VFD (Variable Frequency Drive)

Variable Frequency Drive – Frekans Konvertörü ya da Hız Kontrol Cihazı, Driver , AC Sürücü , Asenkron Frekans Konvertörü , Inverter , Hız Anahtarı gibi bir çok ismi ile duyacağınız elektronik cihaz günümüzde jakuzilerden tutun endüstrideki en ağır proseslere kadar uzanan yaygın bir kullanım alanına sahiptir.

1888 yılında Asenkron Motor çalışmalarını patentlendiren Nikola Tesla , asenkron motorların Thomas Edison ‘ un DC Motorunu gölgede bırakacağına emindi ki öyle oldu. Günümüzde dünyada üretilen enerjinin %25 ‘ i elektrik motorları tarafından tüketilmektedir. Bu da hem endüstriyel hem de ufak çaplı uygulamalar için hız kontrolünü mecbur kılmıştır.

Öncelikle VFD lere girmeden önce basitçe motorları AC ve DC olarak ayırdığımızda , DC motorlarda hız ( devir ) kontrolünü voltaj değişimi ile yapabiliriz. Basit bir örnek ile Ardunio Board ile yaptığınız bir arabada hız kontrolünü motor uçlarına uygulanan gerilimi değiştirerek kontrol edersiniz. Fakat AC motorlarda bu işlemi (alternatif akımın sinüsodial bir sinyal olması sebebi ile) 3 yol ile yapabilmekteyiz.

1. Stator uçlarına uygulanan gerilimin karesi ile motor torku doğru orantılı olarak değişir. Bu yöntem bize limitli bir şekilde hız değişim olanağı sağlar. Küçük sincap kafesli motorlar için tercih edilen , verimli olmayan bir yöntemdir.
2. Stator sargılarının kutup sayılarını artırıp azaltarak elde edilen hız değişimidir. Dahlender Motorlar bu şekilde kumanda edilebilen motor tipleridir.
3. Frekans değişimi ile yapılan hız kontrol yöntemi en verimli , yaygın ve geniş ölçüde kontrol sağlayan yöntemdir. Biz bu yazımızda bu konuyu detaylı inceleyecegiz.

Motorlara yaygın olarak 4 şekilde yol verilmektedir.

1. DOL ( Direct on Line ) Direk yol verme
2. Star – Delta ( Yıldız – Üçgen )
3. Yumuşak yolvericiler ile
4. AC Sürücüler ( VFD )

AC Sürücüler ile Motor Kontrolü

1970 ‘ li yıllarda ilk olarakUS Electrical Motors ve daha sonra Emerson Electric öncülüğünde ağır proseslerde kullanılan AC sürücüler ;

• Diğer kontrol metotlarına oranla, AC sürücü kalkış anında şebekeden daha düşük oranda akım çeker. Bu sayede motor sargılarını maruz kaldığı yüksek akımdan korur ve şebekeden anlık aşırı akım çekmeyi engeller.
• Duruş ve kalkış anında, hız doğru bir şekilde kontrol edilebilir. Çalışma durumunda özellikle fan , pompa ,kompressör gibi makinaların istenilen frekansta çalıştırılması ile akış kontrolü ve enerji tasarrufu sağlar.
• AC sürücü ile, motor torku da mekaniksel veya diğer gereksinimlere göre doğru bir şekilde kontrol edilebilir.
• Başlangıç torku tipik direkt yol vermeye göre daha yüksek olarak set edilebilir.
• Motoru aşırı gerilim ve akım dalgalanmalarına karşı korur. Gerilim ve akım sinyallerindeki bozuklukları sönümleyerek motorunuzun yaşam ömrünü artırır.
• Haberleşme Protokollerine uygun olup , proses kontrolüne izin verir. Feedback mekanizmasını aktif olarak kullanmanıza olanak sağlar.

Frekans Konvertörü Nasıl Çalışır ?

Frekans konvertörü çalışma mantığını anlayabilmek için güç elektroniği hakkında bilgi sahibi olmak gerekir.

Frekans Konvertörünün nu işlemi 3 aşamada yapar.

1 – Rectifying ( Doğrultma )

Gelen sinüsodial AC dalga doğrultucu diyot devresi ile pozitif ve negatif alternansları süzer. Bir doğrultucu devresi pozitif alternansı diğeri negatif alternansı geçirir. Tek faz için 2 diyot devresi kullanıldığı gibi 3 faz için 6 diyot devresi kullanılır. AC sürücüler en az 6 doğrultucu devresi ile çalışırlar bu sebeple 6 Pulse VFD diye isimlendirilirler. 12 Pulse , 18 Pulse , 24 Pulse gibi VFD tipleri bulunmaktadır. Bunun sebeplerini harmonik kısmında açıklayalım.

2- DC- Bus – Storing Unit

Doğrultma aşamasından sonra sinyal dalgasını tam bir DC şeklinde göremeyiz bazı bozukluklar içerir. İşte bu bozuklukların kapasitörlerde giderilmesi ve dönüştürülen sinyalin depolanması bu ünitede gerçekleşir. DC haline gelmiş sinyal DC Bus Bar denilen bara da invert işlemine gönderilmek için depolanır.

3- Inverting ( Dönüştürme )

Bu bölüm transistörlerin bulunduğu sinyalin motora gönderileceği kısımdır. Bildiğini gibi transistörler çok hızlı anahtarlama yapan elemanlardır. Özellikle yeni sürücülerde IGBT ( Isolated Gate Bipolar Transistor ) en çok tercih edilen transistör tipidir. Saniyede birkaç bin defa anahtarlama yaparak sinyali istediğimiz frekansta dönüştüren IGBT ‘ lerin bu işlemi PWM ( Pulse Width Modulation ) metodu olarak adlandırılır.

Bu işlemden sonra motora istediğimiz frekansta AC sinyal iletilmiş olur.

Frekans Konvertörü Seçimi ve Yapısı

Frekans konvertörü seçimini yaparken en önemli adım kullanılacak prosesin doğru bir şekilde yorumlanmasıdır.

AC Frekans Konvertörü tedarikçileri bu konuda size ücretsiz profesyonel destek sağlamakta çekinmezler. Proses tipi , sürülecek motorun nominal akım değeri ve çalışma sınıfı (S1, S2…) , besleme voltajı , motor sürücü arası mesafe, haberleşme tipi , filtreleme gereksinimi , sürücünün çalışacağı ortam yüksekliği ve sıcaklığı vb. gibi birçok sorunun doğru bir şekilde cevaplanması en uygun sürücünün seçimi için önem arz etmektedir.

Frekans konvertörlerinin kullanıldığı uygulamalara örnek olarak ; Fanlarda hız , kompressörlerde akış , klimalarda akış , konveyör ve tamburlarda hız , pompalarda akış , koşu bantlarında ve mikserler de hız , otomatik kapılarda frenleme , ekstrüder ve rüzgar trübünlerinde hız ve bunun yanında çok hassas olmamak ile birlikte yön kontrolü de mümkündür.

Basit bir örnekle somutlaştırmak gerekirse invertörlü klima ünitelerinde sıcaklık sensöründen gelen bilgiye göre ortam ısısının istenen değerde tutmak için hava akışını ayarlama , süreli çalışma vb gibi kontroller frekans konvertörü ile mümkündür.

Frekans konvertörlerini parametrelerini PC den , sürücü üzerindeki kontrol panelinden ,bluetooth ile telefondan programlayabilirsiniz.

Frekans Konvertörlerinde Harmonik Oluşumu

Frekans Konvertörlerinin birçok avantajlarından bahsettik fakat tabiki bu cihazlarında dezavantajları mevcuttur. En ciddi dezavantajı ise harmonik oluşturmasıdır.

Harmonikleri basit olarak güç elektroniği devrelerinin veya tek fazlı yüklerin şebekeden gelen sinüsodial kalitesini bozmasıdır.

Frekans Konvertörleri de güç elektroniği elemanlarının etkin olarak kullanıldığı cihazlar olduğu için şebekede genellikle 5. , 7. harmonik oluşumlarına ve sinyal bozulmalarına sebep olurlar. Özellikle 6 pulse frekans konvertörleri maliyet sebebi ile çok yaygın bir kullanıma sahip oldukları için harmonik oluşumları fazladır. Şebekedeki sürücü kaynaklı harmonik oluşumları en az 12 Pulse ve üzeri 18 Pulse , 24 Pulse frekans konvertörleri kullanılarak azaltılabilir. Ayrıca sürücü içerisinde veya tesiste harmonik filtre kullanımları da harmonik etkiyi azaltmada aktif olarak kullanılmaktadır. Hatta bazı üreticilerin Low Harmonic ( Düşük Harmonikli ) frekans konvertörleri de mevcuttur.

Frekans konvertörleri yazımızın burada sonuna gelmiş bulunuyoruz. Endüstride birçok uygulamada karşınıza çıkacak olan frekans konvertörlerini bir ara kurcalamanızı ve programlamanızı tavsiye ederim.