Ja og nej! Selv om der ikke er et enkelt svar på dette spørgsmål.
Som med mange andre spørgsmål er der et kort og et langt svar, når du sammenligner variable frekvensdrev (VFD’er) med variable hastighedsdrivere (VSD’er). Der findes forskellige typer variable hastighedsdrev. Variable frekvensdrev er en type variabel hastighedsdrev. Den mest almindelige type variabel hastighedsdrev er hvirvelstrømsdrev.
Der er dog to væsentlige forskelle, og dette er det korte svar: hvirvelstrømsdrev ændrer koblingens hastighed, mens motorens hastighed forbliver på fuld hastighed. VFD’er ændrer indgangsfrekvensen til motoren og ændrer motorens hastighed.
Disse forskelle kan naturligvis beskrives i detaljer i en meget længere beskrivelse – en beskrivelse, der kræver lidt mere research for at fortælle dig, hvordan, hvor og hvornår de bedst anvendes. I denne blog vil vi forsøge at rydde op i eventuelle misforståelser mellem de to og præcisere deres definitioner.
Det er sandt. Både VSD’er og VFD’er opnår det samme mål: de varierer hastigheden på det drevne udstyr. Men HVORDAN de gør det, er den afgørende forskel.
VSD’er – hvirvelstrøm
VSD’er ændrer hastigheden på det drevne udstyr, mens de lader motoren fungere ved sin fulde designhastighed. I en vekselstrømsmotor ledes en elektrisk vekselstrøm gennem en fordelt statorvikling for at skabe et roterende magnetfelt, der bruges til at drive en aksel. AC-motorer driver roterende maskiner som f.eks. ventilatorer, pumper og kompressorer ved en enkelt hastighed og findes ofte i varme-, ventilations- og klimaanlæg (HVAC-systemer). En vekselstrømsmotors omdrejningshastighed og drejningsmoment bestemmes af frekvensen og spændingen i forsyningen. Da elforsyningen er konstant, forbliver motorens hastighed fast. Hvis hastigheden skal variere, vil en VSD være effektiv. Ved at tilføje en VSD til en vekselstrømsmotor kan hastigheden varieres med præcision.
Som eksempel herpå kan vi se på en HVAC-ventilator i en bygning. Når efterspørgslen efter ventilatorens hastighed falder, kan ventilatoren styres for at sænke hastigheden, reducere energistrømmen og dermed reducere energiforbruget og de samlede forbrugsomkostninger.
DC-motorer omdanner elektrisk jævnstrømsenergi til mekanisk energi. DC-motorer er afhængige af ankerspænding og feltstrøm til at styre motorens hastighed. Da der ikke er nogen frekvens i en jævnstrømsmotor, er VFD’er ikke levedygtige til denne anvendelse. Det er nødvendigt med en separat DC-hastighedsregulator. DC-motorer vælges ikke ofte til denne anvendelse.
Ofte eftermonteres DC-motorer med en AC-motor og AC-hastighedsregulatorer for at opnå den hastighedsvariation, der er nødvendig for dens anvendelse. Eddy Current-drev er VSD’er, men de udnytter et DC-magnetfelt til at forbinde to elementer – et på indgangsakslen og et på udgangsakslen. Ved at øge jævnstrømmen til spolen øges koblingen af de to elementer, hvorved der leveres et større drejningsmoment til belastningen. Der anvendes et omdrejningstæller til at styre hastigheden og drejningsmomentet.
Eddy Current tab i effektivitet er som følger:
- AC-motor – Lige så stor som typeskiltets nominelle værdi, da motoren kører på tværs af linjen. Dette gælder både for effektfaktor og virkningsgrad.
- DC-styring – Typisk 2 % eller mindre.
- Slip – Reduktion i omdrejningshastighed dissiperes i tromlen og rotoren (de koblede dele). Det reducerer virkningsgraden i forhold til reduktionen i hastighed.
Summarum er, at det er bedst at køre en hvirvelstrømsanordning ved eller tæt på den nominelle hastighed. Typisk anbefales 80 – 100 % for at optimere virkningsgraden.
VFD’er
VFD’er styrer motorens hastighed ved at variere den spænding og frekvens, der påføres statoren i en standard vekselstrømsmotor. VFD’er kan variere hastighedsstyring ved opstart, under kørsel og ved motorstop. En standard vekselstrømsmotor har en offentliggjort virkningsgrad og effektfaktor. De er ret høje, typisk langt over 90 %, men kun for en sinusformet spænding ved nominel frekvens. Når motoren drives af en VFD, indeholder den strøm, der leveres til motoren, et betydeligt harmonisk indhold, som ikke virker, men øger motorens tab, hvilket mindsker motorens effektivitet. Denne tilstand forværres, efterhånden som hastigheden reduceres.
VFD’er er ofte udstyret med bypass-startordninger for at aktivere en pumpe, når VFD’en kan svigte. Mange er udstyret med klimaanlæg for at opretholde en sikker driftstemperatur. Nogle konstruktioner kræver specialudviklede harmoniske filtre for at overholde de lovbestemte grænser for harmonisk forvrængning. Hver af disse løsninger er forbundet med en omkostning for den ekstra hardware. Desuden er der ofte betydelige omkostninger forbundet med at skabe plads til og installere alt dette udstyr, selv i det omfang, at der skal tilføjes nybyggeri til eksisterende anlæg eller projekteres ekstra plads i nye anlæg. Den ekstra effekt, der er nødvendig for at drive dette ekstra hardware, ignoreres ofte, når man beregner systemets formodede effektivitet.
VFD tab i effektivitet er som følger:
- I²R tab – Opvarmning er det største tab forårsaget af modstand mod strømgennemstrømning i motorens vikling og rotorstænger. Det er proportionalt med kvadratet på strømgennemstrømningen.
- Eddy Current Losses – Tab forårsaget af utilsigtet strømgennemstrømning i rotoren og statoren. De begrænses af lamineringer i stator og rotor. De er proportionale med strømgennemstrømningen og øges med slip.
- Hysteresetab – Opvarmning, der opstår ved omvendt magnetisk polaritet af jernet i rotor og stator. Dette stiger med slip.
Alle ovenstående tab bliver en større procentdel af den udgående hestekraft, efterhånden som hastigheden reduceres.
En lidet kendt kendsgerning er, at en vekselstrømsinduktionsmotor er en magnetisk kobling, der arbejder ved slip (mod et roterende felt). Slæbet stiger ved øget belastning, betydeligt mere ved lave omdrejninger. Ved en PWM-ækvivalent basishastighed (Pulse Width Modification) på 100 RPM ville motoren fungere ved 50 RPM, hvis dens nominelle slip var 50 RPM (en motor med 1750 RPM). Der anvendes således en drejningsmomentforøgelse (spændingsforøgelse) til at starte under belastning. Dette slip er et tab, der bliver en højere procentdel af produktionen, når hastigheden reduceres. Hvis der anvendes momentforstærkning, er tabene endnu højere.
Endeligt, over ca. 82% af basishastigheden, har hvirvelstrømmen faktisk en bedre systemeffektivitet end VFD’en på grund af lavere styretab og sinusformet excitation.
Hvis du mener, at du har behov for en hvirvelstrøms VSD, så kontakt os på [email protected] for at finde ud af, hvordan vi bedst kan hjælpe!