Kyllä ja ei! Vaikka tähän kysymykseen ei olekaan yksinkertaista vastausta.
Kuten monissa kysymyksissä, kun verrataan taajuusmuuttajia (VFD) ja taajuusmuuttajia (VSD), on olemassa lyhyt ja pitkä vastaus. On olemassa erityyppisiä taajuusmuuttajia. Taajuusmuuttajat ovat eräänlaisia taajuusmuuttajia. Yleisin taajuusmuuttajatyyppi on pyörrevirta.
Tässä on kuitenkin kaksi merkittävää eroa, ja tämä on lyhyt vastaus: Pyörrevirta-taajuusmuuttajat muuttavat kytkimen nopeutta jättäen moottorin nopeuden käymään täydellä nopeudella. VFD:t muuttavat moottorin syöttötaajuutta muuttaen moottorin nopeutta.
Eroista voidaan tietysti kertoa yksityiskohtaisemmin paljon pidemmässä kuvauksessa – kuvauksessa, joka vaatii hieman enemmän tutkimustyötä kertoakseen, miten, missä ja milloin niitä käytetään parhaiten. Tässä blogissa yritämme selvittää näiden kahden välisiä väärinkäsityksiä ja selventää niiden määritelmiä.
Se on totta. Sekä VSD:t että VFD:t saavuttavat saman tavoitteen: ne muuttavat ohjattavan laitteen nopeutta. Mutta se, MITEN ne sen tekevät, on ratkaiseva ero.
VSD:t – pyörrevirta
VSD:t muuttavat ohjattavan laitteen nopeutta jättäen moottorin toimimaan täydellä suunnittelunopeudellaan. Vaihtovirtamoottorissa vaihtosähkövirta johdetaan hajautetun staattorikäämityksen läpi pyörivän magneettikentän luomiseksi, jota käytetään akselin käyttämiseen. Vaihtovirtamoottorit käyttävät pyöriviä koneita, kuten puhaltimia, pumppuja ja kompressoreita yhdellä nopeudella, ja niitä käytetään usein lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmissä (HVAC). Vaihtovirtamoottorin pyörimisnopeus ja vääntömomentti määräytyvät syöttötaajuuden ja -jännitteen mukaan. Koska sähkönsyöttö on vakio, moottorin nopeus pysyy vakiona. Jos nopeuden on vaihdeltava, VSD olisi tehokas. Lisäämällä taajuusmuuttaja vaihtovirtamoottoriin voidaan nopeutta muuttaa tarkasti.
Katsotaanpa esimerkkinä rakennuksen LVI-tuuletinta. Kun puhaltimen nopeuden kysyntä vähenee, puhallinta voidaan ohjata hidastamaan nopeutta, pienentämään energiavirtaa ja siten vähentämään energiankulutusta ja kokonaiskäyttökustannuksia.
Tasavirtamoottorit muuttavat tasasähköenergian mekaaniseksi energiaksi. Tasavirtamoottorit luottavat ankkurijännitteeseen ja kenttävirtaan moottorin nopeuden säätämiseksi. Koska tasavirtamoottorissa ei ole taajuutta, VFD:t eivät sovellu tähän sovellukseen. Tarvitaan erillinen DC-nopeudensäädin. Tasavirtamoottoreita ei useinkaan valita tähän sovellukseen.
Usein tasavirtamoottoreihin asennetaan jälkiasennuksena vaihtovirtamoottori ja vaihtovirta-taajuusmuuttaja, jotta saadaan aikaan sen sovelluksessa tarvittava nopeuden vaihtelu. Pyörrevirta-ajurit ovat taajuusmuuttajia, mutta ne käyttävät tasavirtamagneettikenttää yhdistämään kaksi jäsentä – yhden tuloakselilla ja yhden lähtöakselilla. Kelan tasavirran kasvattaminen lisää näiden kahden jäsenen kytkentää, jolloin kuormaan saadaan enemmän vääntömomenttia. Nopeuden ja vääntömomentin säätöön käytetään kierroslukumittaria.
Eddy Virran tehohäviöt ovat seuraavat:
- Vaihtovirtamoottori – Yhtä suuri kuin tyyppikilven nimellisarvo, kun moottori kulkee linjan yli. Tämä pätee sekä tehokertoimeen että hyötysuhteeseen.
- DC-ohjaus – Tyypillisesti 2 % tai vähemmän.
- Luisto – Nopeuden aleneminen häviää rummussa ja roottorissa (kytketyt jäsenet). Se vähentää hyötysuhdetta suhteessa nopeuden pienenemiseen.
Lopputulos on, että pyörrevirtalaitetta on parasta käyttää nimellisnopeudella tai lähellä sitä. Tyypillisesti 80 – 100 % suositellaan hyötysuhteen optimoimiseksi.
VFD:t
VFD:t ohjaavat moottorin nopeutta vaihtelemalla tavallisen vaihtovirtamoottorin staattoriin syötettyä jännitettä ja taajuutta. VFD:t voivat vaihdella nopeudensäätöä käynnistyksen yhteydessä, ajon aikana ja moottorin pysähtyessä. Vakiovaihtovirtamoottorin hyötysuhde ja tehokerroin on julkaistu. Ne ovat melko korkeita, tyypillisesti selvästi yli 90 %, mutta vain sinimuotoisella herätteellä nimellistaajuudella. Kun moottoria käytetään VFD:llä, siihen syötetty teho sisältää huomattavan määrän harmonisia yliaaltoja, jotka eivät toimi, vaan lisäävät moottorin häviöitä, mikä heikentää moottorin hyötysuhdetta. Tämä tila pahenee, kun nopeutta pienennetään.
VFD:t on usein varustettu ohituskäynnistysjärjestelmillä, jotta pumppu voi toimia, kun VFD saattaa vikaantua. Monissa on ilmastointi turvallisen käyttölämpötilan ylläpitämiseksi. Joissakin malleissa tarvitaan räätälöityjä harmonisia suodattimia, jotta saavutetaan lakisääteiset harmonisen särön raja-arvot. Kukin näistä ratkaisuista aiheuttaa lisäkustannuksia. Lisäksi on usein huomattavan kallista tehdä tilaa kaikille näille laitteille ja asentaa ne, jopa siinä määrin, että olemassa oleviin tiloihin on lisättävä uusia rakenteita tai uusiin tiloihin on suunniteltava lisätilaa. Tämän lisälaitteiston käyttämiseen tarvittava lisäteho jätetään usein huomiotta laskettaessa järjestelmän oletettua hyötysuhdetta.
VFD:n hyötysuhdehäviöt ovat seuraavat:
- I²R-häviöt – Lämpeneminen on suurin häviö, joka aiheutuu virran kulkua vastustavasta resistanssista moottorin käämityksessä ja roottoripalkissa. Se on verrannollinen virran virtauksen neliöön.
- Pyörrevirtahäviöt – Häviöt, jotka aiheutuvat tahattomasta virran virtauksesta roottorissa ja staattorissa. Näitä rajoittavat staattorin ja roottorin laminaatit. Ne ovat verrannollisia virran virtaukseen ja kasvavat luiston myötä.
- Hystereesihäviöt – Lämmitys, joka syntyy roottorin ja staattorin raudan magneettisen napaisuuden kääntyessä. Tämä kasvaa luiston myötä.
Kaikki edellä mainitut häviöt tulevat suuremmaksi prosentuaaliseksi osuudeksi tuotetusta hevosvoimasta, kun nopeutta pienennetään.
Vähän tunnettu tosiasia on, että vaihtovirtainduktiomoottori on magneettikytkin, joka toimii luistossa (pyörivää kenttää vastaan). Luisto kasvaa kuormituksen kasvaessa, huomattavasti enemmän alhaisilla nopeuksilla. Pulssinleveysmodifikaatiota (PWM) vastaavalla perusnopeudella 100 kierrosta minuutissa moottori toimisi 50 kierrosta minuutissa, jos sen nimellisluisto olisi 50 kierrosta minuutissa (1750 kierrosta minuutissa oleva moottori). Näin ollen vääntömomentin lisäystä (jännitteen lisäystä) käytetään käynnistykseen kuormitettuna. Tämä luisto on häviö, joka muuttuu suuremmaksi prosenttiosuudeksi tuotannosta, kun nopeutta pienennetään.