Frequentieregelaar zet elektrische energie naar zijn hand

Procesoptimalisatie dankzij combinatie van elektrische en digitale technologieën

Frequentieregelaars zijn onmisbaar voor het reguleren van de snelheid, het koppel en de energie-efficiëntie van motoren, en worden dan ook op grote schaal ingezet binnen de (proces)industrie. Er wordt voortdurend gewerkt aan de optimalisatie ervan. Dat heeft de afgelopen jaren geresulteerd in een aantal interessante innovaties ten aanzien van hun communicatie binnen industriële systemen en op het gebied van energie-efficiëntie, operationaliteit en veiligheid.

Toerental

Een frequentieregelaar, frequentieomvormer of variabele frequentiedrive (VFD) is een elektronisch apparaat dat in staat is elektrische energie om te zetten in een vorm die geschikt is voor het aandrijven van een motor. Doel is het zoveel mogelijk optimaliseren van de snelheid, het koppel en de energie-efficiëntie.

Dit gebeurt door de frequentie en spanning van de voedingsstroom aan te passen, en aldus het toerental van de elektromotor te variëren. Frequentieregelaars vinden toepassing in zowel commerciële omgevingen (onder meer in lift- en HVAC-systemen) als in industriële omgevingen (onder meer in productielijnen, compressor- en transportsystemen).

Drietrapsraket

Een frequentieregelaar werkt, onder gebruikmaking van een combinatie van elektrische en digitale technologieën, volgens een ‘drietrapsraket’.

• Het apparaat ontvangt standaard wisselstroom (hierna AC) van het elektriciteitsnet met een vaste frequentie, doorgaans 50 of 60 Hz. Deze AC wordt omgezet in gelijkstroom (hierna DC), een proces dat wordt aangeduid als gelijkrichting. Dit gebeurt met behulp van een zogeheten gelijkrichter.
• De aldus verkregen DC stroomt door een zogeheten DC-bus, ook wel DC-tussenkring geheten (zie Begrippenkader), een elektrisch of elektronisch systeem om elektrische energie te transporteren, bufferen of distribueren. Geïnstalleerd in een frequentieregelaar is het doel het leveren van zuivere, stabiele DC aan Fase 3.
• DC wordt door een omvormer weer omgezet naar AC. Deze gebruikt daarvoor IGBT’s (zie Begrippenkader) dan wel andere halfgeleidercomponenten om de frequentie en spanning van de stroom te regelen. De uitgangsfrequentie is afhankelijk van de wijze waarop de frequentieregelaar is ingesteld.

Moderne frequentieregelaars zijn uitgerust met sensoren en software voor feedbackcontrole op onder meer trillingen, belasting, motorwikkeling en/of cavitatie. Voor meer geavanceerde toepassingen – robots/cobots, elektrische voertuigen en industriële aandrijfsystemen − wordt vectorbesturing gebruikt (zie Begrippenkader), waarbij behalve de snelheid ook het koppel nauwkeurig regelbaar is.

Begrippenkader
DC-bus: een elektrisch circuit met condensatoren dat de gelijkgerichte spanning opslaat. Deze spanning wordt door de gelijkrichter omgezet van wisselstroom (AC) naar gelijkstroom (DC). De DC-Bus zorgt er daarbij voor dat de pulserende DC-uitgang van de gelijkrichter wordt afgevlakt, zodat er een stabiele en constante gelijkspanning beschikbaar is voor verdere verwerking in de frequentieregelaar. 

IGBT, voluit Insulated Gate Bipolar Transistors: een halfgeleidercomponent voor het schakelen en reguleren van elektrische energie daar waar betrouwbaarheid en efficiëntie essentieel zijn. Door de IGBT's snel aan en uit te schakelen wordt een Pulse Width Modulation (PWM)-signaal gegenereerd, zie hierna. 

Harmonische beheersing: minimalisatie van de door de regelaar veroorzaakte, ongewenste frequenties in het elektrische signaal. Deze ontstaan door de niet-lineaire werking van de interne vermogenselektronica van de frequentieregelaar, zoals de gelijkrichter en de inverter. Dit kan problemen veroorzaken, onder meer beïnvloeding en/of overbelasting van apparatuur.

Pulse Width Modulation, kortweg PWM-signaal: een techniek waarbij de pulsduur van een digitale signaalreeks wordt aangepast met een analoog effect als resultaat. Maatgevend daarbij is de duty cycle, de verhouding tussen de ‘aan-tijd’ en de totale pulsduur.

STO is een veiligheidsfunctie die energietoevoer naar de motor onderbreekt, zodat deze niet meer wordt aangedreven en niet opnieuw kan opstarten. Deze functie beschermt zowel de mensen die met de machine werken als de machine zelf en voorkomt ongelukken.

SS1 is een veiligheidsfunctie die ervoor zorgt dat een machine op een gecontroleerde manier wordt stilgelegd, en vervolgens in een veilige toestand blijft, dit om de veiligheid van de operator te waarborgen.

Veldgeoriënteerde besturing (Field-Oriented Control - FOC): methode voor het controleren van snelheid, koppel en stroom van een AC-motor. De stroom wordt daartoe gesplitst in een koppelmoment en magnetiserende component die afzonderlijk worden geregeld in een roterend referentieframe. Deze directe controle over flux en koppel verbetert de dynamische prestaties van de motor.

Innovaties

Frequentieregelaars zijn voor de (proces)industrie van groot belang. Niet zo vreemd dus dat fabrikanten voortdurend werken aan de optimalisatie ervan. Dit heeft de afgelopen jaren geresulteerd in een aantal interessante innovaties op het gebied van de communicatie met andere devices, energie-efficiëntie, operationaliteit en veiligheid.

Communicatie

In een moderne industriële setting wordt de ‘onderlinge communicatie’ tussen machines en apparaten die deel uitmaken van productiesystemen steeds belangrijker. Dat gebeurt nog veelvuldig via lokale netwerken, maar steeds vaker via het Internet of Things (IoT).

Om die reden worden frequentieregelaars tegenwoordig uitgerust met IoT-functionaliteiten, die realtimemonitoring en diagnose en onderhoud op afstand mogelijk maken. Was voorheen de PLC de laatste component waarmee een algemeen systeem moest communiceren, tegenwoordig is dat de frequentieregelaar.

Frequentieregelaars zijn geconditioneerd om energie te besparen, vooral daar waar sprake is van variabele belasting

Daardoor kunnen er veel meer data worden opgeslagen, op voorwaarde dat daarbij gebruik wordt gemaakt van de juiste communicatieprotocollen (zie kader). Deze ontwikkeling is het rechtstreekse gevolg van de verschuiving die gaande is van gecentraliseerde besturing (PLC) naar meer gedistribueerde en slimme componenten binnen het systeem, zoals de frequentieregelaar.

Communicatieprotocollen
Het gebruik van de juiste protocollen is essentieel om het volledige potentieel van IoT te benutten: ze zorgen voor compatibiliteit, beveiliging, schaalbaarheid en betrouwbaarheid. Ethernetgebaseerde communicatie is tegenwoordig de norm. Er vindt overdracht van gegevens plaats aan de hand van deterministische protocollen; de meest gebruikte zijn EtherCat (voor toepassingen die hoge realtimeprestaties vereisen) en EtherNET/IP (voor algemenere industriële automatisering).
Frequentieregelaars kunnen dankzij dergelijke protocollen behalve met IoT-platforms ook communiceren met onder meer PLC’s en SCADA-systemen. Behalve ondersteuning aan moderne IoT- en Industry 4.0-toepassingen biedt dit ook een platform dat kan meegroeien met de eisen van de industrie.

Energie-efficiëntie

Frequentieregelaars zijn geconditioneerd om energie te besparen, vooral daar waar sprake is van variabele belasting. Een regeneratieve frequentieregelaar is zelfs in staat de tijdens remmen of vertragen opgewekte energie via de DC-bus terug te voeren naar het elektriciteitsnet. Wat de fabrikanten in dit verband nog de nodige hoofdbrekens bezorgt, is het feit dat een frequentieregelaar ook de geavanceerde(re) hoogrendementsmotoren, type IE4 of IE5, renderend moeten kunnen aansturen.

Mede vanwege strengere regelgeving is er de nodige vooruitgang geboekt, onder meer ten aanzien van de harmonische beheersing (zie begrippenkader) en de aansturing. Maar met name op het gebied van energiebeheer en de integratie van nieuwe hernieuwbare energiebronnen, zoals zonnepanelen en windturbines, valt er nog de nodige winst te behalen.

Operationaliteit

Moderne frequentieregelaars moeten in staat zijn uiteenlopende soorten motoren aan te sturen waaronder AC-, inductie-, reluctantie- en permanentmagneetmotoren; regelaar en motor moet daarbij op elkaar kunnen worden afgestemd. Bij operationaliteit gaat het om factoren als gebruiksgereedheid, functioneel vermogen, efficiëntie en betrouwbaarheid.

Frequentieregelaars zijn over het algemeen eenvoudig te installeren en te configureren. Bovendien zijn de instellingen dankzij plug-and-playfuncties en intuïtieve interfaces snel aanpasbaar. Ze kunnen worden aangesloten op diverse industriële netwerken als Profinet en EtherCAT, en er is sprake van IoT-compatibiliteit.

Moderne algoritmen − veldgerichte regeling (FOC), directe koppelregeling (DTC) – maken nauwkeurige en dynamische besturing mogelijk. Wel dient te worden voldaan aan de eisen voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) teneinde storing van externe elektromagnetische velden te voorkomen.

Veiligheid

Twee veiligheidsaspecten krijgen laatste jaren speciale aandacht: functionele veiligheid en cyberbeveiliging.

Functionele veiligheid

Bij frequentieregelaars is de functionele veiligheid steeds vaker geïntegreerd. Het aantal afzonderlijke veiligheidsmodules daalt daardoor, wat de naleving van veiligheidsnormen als ISO 13849 vergemakkelijkt. Voorbeelden van geïntegreerde functionele veiligheid zijn onder meer overbelastings- en overspanningsbeveiligingen, failsafemechanismen en Safe Torque Off (STO) en Safe Stop 1 (SS1), zie Begrippenkader.

Was voorheen de PLC de laatste component waarmee een algemeen systeem moest communiceren, tegenwoordig is dat de frequentieregelaar

Cyberbeveiliging

Frequentieregelaars worden steeds vaker beveiligd tegen (netwerk)manipulatie en vijandige firmware. Dit gebeurt door middel van integriteits- en authenticiteitscontroles en instelbare toegangsniveaus voor verschillende gebruikers. Er zijn zelfs al modellen verkrijgbaar die zijn uitgerust met een cryptochip die manipulatie en ongeoorloofde toegang voorkomt, onder meer door protocollen als TLS/SSL voor end-to-end versleutelde gegevensoverdracht.

Ontwikkelingen

Door verbeteringen in de halfgeleidertechnologie zijn frequentieregelaars de laatste jaren kleiner en efficiënter geworden en produceren ze minder warmte; grootschalige koelsystemen zijn daardoor niet langer nodig. Door dergelijke verbeteringen en door de schaalvergroting in de productie zullen frequentieregelaars, ook de geavanceerde(re) modellen, in prijs gaan dalen.

Verder zullen naar verwachting adaptieve regelingen en regeneratieve technologieën door AI in een stroomversnelling komen, waardoor frequentieregelaars in de toekomst nog efficiënter, milieuvriendelijker en dus duurzamer kunnen opereren.

Met medewerking van Danfoss Power Electronics & Drives, Lenze, Nidec Netherlands