en blijven efficiënter werken, ongeacht de hoogte.

Het is essentieel om bij het ontwerp en de installatie van een frequentieregelaar rekening te houden met zowel de omgevingstemperatuur als de hoogte om een betrouwbare werking en lange levensduur van het systeem te garanderen.

---

7. Regeneratieve Energie in Frequentieregelaars

Wanneer een motor wordt aangedreven door een frequentieregelaar en de motor vertraagt, kan de motor gaan werken als een generator. Dit gebeurt wanneer de rotor sneller draait dan het magnetisch draaiveld (de rotatiesnelheid van het magnetische veld van de frequentieregelaar). Dit proces kan energie genereren, die vervolgens kan worden teruggevoerd naar de DC-tussenkring van de regelaar. Het terugvoeren van energie wordt vaak aangeduid als regeneratieve energie.

Regeneratieve energie kan nuttig zijn in toepassingen waar de motor regelmatig vertraagt of stopt, zoals in kraaninstallaties, liften, en rijdende voertuigen. Als de motor deze energie produceert, is het belangrijk om maatregelen te nemen om een veilige werking van het systeem te waarborgen.

Problemen met Overspanning

Als de hoeveelheid regeneratieve energie die door de motor wordt gegenereerd groter is dan de totale vermogensverliezen van de motor en de frequentieregelaar, zal de tussenkringspanning in de frequentieregelaar toenemen. Dit kan leiden tot een overspanning in het systeem. Wanneer de spanning een bepaald niveau bereikt, zal de regelaar de uitgangstrap uitschakelen, waardoor de controle over de motor wordt verloren. Dit kan de motor en de frequentieregelaar beschadigen als de spanning te hoog wordt.

Maatregelen tegen Overspanning

Er zijn verschillende manieren om te voorkomen dat de tussenkringspanning te hoog wordt en de frequentieregelaar wordt uitgeschakeld:

• Overdimensionering van de frequentieregelaar: Door de frequentieregelaar groter te dimensioneren dan de vereiste capaciteit, kan de DC-tussenkring meer regeneratieve energie absorberen zonder dat er overspanning optreedt. Dit betekent echter dat de regelaar meer vermogen aankan, wat kan leiden tot hogere kosten vanwege de grotere componenten (zoals de gelijkrichter, omvormer, en tussenkringscapacitoren).
• Dynamische remmethoden: In plaats van de frequentieregelaar over te dimensioneren, kunnen dynamische remmethoden worden gebruikt. Deze methoden helpen bij het omzetten van de regeneratieve energie in warmte via een remweerstand (ook wel remweerstand of dynamische remweerstand genoemd). De energie wordt dan als warmte afgevoerd, wat voorkomt dat de spanning in de tussenkring te hoog wordt. Dit is vaak een goedkopere oplossing dan het overdimensioneren van de frequentieregelaar.

Terugvoeren van Energie naar het Net

In sommige gevallen kan de regeneratieve energie niet alleen worden afgevoerd naar een remweerstand, maar kan deze ook teruggevoerd worden naar het voedingsnet. Dit kan vooral interessant zijn in systemen die regelmatig regeneratieve energie genereren, zoals hijssystemen, liften, of elektrische voertuigen. Het terugvoeren van energie naar het net helpt om de energie-efficiëntie van het systeem te verbeteren door de energie die anders verloren zou gaan, weer beschikbaar te stellen voor andere delen van het systeem of zelfs voor andere systemen.

Er zijn twee manieren waarop regeneratieve energie kan worden teruggevoerd naar het net:

• Via een actieve gelijkrichter: Dit type gelijkrichter kan de regeneratieve energie omzetten en weer in het netwerk injecteren.
• Via een netomvormer: Dit systeem zet de teruggewekte energie om naar een netvriendelijk formaat, zodat het weer in het net kan worden ingevoerd.

Start- en Stopmodi bij Regeneratieve Energie

De regeneratieve werking van een motor wordt ook beïnvloed door de start- en stopmethoden van de frequentieregelaar. Bij het stoppen van de motor of bij een plotselinge omkering van de draairichting kan regeneratieve energie worden gegenereerd. Dit kan plotseling leiden tot een snelle stijging van de tussenkringspanning, waardoor er risicoloos gecontroleerd moet worden wanneer de motor afremt.

In dit opzicht speelt de keuze van de regelstrategie (zoals veldverzwakking, fluxregeling, etc.) en de controle van de energieflux een cruciale rol om de overstap van motormodus naar generatormodus soepel en veilig te maken.

Conclusie

• Regeneratieve energie kan nuttig zijn voor energie-efficiëntie, maar moet goed worden beheerd om overspanning en schade aan de frequentieregelaar te voorkomen.
• Overdimensionering van de frequentieregelaar is een optie, maar kan duurder zijn dan alternatieve maatregelen zoals dynamische remsystemen en terugvoer van energie naar het net.
• Dynamische remmethoden helpen bij het afvoeren van regeneratieve energie als warmte, en energie-terugvoeren naar het net kan de efficiëntie verder verbeteren.
• Beheer van start/stop en regeneratieve werking is essentieel om de prestaties van de frequentieregelaar in combinatie met de motor te optimaliseren en veilig te houden.

Regeneratie kan zo worden geoptimaliseerd door de juiste keuze van remmingsmethoden, regelstrategieën en de manier waarop de regeneratieve energie wordt afgevoerd of teruggevoerd naar het systeem.

---

8. Motorkabels en hun Impact op de Frequentieregelaar

De keuze van motorkabels en de juiste installatie ervan is cruciaal voor de betrouwbare werking van een frequentieregelaar. De lengte en het type kabel hebben direct invloed op de prestaties van zowel de frequentieregelaar als de motor, vooral wanneer het gaat om de elektrische belasting, storingen, en mogelijke fouten in het systeem. Hieronder volgt een gedetailleerd overzicht van de belangrijkste overwegingen bij het gebruik van motorkabels in combinatie met frequentieregelaars.

Maximale Kabellengte

De meeste frequentieregelaars zijn ontworpen om motoren aan te sturen met motorkabels van een specifieke lengte. Wanneer deze lengte wordt overschreden, kunnen er storingen optreden die het systeem tot uitschakeling kunnen brengen, wat een foutmelding of alarm kan genereren. Dit komt vaak door de capacitatieve belasting van de kabels, die de prestaties van de frequentieregelaar beïnvloedt.

• Afgeschermde kabels: Dit type kabel wordt vaak aanbevolen omdat het helpt bij het beperken van elektromagnetische interferentie (EMC) en het biedt betere bescherming tegen storingen. De maximale lengte van afgeschermde motorkabels ligt meestal rond de 50 tot 75 meter.
• Niet-afgeschermde kabels: Hoewel niet-afgeschermde kabels doorgaans minder capacitatief zijn en daardoor langere kabels mogelijk maken (tot 150 tot 300 meter), wordt het gebruik ervan alleen aanbevolen als andere maatregelen worden getroffen om te voldoen aan de EMC-eisen. Het is belangrijk om te begrijpen dat het gebruik van niet-afgeschermde kabels zelfs in het begin geen problemen kan veroorzaken, maar later, vooral bij modificaties of uitbreidingen van het systeem, EMC-problemen kunnen optreden.

Capaciteit en Transiënten

De capaciteit van de kabel is direct verantwoordelijk voor de belasting van de frequentieregelaar. Wanneer de capaciteit van de kabel de gespecificeerde waarde overschrijdt, kunnen er transiënten ontstaan—kortstondige elektrische spanningspieken die de werking van de frequentieregelaar verstoren. Dit kan leiden tot uitschakelingen of zelfs schade aan de elektronica in de regelaar. De kabelcapaciteit heeft invloed op de sleutelfactoren zoals:

• Spanningspieken (transiënten): Te lange of te dunne kabels kunnen spanningspieken genereren die de frequentieregelaar beschadigen.
• Opwarming: Extra kabelcapaciteit kan de belasting op de frequentieregelaar verhogen, wat kan leiden tot oververhitting of verminderde efficiëntie.

Afgeschermde Kabels en EMC-problemen

Afgeschermde kabels verminderen de kans op elektromagnetische interferentie (EMC), wat essentieel is voor een betrouwbare werking van het systeem. Het gebruik van niet-afgeschermde kabels kan in eerste instantie goed lijken, maar kan EMC-problemen veroorzaken als de installatie verandert of wordt uitgebreid. Het risico op storingen neemt toe, en de kosten voor het oplossen van dergelijke problemen kunnen aanzienlijk zijn. Om dit te voorkomen, is het beter om afgeschermde kabels te gebruiken, vooral in omgevingen waar storingen moeilijk te beheren zijn.

Inductantie en Capaciteit bij Kabelinstallatie

Bij de installatie van motorkabels moet er extra aandacht worden besteed aan het voorkomen van inductantie en capaciteit:

• Inductantie: Het is belangrijk om extra inductantie te vermijden door kabels op een manier aan te leggen die de vorming van een luchtkerninductor voorkomt. Dit kan worden gedaan door kabels niet op te rollen of in ongepaste hoeken te plaatsen die extra inductieve effecten kunnen veroorzaken.
• Capaciteit: Parallelle geleiders kunnen leiden tot een hogere capacitatieve belasting, wat de prestaties van de frequentieregelaar kan beïnvloeden. Dit kan ook het risico op transiënten vergroten. Zorg ervoor dat kabels niet onbedoeld met elkaar in parallel staan, tenzij specifiek ontworpen om dit te ondersteunen.

Meerdere Motoren Aangesloten op Eén Regelaar

Als meerdere motoren parallel op één frequentieregelaar worden aangesloten, moeten de kabellengtes voor elke motor strikt worden gecontroleerd. De toegestane lengtes van de motorkabels kunnen veel korter zijn dan wanneer er slechts één motor is aangesloten.

• Geometrische som van de kabellengtes: Sommige fabrikanten specificeren de geometrische som van de lengtes van de motorkabels wanneer meerdere motoren parallel worden aangesloten. Dit betekent dat de lengte van de motor-kabelverbindingen voor elke motor wordt opgeteld om de totale kabellengte te bepalen.
• Doorgeluste verbinding: Een manier om met langere kabellengtes om te gaan wanneer meerdere motoren parallel zijn aangesloten, is door de kabels door te lussen. Dit zorgt ervoor dat de totale lengte van de kabels op de juiste manier wordt berekend, wat belangrijk is voor het juiste functioneren van het systeem. Een sterconfiguratie kan problematisch zijn vanwege de extra capaciteit tussen de afzonderlijke geleiders, wat ook kan leiden tot storingen.

Conclusie

De keuze van motorkabels en hun correcte installatie zijn essentieel voor het goed functioneren van een frequentieregelaar en de motor. Enkele belangrijke overwegingen:

• Gebruik afgeschermde kabels om EMC-problemen te voorkomen, tenzij er andere maatregelen worden genomen.
• Zorg ervoor dat de kabellengtes voldoen aan de door de fabrikant opgegeven limieten om transiënten en uitschakelingen te voorkomen.
• Bij gebruik van meerdere motoren moet de totale kabellengte nauwkeurig worden berekend, en doorgeluste verbindingen kunnen helpen bij het beheren van kabellengtes.
• Vermijd het creëren van extra inductantie of capaciteit bij de kabelinstallatie om de prestaties van het systeem niet te beïnvloeden.

Door zorgvuldig om te gaan met de kabelinstallatie en het type kabel, kunnen veel voorkomende problemen zoals storingen, oververhitting en EMC-interferentie worden voorkomen, wat bijdraagt aan een langdurige en betrouwbare werking van zowel de frequentieregelaar als de motor.

---

9. Omgevingsfactoren bij de Installatie van een Frequentieregelaar

Bij de installatie van een frequentieregelaar zijn de omgevingsomstandigheden van cruciaal belang voor de betrouwbaarheid en de levensduur van de apparatuur. Verschillende omgevingsfactoren kunnen de prestaties van de frequentieregelaar beïnvloeden, dus het is belangrijk om bij de installatie rekening te houden met de volgende factoren:

Omgevingstemperatuur

De omgevingstemperatuur is een van de belangrijkste factoren die de werking van een frequentieregelaar beïnvloeden. Elke frequentieregelaar heeft een minimale en maximale omgevingstemperatuur waarbinnen het veilig kan functioneren. Het vermijden van extreme temperaturen verlengt de levensduur van de frequentieregelaar en zorgt voor een betrouwbaarder systeem.

• Te hoge omgevingstemperaturen kunnen de elektronica van de frequentieregelaar beschadigen. Als de temperatuur te hoog is, is het vaak nodig om het vermogen van de regelaar te reduceren om oververhitting te voorkomen. Zie Hoofdstuk 10.6: Reduceren van een frequentieregelaar voor meer details.
• Lage temperaturen kunnen de prestaties van elektronische componenten verminderen. Daarnaast wordt de koelcapaciteit van lucht minder effectief bij hoge hoogtes (boven 1000 m), wat betekent dat koeling een grotere uitdaging wordt. In dat geval kan het noodzakelijk zijn om het vermogen van de frequentieregelaar verder te verminderen.

Vochtigheid

Een hoge luchtvochtigheid kan leiden tot corrosie van de interne componenten van de frequentieregelaar, vooral als de elektronica blootstaat aan het vocht. Vocht kan ook condensatie veroorzaken, wat kortsluiting of andere defecten kan veroorzaken.

• In omgevingen met hoge luchtvochtigheid moet de frequentieregelaar goed worden afgedicht of in een geconditioneerde ruimte worden geplaatst, bijvoorbeeld in een luchtgekoelde kast met airconditioning.
• Het gebruik van vormvolgende coatings op printplaten kan helpen om de elektronische componenten te beschermen tegen vocht en corrosie.

Luchtkwaliteit (Stof, Vervuiling)

Stof, vuil en andere verontreinigende stoffen in de lucht kunnen zich ophopen in de frequentieregelaar en de werking van de interne componenten verstoren. Dit kan leiden tot oververhitting of kortsluiting.

• Het is aan te raden om de frequentieregelaar in een afgesloten kast of behuizing te plaatsen die bestand is tegen stof. Sommige IP-beschermingsklassen (bijvoorbeeld IP 66 of NEMA 4X) bieden goede bescherming tegen stof en water.
• Specifieke coatings op de printplaat kunnen de elektronica ook beschermen tegen agressieve stoffen zoals chloor, waterstofsulfide en ammoniak.

Hoogte

Op grotere hoogtes, zoals boven de 1000 meter, is de luchtdruk lager. Dit verlaagt de koelcapaciteit van de lucht en verhoogt de kans op oververhitting van de frequentieregelaar. Bij hoge hoogtes moet de frequentieregelaar mogelijk worden overgedimensioneerd of moet de koeling worden verbeterd.

• Dit kan betekenen dat externe koelsystemen zoals airconditioning of backchannelkoeling nodig zijn om de temperatuur onder controle te houden.

Electromagnetische Compatibiliteit (EMC)

EMC is een essentieel aandachtspunt bij de installatie van frequentieregelaars. Frequentieregelaars zelf kunnen elektromagnetische interferentie (EMI) genereren, en de stuursignalen die naar de regelaar worden gestuurd, kunnen gevoelig zijn voor EMI.

• Om EMC-problemen te minimaliseren, moeten de installateurs de installatie-instructies van de fabrikant nauwgezet volgen, zoals het gebruik van afgeschermde kabels en het correct aarden van de installatie.
• Er zijn specifieke voorschriften voor EMC die zorgen dat de frequentieregelaar niet interfereert met andere apparatuur en dat de interferentie van externe bronnen wordt beperkt. Zie Hoofdstuk 6: Elektromagnetische compatibiliteit voor meer informatie.

Harmonische Vervorming

Frequentieregelaars kunnen harmonische vervorming veroorzaken in het elektrische netwerk. Dit kan leiden tot een verminderde efficiëntie van het systeem en storingen in andere apparaten die op hetzelfde net werken.

• Het is belangrijk om de impact van harmonischen te begrijpen en maatregelen te nemen om deze te beperken, bijvoorbeeld door het gebruik van filtertechnologie of het kiezen van frequentieregelaars die speciaal zijn ontworpen voor lage harmonische vervorming.

Trillingen

Trillingen kunnen de integriteit van de frequentieregelaar aantasten. Ze kunnen fysieke schade aan de elektronica veroorzaken en de levensduur van de apparatuur verkorten.

• Frequentieregelaars moeten stevig worden gemonteerd om schade door mechanische trillingen te voorkomen. Specifieke bevestigingssystemen of trillingsdempers kunnen worden gebruikt om de invloed van trillingen te minimaliseren.

---

Oplossingen voor Bescherming tegen Omgevingsfactoren

Om de effecten van de omgeving te minimaliseren en de betrouwbaarheid van de frequentieregelaar te waarborgen, kunnen de volgende oplossingen worden overwogen:

1. Installeren in een Centrale Kast: Het plaatsen van de frequentieregelaar in een goed geventileerde kast met lange motorkabels kan de regelaar uit de kritieke omgeving houden.
2. Airconditioning in de Schakelkast: Het installeren van airconditioning zorgt ervoor dat de frequentieregelaar in een gecontroleerde temperatuur blijft werken, zelfs als de omgevingstemperatuur hoog is.
3. Koude Plaat of Backchannelkoeling: Sommige frequentieregelaars zijn uitgerust met koude platen of backchannelkoeling, wat helpt om de warmte van de frequentieregelaar af te voeren zonder de elektronica bloot te stellen aan de kritieke omgeving.
4. Afgedichte Behuizingen: Frequentieregelaars kunnen ook worden voorzien van een afgedichte behuizing die de apparatuur beschermt tegen externe elementen zoals stof, vuil en vocht. IP 66/NEMA 4X behuizingen bieden een hoge mate van bescherming.
5. Vormvolgende Coatings: Het aanbrengen van een vormvolgende coating op de printplaten helpt om de elektronica te beschermen tegen corrosieve gassen en andere schadelijke omgevingsfactoren zoals waterstofsulfide of ammoniak.

---

Conclusie

Bij het installeren van een frequentieregelaar is het van essentieel belang om rekening te houden met de omgevingsomstandigheden om de betrouwbaarheid en levensduur van de apparatuur te waarborgen. Factoren zoals temperatuur, vochtigheid, luchtkwaliteit, hoogte, EMC en harmonische vervorming kunnen de prestaties van de frequentieregelaar beïnvloeden. Het nemen van maatregelen zoals het plaatsen van de regelaar in een centrale kast, het gebruik van airconditioning, afgedekte behuizingen, en het aanbrengen van coatings kan helpen om de negatieve effecten van de omgeving te minimaliseren en een langdurige en betrouwbare werking van het systeem te garanderen.

---

10. Centrale versus Decentrale Installatie van Frequentieregelaars

Bij de keuze tussen centrale en decentrale installatie van frequentieregelaars moet zorgvuldig worden overwogen welke configuratie het beste past bij de specifieke behoeften van de installatie. Beide installatiemethoden hebben hun eigen voor- en nadelen, afhankelijk van de toepassing, omgevingsomstandigheden en operationele vereisten.

Centrale Installatie

De centrale installatie van frequentieregelaars is de meest gangbare methode. Hierbij worden alle frequentieregelaars in een centrale schakelkast geplaatst, vaak in een aparte ruimte die speciaal is ontworpen voor dit doel.

Voordelen:

• Bescherming en Toegang: De frequentieregelaars zijn veilig opgeborgen in de schakelkast, wat de apparatuur beschermt tegen externe invloeden zoals stof, vocht en mechanische schade. Bovendien is er centrale toegang tot alle regelapparatuur voor voeding, besturing, onderhoud en foutanalyse.
• Betere Controle en Monitoring: Het is eenvoudiger om de status van meerdere frequentieregelaars te monitoren en aanpassingen door te voeren vanuit één centrale locatie.
• Grotere Betrouwbaarheid van Bedrading: Omdat alle bedrading centraal wordt samengebracht, is het eenvoudiger om de bekabeling te controleren en onderhouden.

Nadelen:

• Warmtebeheer: Een belangrijk aandachtspunt bij centrale installatie is warmtebeheer. Frequentieregelaars genereren warmte tijdens hun werking, en als ze in een schakelkast worden gemonteerd, kan de temperatuur in de kast snel oplopen. Dit kan extra koeling vereisen (bijvoorbeeld lucht- of waterkoeling), wat leidt tot hogere kosten en complexiteit.
• Langere Kabels: Bij een centrale installatie moeten de motorkabels vaak lange afstanden afleggen naar de motoren. Dit kan de installatiecomplexiteit verhogen, vooral in grote faciliteiten, en kan leiden tot hogere verliezen door de langere kabels en EMC-problemen.
• RFI Effecten: Ondanks het gebruik van afgeschermde kabels, kunnen radiofrequente interferentie (RFI)-effecten niet volledig worden geëlimineerd bij lange kabellengtes.

Installatieoverwegingen:

• Zorg voor voldoende afstand tussen de frequentieregelaars en aangrenzende componenten om de warmteafvoer te optimaliseren. Directe montage op de achterwand van de schakelkast wordt vaak aanbevolen.
• Minimaal onderhoud en installatievoorschriften van de fabrikant dienen strikt te worden opgevolgd om de betrouwbaarheid van het systeem te waarborgen.

Toepassingen:

• Centrale installaties zijn geschikt voor toepassingen waar veel frequentieregelaars zich op dezelfde locatie bevinden, en waarbij toegang tot en controle over meerdere systemen vanuit één punt wenselijk is, bijvoorbeeld in grote fabrieken of industriële installaties.

Decentrale Installatie

Bij de decentrale installatie worden de frequentieregelaars dichter bij de motoren gemonteerd, vaak op het veld of zelfs direct op de motor. Dit resulteert in een kleinere afstand tussen de regelaar en de motor, wat voordelen heeft op het gebied van bekabeling en foutopsporing.

Voordelen:

• Korte Kabellengtes: Het belangrijkste voordeel van de decentrale installatie is dat de motorkabellengte aanzienlijk wordt verkort. Dit resulteert in lagere verliezen en vermindert de kans op EMC-problemen die verband houden met lange kabels.
• Makkelijker Onderhoud en Foutopsporing: Doordat de frequentieregelaars dicht bij de motoren zijn gemonteerd, is het eenvoudig om de oorzaak van storingen te identificeren, aangezien de relatie tussen regelaar en motor direct zichtbaar is. Dit kan de foutopsporingssnelheid verbeteren en downtime verminderen.
• Verhoogde Flexibiliteit: Decentrale installaties kunnen flexibeler zijn in toepassingen waar motoren verspreid over een groot gebied zijn, bijvoorbeeld in grote fabrieken met meerdere productie-eenheden.

Nadelen:

• Installatiecomplexiteit: De installatie van decentrale frequentieregelaars vereist meer aandacht voor de omgevingstemperatuur, netspanningsval en beperkingen in kabellengte. Deze factoren worden vaak over het hoofd gezien bij het ontwerp van technische projecten, wat kan leiden tot onverwachte problemen.
• Veldbusvereisten: Decentrale installaties maken vaak gebruik van een veldbus om de frequentieregelaars te besturen. Dit vereist expertise in het gebruik van veldbussystemen, wat een extra technische uitdaging vormt voor de installateur.
• Beperkingen in de Omgeving: De omgevingsomstandigheden (zoals stof, vocht, en temperatuur) kunnen decentrale installaties extra gevoelig maken. Dit betekent dat de frequentieregelaars goed moeten worden afgedicht en dat de installatie zorgvuldig moet worden uitgevoerd om storingen te voorkomen.

Installatieoverwegingen:

• De installatieomgeving moet goed worden geanalyseerd, vooral als frequentieregelaars op moeilijk bereikbare locaties worden gemonteerd. Installatie op dergelijke plaatsen kan onderhoud bemoeilijken.
• Zorg ervoor dat de voedingskabels en veldcommunicatiekabels geschikt zijn voor de omgeving en de vereisten van het systeem, vooral in zware industriële toepassingen.

Toepassingen:

• Decentrale installaties zijn geschikt voor uitgebreide systemen met veel motoren die zich over een groot gebied bevinden. Ze zijn ook nuttig wanneer een snelle foutopsporing en minder lange bekabeling essentieel zijn, zoals in transportbanden of decentrale productie-eenheden.

Kostenoverwegingen:

Hoewel decentrale frequentieregelaars doorgaans duurder zijn dan centrale systemen vanwege de grotere hoeveelheid benodigde apparatuur, kunnen ze op lange termijn kostenbesparingen opleveren door:

• Kortere kabellengtes, wat resulteert in lagere installatiekosten.
• Vermijden van de kosten voor extra koeling van een grote centrale schakelkast.
• Verbeterde systeem efficiëntie door minder warmteontwikkeling.

Met goed doordachte decentralisatieconcepten kan een besparing van ongeveer 25% ten opzichte van centrale installaties gerealiseerd worden, vooral door het gebruik van vooraf gebouwde en geteste modules van de fabrikant.

Keuze tussen Centrale en Decentrale Installatie

De keuze tussen centrale en decentrale installatie is sterk afhankelijk van de specifieke eisen van de toepassing en de faciliteit. Overwegingen die hierbij een rol spelen, zijn onder andere:

• Schaal en spreiding van de installatie (grootte van het gebied en aantal motoren),
• Beschikbare ruimte voor schakelkasten en frequentieomvormers,
• Kosten en installatie-efficiëntie,
• Noodzaak voor snelle foutopsporing en onderhoudsgemak,
• Omgevingsfactoren die invloed hebben op de installatiemogelijkheden.

Conclusie:

• Centrale installatie is ideaal voor grotere systemen waar centralisatie van controle en monitoring gewenst is, maar het vereist zorgvuldige aandacht voor warmtebeheer en langere kabellengtes.
• Decentrale installatie biedt voordelen zoals kortere kabellengtes en eenvoudigere foutopsporing, maar het vereist meer technische expertise en is gevoeliger voor omgevingsfactoren. Het is vaak de betere keuze voor toepassingen met verspreide motoren of als het belangrijk is om de motoren snel te kunnen bedienen zonder lange kabels.

Bij het plannen van een installatie is het belangrijk om de voor- en nadelen van beide benaderingen zorgvuldig af te wegen op basis van de specifieke operationele vereisten van de faciliteit.