Een thyristor zoals gebruikt in de eerste frekwentieregelaars Thyristoren worden gebruikt voor de bediening van de motoren van de scheepslift van Strépy-Thieu, de bouw ervan begon in 1982. De frekwentieregelaar gebruikte het beste systeem dat beschikbaar was eind van de jaren 1970. Ondertussen is de oorspronkelijke regelaar (Variacec) vervangen. Karacteristieke curves van een kortsluitankermotor Men moet maatregelen nemen om de hoge stroom die nodig is op lage snelheid te beperken. Deze stroom wordt nodeloos in warmte omgezet in het anker. Het koppel bereikt zijn maximale waarde bij een snelheid juist lager dan de synchrone snelheid. Het doel van een frekwentieregelaar is een frekwentie te produceren die wat hoger is dan de huidige rotatiesnelheid van de motor, om zo een hoog koppel te bekomen en de motor met een beter rendement te laten werken. Drie werkingscurves van een frekwentieregelaar (UF curves) volgens de gekozen instelling 1- Constant vermogen (werktuigmotoren en compressorenen) 2- Constant koppel (hijsmachines en liften) 3- Koppel stijgt met het toerental (centrifugaalpompen en ventilatoren) Omzetter met 6 spanningsniveaus De schakeltransistor wordt in geleiding gebracht en verbindt de uitgang met één van de spanningen. De stroom volgt de spanning met vertraging. De schakelfrekwentie is de uiteindelijke uitgangsfrekwentie (bijvoorbeeld 5 tot 60Hz). Dit systeem wordt niet meer gebruikt in nieuwe installaties. Genereren van een sinusvorm door middel van een omvormer In de meeste frekwentieregelaars zorgt de omvormer (of inverter) voor een blokspanning die door filtering omgezet wordt in een sinus. De frekwentie van de blokspanning (schakelfrekwentie) bedraagt doorgaans 4kHz. Blokkenschema van een frekwentieomvormer Een thyristor die in frekwentieregelaars gebruikt werd tegenwoordig werken de frekwentieregelaars met MOSFET transistoren.

Historiek

In de eerste installaties gebruikte men thyristoren die redelijk gemakkelijk aangestuurd konden worden: een puls op de gate zorgt dat de thyristor in geleiding komt. De thyristor kan enkel uit geleiding gaan als die een negatieve puls op de anode krijgt. Die puls is afkomstig van de volgende thyristor die in geleiding gaat. Het is niet mogelijk om alle thyristoren uit geleiding te hebben: de puls-pauze verhouding blijft maximaal en dit is het belangrijkste nadeel van frekwentieregelaars met thyristoren:

• Het is moeilijk om een motor soepel te laten draaien op een lage snelheid

• Het is niet mogelijk de voedingsspanning van de motor te wijzigen naargelang de frekwentie omdat de puls-pauze verhouding altijd maximaal blijft. De motor krijgt altijd een maximale spanning en moet zwaarder gebouwd worden dan strikt noodzakelijk. Vaak heeft de motor een extra ventilator nodig.

• Het systeem om de thyristoren uit geleiding te brengen is complex en moet overgedimensioneerd zijn om altijd betrouwbaar te werken.

Er werden proefopstellingen gedaan met klassieke transistoren, maar deze hebben een complexe stuurschakeling nodig. Er is veel vermogen nodig om een transistor in en uit geleiding te brengen. Een frekwentieregelaar heeft minstens 6 vermogen transistoren nodig, en die hebben allemaal een eigen voeding nodig.

Veldeffekt transistoren (MOSFET) hebben slecht weinig vermogen nodig om te schakelen. Ze trekken enkel vermogen tijdens het schakelen, en deze verliezen kan men verder beperken door de schakelfrekwentie zo laag mogelijk te kiezen. De frekwentie bedroeg vroeger 4kHz, maar met moderne transistoren haalt men schakelfrekwenties boven de 20kHz, waardoor het schakelen niet meer hoorbaar is. Veldeffekt transistoren zijn ook meer stabiel en men kan het vermogen verhogen door transistoren bij te plaatsen, wat niet het geval is met klassieke transistoren.

Technische achtergrond

Ten gevolge van de hoge aanloopstroom moet er een voorziening zijn om zware motoren op een lagere spanning te doen aanlopen (zoals de ster-driehoekschakeling). De motor moet dan onbelast kunnen starten, en indien dit niet mogelijk is moet de motor en de electriciteitsvoorziening zwaarder uitgevoerd worden dan strikt noodzakelijk.

Kortsluitankermotoren hebben een blindvermogen nodig om een sterk magnetisch veld op te wekken, nog voor dat de motor enige arbeid kan leveren. De arbeidsfaktor van dergelijke motoren is dus beperkt, zeker als de motor op een lage belasting werkt (het blindvermogen dat constant is, is relatief groot ten opzichte van het effektief vermogen).

• Wat een frekwentieregelaar moet kunnen doen, is een frekwentie te leveren, die lichtjes boven de huidige motorfrekwentie ligt, aangezien de motor het beste rendement heeft in deze situatie (groen gedeelte in de grafiek rechts). Als de motor op toeren komt, moet ook de frekwentie stijgen. Het motorrendement blijft zodus maximaal op alle snelheden en er moeten geen extra maatregelen genomen worden.

• Een frekwentieregelaar moet ook het motorkoppel kunnen bepalen. Indien het koppel te hoog is, dan verbruikt de motor onnodig veel energie. Het koppel wordt voornamelijk bepaald door de voedingsspanning. Om het blindvermogen te beperken heeft men er baat bij een zo laag mogelijke spanning te gebruiken, afhankelijk van het koppel dat men wenst. In de frekwentieregelaars zal men de U/F curve aanpassen.

Werking van een frekwentieregelaar

Om een aanvaardbaar rendement te bekomen laat men de vermogenstransistoren schakelen tussen aan of uit. De verliezen zijn dan zeer beperkt en treden enkel op tijdens het schakelen zelf. Om de verliezen te beperken zal men een zo laag mogelijke schakelfrekwentie gebruiken. Men moet een schakelfrekwentie gebruiken die tienmaal hoger ligt dan de uitgansgfrekwentie, dus 500Hz voor een motor die op 50Hz aangedreven wordt.

In de praktijk gebruikt men een schakelfrekwentie tussen 2 en 4kHz (en hoger). Dankzij deze wat hogere frekwentie kan men kleinere spoelen gebruiken om de pulserende spanning uit te middelen. Ook de motor vormt een enorme zelf-induktie, maar het is de bedoeling dat de schakelpulsen in de regelaar zelf volledig onderdrukt worden zodat de kabels naar de motor de stoorpulsen niet uitstralen..

Om een constant koppel te bekomen moet de spanning stijgen met de frekwentie (dit is niet mogelijk met thyristor-regelaars). Hoe hoger de frekwentie wordt, hoe hoger de motor-impedantie. Als de motor een hogere impedantie heeft, dan heeft men een hogere spanning nodig om een bepaalde stroom te laten lopen door de motor (de stroom bepaalt uiteindelijk het koppel).

De moderne frekwentieregelaars die met MOSFETs of IGBTs zijn uitgerust kunnen werken met verschillende U/V curves en het koppel aan te passen aan het toerental. Zo kan men energie besparen als de motor op een lager toerental moet draaien:

• Een ventilator heeft een koppel nodig die stijgt met de snelheid: de spanning moet kwadratisch stijgen met de frekwentie om een koppel te bekomen die lineair stijgt met de omwentelingssnelheid.

• Een liftmotor moet een constant koppel hebben ongeacht de motorshelheid: de spanning moet lineair stijgen met de omwentelingssnelheid van de motor.

• Om werktuigen zo efficient mogelijk te gebruiken moet er een constant vermogen geleverd worden ongeacht de shelheid. Het werktuig werkt dan altijd op zijn maximaal vermogen. De voedingsspanning moet hier redelijk constant blijven.

Bepaalde toepassingen hebben een constante koppel en een stabiele snelheid nodig: dit is bijvoorbeeld het geval bij staalwalserijen. Als het koppel constant is, worden de staalplaten op een constante manier uitgerekt. Als de dunne staalplaten uiteindelijk op coils opgerold worden moet de oprolmachine een koppel hebben die afhangt van de omtrek van de coil.

Bij transportbanden word er lanzaam versneld en afgeremd, zodat de produkten op de band niet omvallen. De snelheid/tijd curve die normaal een rechte is (constante versnelling), heeft hier een S-vorm.

Delen van een frekwentieregelaar

De spanning wordt verder afgevlakt door middel van een zware elko en 6 transistoren die om beurt in geleiding gebracht worden zorgen ervoor dat er een sinusvormige driefasige spanning uit de regelaar komt. De ingebouwde filterspoelen (niet getekend) zorgen dat de blokspanning uitgemiddeld wordt.

Er is ook nog een smoorspoel aanwezig tussen de gelijkrichters en de elko om de crestfactor te verbeteren. De diodes gaan namelijk slechts in geleiding als de netspanning hoger is dan de elkospanning, en dit zorgt voor storende belastingspieken op het electriciteitsnet. De smoorspoel zwakt de stroompieken af. Omdat we met driefasige spanning werken, is er altijd een diodepaar in geleiding, waardoor de smoorspoel goed zijn werk kan doen. De spoorspoel moet een hoge zelf-induktie hebben, aangezien we hier met de netfrekwentie werken (doorgaans 50Hz) en niet met de schakelfrekwentie van de uitgangstrappen. Vaak heeft de omvormer een aansluiting voor een extra externe smoorspoel (reactor genaamd).

De frekwentieregelaar is in feite een speciale versie van de omvormer, zoals die ook gebruikt wordt om de batterijspanning om te zetten naar netspanning in een camper of om het vermogen van een zonnepaneel op het net te steken.

Vector control en Direct torque control

De frekwentieregelaars met vector control hebben twee inputwaarden; de gewenste snelheid en koppel. Ook is de huidige motorpositie nodig. Omdat er een feedback is, kunnen deze regelaars de motorsnelheid exact regelen, rekening houdend met de slip.

Bij direct torque control wordt er van de ene naar de volgende schakeltoestand overgegaan bij het overschrijden van de ingestelde koppelwaarde. Het koppel hang af van de magnetische flux en van de stroom, de flux wordt benaderd door de aangelegde spanning te integreren. Deze regelaar gebruikt dus geen vaste schakelfrekwentie, maar gedraagt zich eerder als een 6-trappenregelaar. De frekwentie hangt af van de huidige motorsnelheid en slip.

In tegenstelling met de 6-trappenregelaar heeft de direct torque control stroomtransfos op de voedingslijnen naar de motor. Het schakelen gebeurt dus niet volgens een geprogrameerde frekwentie, maar hangt af van de motor zelf. Een processor berekent het schakeltijdstip aan de hand van het gevraagde koppel, de motorspanning en stroom.

Invoed van de regelaar op het motortype

Indien de motor regelmatig op lagere snelheid moet werken, moet er een extra ventilator voorzien worden. Dit is nog altijd nodig, zelfs met de meest moderne regelaars.

Motorpech kan ontstaan indien men regelaars gebruikt die een slecht gefilterde uitgangspanning leveren. Er kunnen kortsluitingen in de windingen ontstaan (zowel tussen de wikkelingen onderling als van de wikkeling naar de behuizing). Hoe vreemd het ook mag klinken, ook de lagers kunnen daardoor beschadigd worden: door de schakelpieken raakt de rotor electrisch geladen, en deze lading vloeit dan weg via de kogels van de lagers. Deze panne kan vermeden worden door een degelijke aarding van de rotor.

Verder is men vrijer in de keuze van de motor, en men zal een motor kiezen met een hoog rendement, terwijl de andere parameters (aanloopkoppel en aanloopstroom) ingesteld kunnen worden in de drive zelf.

Frekwentieregelaars hoeven niet noodzakelijk gebruikt te worden om motoren te doen aanlopen of om hun snelheid soepel te regelen. Ik heb zo'n regelaar gebruikt om een groep studiolampen traag te doen opkomen zodat de gloeidraad minder snel doorbrand. De frekwentieregelaar zorgt ook voor een meer stabiele uitgangsspanning voor de lampen. Meer informatie over een spanningsregelaar voor studio-licht (continu licht).

Een soft starter is een eenvoudige vorm van een frekwentieregelaar. Het is enkel mogelijk de spanning te beperken tijdens het aanlopen.

Frekwentieregelaars voor monofasig net

De omvormers die een driefasige motor kunnen aansturen zijn een alternatief voor een Steinmetz-schakeling: je kan de motor op zijn nominaal vermogen gebruiken en je krijgt een toerentalregeling erbij.

Volledig monofasige regelaars worden weinig gebruikt. Monofasige asynchrone motoren gebruiken een condensator om het draaiveld op te wekken. Bij een lage frekwentie is het draaiveld onvoldoende en moet de motor onbelast starten.