Wat een frequentieregelaar aan de motor doet en waar u bij bedrijf met een regelaar op let bij schakeling, veldverzwakking, koeling, isolatie, lagerstromen en EMC.
AI Dit artikel is gemaakt met behulp van AI.
Wat een frequentieregelaar aan de motor doet
Direct aan het net draait een asynchrone motor met een vast toerental dat afhangt van het aantal poolparen en de netfrequentie. Een frequentieregelaar bestaat in principe uit een gelijkrichter, een gelijkspanningstussenkring met condensator voor de afvlakking en een wisselrichter die met vermogenstransistors via pulsbreedtemodulatie een spanning met variabele hoogte en frequentie opwekt. Naast asynchrone motoren stuurt hij ook permanent bekrachtigde synchrone motoren aan; servoregelaars met ingangen voor de rotorpositie dienen als positioneeraandrijving[1].
Daarmee kan het toerental traploos worden ingesteld van bijna nul tot het nominale toerental, zonder dat het koppel daalt; in hoeverre dat in continubedrijf geldt, hangt af van de koeling. Via een frequentieramp loopt de motor aan zonder sterke overstroompieken, met een dalende ramp remt hij af[1]. Daarnaast neemt de regelaar vaak beveiligingsfuncties tegen overstroom, overbelasting en oververhitting over en kan hij de draairichting omkeren[2]. Als u alleen de aanloop hoeft te begrenzen, kan een zachte aanloop volstaan; de afweging leest u in ons artikel Softstarter vs. frequentieregelaar.
Regelmethoden en toerentalbereik
In de eenvoudige U/f-modus houdt de regelaar spanning en frequentie tot de nominale frequentie evenredig. Dat levert over een groot bereik een constant koppel op; bij zeer lage toerentallen compenseert een spanningsverhoging (boost) de wikkelingsweerstand. Omdat het toerental daarbij met de belasting schommelt, volstaat U/f alleen bij geringe eisen aan de toerentalconstantheid en zonder zware aanloop. De veldgeoriënteerde regeling (vectorregeling) regelt daarentegen blind- en werkstroom gescheiden op basis van een motormodel; onder het nominale toerental kan het koppel kortstondig een veelvoud van het nominale koppel bedragen[1].
Boven de nominale frequentie bereikt de uitgangsspanning haar maximale waarde; de motor werkt in veldverzwakking[1]. Daar blijft het mechanische vermogen constant, daalt het nominale koppel met stijgende frequentie en neemt het kipkoppel kwadratisch met de frequentie af[3]. Meer over het berekenen van het toerental in het artikel Toerental van elektromotoren.
| Bereik (net 50 Hz) | Spanning | Koppel | Vermogen |
|---|---|---|---|
| Basisinstelbereik tot 50 Hz | evenredig met de frequentie (U/f = constant) | constant, bij eigen koeling en laag toerental gereduceerd | stijgt met het toerental |
| Veldverzwakking boven 50 Hz | constant (maximale waarde) | daalt met stijgende frequentie | constant |
| 87Hz-bedrijf (230/400V-motor in driehoek aan 400V-regelaar) | evenredig tot 87 Hz | nominaal koppel tot 87 Hz, wegens stijgende ijzerverliezen thermisch te controleren | rekenkundig tot factor 1,7, bij benutting volgens isolatieklasse B hooguit ongeveer 1,45[3] |
Ster of driehoek aan de 230V- en 400V-regelaar
Een motor met de typeplaatjesaanduiding 230/400 V heeft wikkelingen voor 230 V. In sterschakeling staat over elke wikkeling de lijnspanning gedeeld door √3. Aan een regelaar met 3 × 400 V uitgangsspanning wordt de motor in ster geschakeld, aan een regelaar met 3 × 230 V, zoals veel eenfasig gevoede 230V-apparaten die leveren, in driehoek. Bij een verkeerde schakeling krijgt de wikkeling ofwel slechts ongeveer 58 % van haar spanning, wat het koppel net als bij de steraanloop tot ongeveer een derde verlaagt[2], ofwel √3 keer de spanning, wat de motor overbekrachtigt en overbelast. De basisprincipes van beide schakelingen legt ons artikel Ster of driehoek uit.
Bijzonder geval 87Hz-bedrijf: een 230/400V-motor in driehoek aan een 400V-regelaar kan tot 87 Hz met nominaal koppel en daarmee een hoger toerental worden bedreven, als de U/f-karakteristiek zo is ingesteld dat de regelaar pas bij 87 Hz 400 V afgeeft (bij 50 Hz dus 230 V). De regelaar moet dan de driehoekstroom leveren, dus voor de nominale stroom van de motor bij 230 V zijn gedimensioneerd. Daarbij stijgen de belasting door de eigen ventilator en de frequentieafhankelijke ijzerverliezen; de motor kan thermisch of mechanisch overbelast raken[1]. De waarde 87 Hz volgt uit de factor 1,73, dus √3 · 50 Hz[3].
Thermische dimensionering van de motor
Een eigengekoelde motor (IC411) koelt bij laag toerental slechter, omdat zijn ventilator langzamer draait. In continubedrijf moet het toelaatbare koppel dan worden gereduceerd, des te sterker naarmate het instelbereik groter en de onderste frequentie lager is. Een motor met externe koeling (IC416) en een netgevoede ventilator levert het volle koppel ook onder 50 Hz. Voor kortstondig bedrijf van enkele minuten is het volle koppel ook bij eigen koeling beschikbaar; een verhoogd losbreekkoppel vraagt echter een hogere stroom van de regelaar[3].
Vanwege de extra verliezen door harmonischen schrijven fabrikanten doorgaans vermogensreducties voor; een vakartikel noemt 5 tot 10 % van het nominale vermogen, voor zover de motor geen voldoende thermische reserve heeft[4].
Bij een reductiemotor met frequentieregelaar helpt de overbrengingsverhouding: is die zo gekozen dat de motor in het meest voorkomende werkpunt dicht bij de nominale frequentie draait, dan blijft het bereik met verminderde koeling klein[3]. Motoren met aangebouwde frequentieregelaar verminderen bovendien de inspanning voor bekabeling en ontstoring[2].
Wikkelingsisolatie, lagers en EMC
Regelaars schakelen met steile flanken; bij een 400V-net ligt de tussenkringspanning op 560 V. Bij lange motorkabels, bijvoorbeeld langer dan 25 m, kunnen reflecties spanningspieken tot twee keer de tussenkringspanning veroorzaken en de wikkelingsisolatie blijvend belasten[1]. Motoren van recentere productie met isolatie van isolatieklasse F kunnen op 400V-niveau meestal zonder bezwaar worden ingezet; een geschiktheidsverklaring van de fabrikant kunt u desondanks het best opvragen. Bij oudere motoren moet de kritische kabellengte worden berekend en bij overschrijding een filter worden toegepast[4].
Via capaciteiten in de motor kunnen stromen van de as via de lagers naar het huis lopen en daar elektro-erosie veroorzaken[1]. Een oplossing is een geïsoleerd lager, gewoonlijk aan de niet-aandrijfzijde. Zou het lager aan de aandrijfzijde worden geïsoleerd, dan zou de spanning bij een niet-geïsoleerde koppeling op de lagers van de aangedreven machine of de tandwielkast komen te staan; een geïsoleerde koppeling of een aardingsborstel parallel aan het niet-geïsoleerde lager vult de bescherming aan[4].
Voor de EMC moet de motorkabel vaak worden afgeschermd en de afscherming aan beide zijden over een groot oppervlak worden aangesloten. Sinusfilters maken lange aansluitkabels mogelijk en ontlasten de motor. Grenswaarden voor storingsemissie legt de productnorm EN 61800-3 vast, voor netterugwerking de reeks EN 61000-3; netsmoorspoelen verminderen die. De schakelfrequentie ligt meestal tussen 2 en 20 kHz: hogere frequenties benaderen de sinus beter en verlagen de motorverliezen, maar verhogen de schakelverliezen in de regelaar[1].
Planning in de aandrijflijn
Checklist voor de projectering:
- Typeplaatje: wikkelingsspanning en nominale frequentie bepalen de schakeling, de nominale stroom in deze schakeling de grootte van de regelaar.
- Toerentalbereik en belastingskarakteristiek: die bepalen de keuze tussen eigen en externe koeling en de vermogensreserves[3].
- Rembedrijf: overtollige energie wordt via remchopper en remweerstand omgezet in warmte of via een terugleverende regelaar teruggevoerd naar het net[1].
- Inbedrijfstelling: motorgegevens parametreren; veel regelaars meten de aandrijfeigenschappen zelf[1]. Wacht voor werkzaamheden aan het apparaat de in de gebruiksaanwijzing genoemde ontlaadtijd van de tussenkring af.
Als leverancier van de complete aandrijflijn dimensioneren wij bij ATEK Drive Solutions motor, tandwielkast en rem nauwkeurig uit één hand, ook voor bedrijf met een frequentieregelaar. Een overzicht van onze IEC-normmotoren vindt u in ons assortiment; voor uw concrete toepassing adviseren wij u graag persoonlijk via onze contactpagina.
Veelgestelde vragen
Kan elke motor met een frequentieregelaar worden aangestuurd?
Veel standaard asynchrone motoren zijn geschikt. Controleer isolatie, thermische reserve en lagers. Ook eenfasige condensatormotoren kunnen met passende regelaars in toerental worden versteld, echter zonder hoger aanloopkoppel.
Welke voordelen biedt een motor met frequentieregelaar?
Traploos toerental, ramps voor aanloop en uitloop, omkeren van de draairichting en geïntegreerde beveiligingsfuncties; bij pompen en ventilatoren bovendien energiebesparing (zie hieronder).
Wat is doorslaggevend bij de keuze van een frequentieregelaar?
Motorvermogen en motorstroom, netspanning (230 V eenfasig of 400 V driefasig), belastingskarakteristiek en losbreekkoppel, rembedrijf en omgevingsomstandigheden.
Hoe wordt een 230/400V-motor aan de frequentieregelaar geschakeld?
Aan een regelaar met 3 × 400 V uitgangsspanning in ster, aan een regelaar met 3 × 230 V in driehoek. Een uitzondering is het bewuste 87Hz-bedrijf in driehoek aan de 400V-regelaar, met een naar 87 Hz verschoven U/f-knikpunt en een regelaar die de driehoekstroom levert.
Welke EMC-maatregelen heeft een motor met frequentieregelaar nodig?
Een afgeschermde motorkabel met aan beide zijden over een groot oppervlak aangesloten afscherming, filters naar behoefte en netsmoorspoelen tegen netterugwerking.
Welke rol speelt de PWM-frequentie?
Die is een compromis: hogere schakelfrequenties bootsen de sinus beter na, en vanaf ongeveer 16 kHz verdwijnt het schakelgeluid uit het goed hoorbare bereik. Daar staat tegenover dat de schakelverliezen in de regelaar stijgen en dat door de frequentere schakelflanken EMC en isolatiebelasting kunnen verslechteren.
Hoeveel energie bespaart een motor met frequentieregelaar?
Bij pompen en ventilatoren daalt het aandrijfvermogen ongeveer met de derde macht van het toerental: bij half debiet heeft de aandrijving rekenkundig nog maar een achtste van het nominale vermogen nodig, bij 80 % toerental ongeveer de helft. Daar komen de verliezen van de regelaar bij.
Kan een frequentieregelaar in de machinebesturing worden geïntegreerd?
Ja. Frequentieregelaars hebben meestal digitale en analoge in- en uitgangen en aansluitingen voor veldbussen of Industrial Ethernet. Uniforme aandrijfprofielen legt de norm IEC 61800-7 vast.
