Frequentieregelaar
Een frequentieregelaar of frequentieomvormer of kortweg drive in het jargon is een elektronische schakeling in staat de frequentie van een aangeboden signaal te veranderen terwijl de spanning mee varieert. Frequentieregelaars worden meestal gebruikt de snelheid van een elektromotor te regelen door het koppel (de actieve stroom) te regelen.
Het principe waarop men werkt is de frequentie aanpassen om de snelheid te regelen: 
Waarbij:
- nr = Rotorsnelheid dus de snelheid van de motoras
- ns = Statorveldsnelheid, deze wordt nu opgedrongen door de frequentieregelaar
- g = De slip (snelheidsverschil tussen stator en rotor om koppel te produceren)
- f1 = De nieuwe frequentie door de frequentieregelaar
- p = Aantal poolparen, een constante dus (conventioneel is dit 2, dus bij een 4-polige motor)
De Engelse benamingen frequency controller of power invertor worden ook wel gebruikt.
Inhoud |
[bewerk] Werking
Het hart van de frequentieregelaar is een DC-AC-inverter (chopper). Deze component voorziet door middel van het in- en uitschakelen van de aangeboden voedingsspanning in een frequentie geregeld uitgangssignaal. De gewenste frequentie van het uitgangssignaal wordt benaderd doordat de schakelfrequentie (of modulatiefrequentie) veel hoger ligt dan de uitgangsfrequentie. Een microcontroller stuurt de schakelaars aan, waardoor een pulsbreedte gemoduleerd signaal wordt verkregen. Deze uitgangsspanning is een iets vervormde wisselspanning die zeer goed de basissinusvorm benadert. De afwijkingen worden omgezet in harmonische die zorgen voor een storend EMC veld rond de drive. Dit veld kan door verschillende filters worden beperkt.
De chopper heeft als voedingsspanning een gelijkspanning nodig, hiervoor wordt de aangeboden wisselspanning gelijkgericht. In de meest eenvoudigste vorm is dit een diodebrug.
Frequentieregelaars worden aangestuurd door de gewenste koppel, snelheid of positie die als wenswaarde aan de microcontroller wordt aangeboden. De microcontroller stuurt nu de invertor (meestal IGBT's) aan zodat er een bepaalde uitgangsspanning met een bepaalde frequentie gerealiseerd wordt.
Afhankelijk van de uitvoering van de invertor, wordt het vermogen van de frequentieomvormer bepaald.
Bij een cycloconverter wordt de wisselspanning niet eerst omgezet in een gelijkspanning. Dit is dus een directe omzetting.
[bewerk] Stroombegrenzing
De frequentieomvormer is begrensd tot een nominaal leverbare actieve stroom (en dus ook nominaal koppel). Hij kan wel kortstondig (maximaal enkele seconden) de motor met een hogere actieve stroom belasten. Door de grote thermische traagheid van de motor (het duurt even om de spoelen op te warmen) is dit geen probleem.
[bewerk] Veldbehoud
Bij de studie van frequentieomvormers moet men volgende formule steeds in acht nemen: 
Waarbij:
- Φ = Magnetische flux in Wb (weber)
- U1 = De spanning in Volt geleverd door de frequentieregelaar
- f1 = De frequentie in hertz geleverd door de frequentieregelaar
Wanneer we nu de snelheid willen verlagen, zullen we (zoals in de inleiding gezien is) de frequentie verlagen. Uit bovenstaande formule weten we echter dat de Φ dan zal veranderen. Dit resulteert in meer magnetische verliezen. Om dit te vermijden, houden we de Φ constant door de spanning te verlagen.
[bewerk] Veldverzwakking
Uit dezelfde formule als hiervoor kunnen we ook inschatten wat er gebeurd bij het verhogen van de snelheid. We laten de frequentie boven de nominale frequentie (EU: 50 Hz). Met andere woorden we willen de motor sneller doen draaien dan de snelheid waarvoor hij ontworpen is (de grootste toepassing voor frequentieregelaars)! Dit is mogelijk met de frequentieregelaar mààr: bij verhoging van de frequentie zal de nominale spanning moeten stijgen. Het is echter onmogelijk om de nominale spanning te verhogen. Men spreekt van veldverzwakking.
Onderstaande formule zal dit nog meer verduidelijken:
Voorzover de arbeidsfactor (cos φ) constant is, stelt dit een constant vermogen voor dat in ons geval nominaal (maximaal) is. Het maximaal koppel dat de motor kan leveren bij veldverzwakking zal dus omgekeerd evenredig met het toerental afnemen (boven de nominale frequentie). Want: 
Waarbij:
- Pem,max = constante
- ω = hoeksnelheid dus evenredig met de motorsnelheid nr
- Tem,max = Maximaal leverbaar elektromechanisch koppel
Deze formule mogen we dus als volgt interpreteren in veldverzwakking: 
Besluit: Veldverzwakking laat ons toe om het werkingsgebied gevoelig uit te breiden boven het nominale. In dit gebied is echter het koppel begrensd met een curve omgekeerd evenredig met de draaisnelheid.
[bewerk] Vierkwadrantenbedrijf
Voor speciale toepassingen kunnen frequentieomvormers ook voor 'vierkwadrantenbedrijf' gemaakt worden, hierbij kan de normaal aangedreven motor ook elektrisch afgeremd worden en daarbij energie aan het net terugleveren. Bij vierkwandrantenbedrijf kan dit in beide draairichtingen gebeuren. In dit voorbeeld gebeurt energieteruglevering in het tweede kwadrant. Daar is het koppel negatief en de snelheid positief. Dit resulteert in negatief vermogen en dus terugleveren van energie aan het wisselspanningsnet (zie formule vermogen van daarnet). De frequentieregelaar eindigt zijn regeling in het punt dat overeenkomt met de gewenste snelheid in het derde kwadrant (negatief koppel en snelheid resulteert in positief vermogen).
[bewerk] Toepassingen
Frequentieregelaars worden gebruikt voor elektrische aandrijvingen als men het verloop van de snelheid precies wil regelen, zoals bij:
- transportbanden
- ventilatoren,
- hijsinstallaties
- wikkelapplicaties
- roerwerken
en verder bij veel hout/metaalbewerkingsapparatuur waarbij de snelheid variabel moet zijn voor verschillende materialen, zoals kolomboormachines, draaibanken en freesbanken.
[bewerk] Transportband
Een transportband moet in snelheid geregeld worden zodat de producten tijdens het aan- en uitzetten niet van de baan vallen. Om dit te voorkomen zorgt de frequentieregelaar er voor dat er langzaam versneld en gestopt wordt. Er wordt dus een grote relatief lange tijdsduur voor acceleratie en deceleratie in de frequentieregelaar ingesteld.
[bewerk] Wikkelapplicatie
Om bijvoorbeeld draad op te rollen is het belangrijk dat er met een constante trekkracht getrokken wordt, zodat de draad niet breekt. Als de wikkelrol een constante omwentelingssnelheid zou hebben, zou de draad steeds harder aangetrokken worden, omdat de straal van het opgerolde draad groter wordt. Daardoor zou ook de spanning op het draad toenemen.
Om dit te voorkomen is de frequentieregelaar uitgerust met een koppelregeling. De frequentieregelaar zorgt er voor dat de motor een bepaald koppel zal gaan draaien zodat de motor precies de juiste snelheid draait bij veranderde diameter.
