A szerkesztő előszava A PID.hu oldalain olvasható szerteágazó irányítástechnikai és szabályozástechnikai ismeretek mellett elérkezettnek látszik az idő más területekre történő kalandozásnak is. Elsőként az egyre inkább elterjedőben lévő fordulatszám-szabályozási eszközről, a frekvenciaváltókról jelentetünk meg egy alapfokú sorozatot. A sorozat szerzője a frekvenciaváltókkal hosszú ideje foglalkozó szakember, bízunk benne hogy az általa összeállított ismeretterjesztő anyag az olvasók hasznára válik.
Bevezetés: A villamos motorok fordulatszám változtatásának igénye nem új keletű dolog, gondoljunk csak a széles körben elterjedt egyenáramú hajtásokra, melyek már hosszú ideje szerves részét képezik a különféle ipari technológiáknak. Az iparban legelterjedtebb, nagy darabszámban telepített villamos forgógép a háromfázisú rövidrezárt forgórészű kisfeszültségű aszinkron motor. Ezek a motorok a legkülönfélébb technológiai folyamatokban a kukoricadarálótól a ventillátorokon keresztül a szállítópályákig, ma még legtöbbször direkt a háromfázisú hálózati 50 Hz -es hálózatról működnek. Egy nem túl régi európai felmérés szerint a beépített motorok csak mintegy 10 %-a rendelkezik fordulatszám változtatással, az előrejelzések szerint azonban ez az arány a nem túl távoli jövőben teljesen megfordul. Előnyök, melyek ezt a gyors átállást elősegíthetik: - A technológiai igény a fokozatmentes fordulatszám változtatásra egyszerűen kielégíthető - Energiamegtakarítás, hiszen józan ésszel is belátható, hogy a ventillátor, szivattyú, stb. által továbbított közeg útjába tett fojtásnál ésszerűbb és takarékosabb a fokozatmentes fordulatszám-változtatással végzett mennyiségváltoztatás. - A direkt indítással szemben tulajdonképpen itt frekvenciafelfutás valósul meg, tehát a hálózatot nem terheli indítási áramlökés. Az energiamegtakarításon felül ez a hálózati elemek méretezésénél is megtakarításokat eredményez.
A teljesítmény-félvezetők rohamos fejlődésével és tömeggyártásával a készülékek olcsóbbá, a mikroprocesszorok bevetésével mindentudókká váltak, így a megtérülési idő is jelentősen csökkent.
Alapok: 
A fordulatszám szabályozás működésének megértéséhez szükséges az indukciós motor működési elvének megértése: E motor működése a transzformátor működéséhez hasonló. Ha a motort a váltakozó áramú hálózatra csatlakoztatjuk, akkor az állórészben létrejön egy a hálózati frekvenciának megfelelő fordulatszámmal forgó mágneses mező. A forgó mező hatására, a forgórész tekercsben indukálódott feszültség következtében kialakuló áram és a mágneses mező kölcsönhatása következtében, a forgórész forogni kezd. A forgórész mindig lassabban forog, mint a forgó mező, vagyis a szinkron fordulatszám, mert különben nem lenne a nyomatékot létrehozó erővonalmetszés. A fordulatszám-különbséget nevezzük szlipnek, amely a terhelés függvényében változik. Ha nő a terhelés, akkor a szlip növekszik, a munkapont egyre inkább a motor billenőnyomatékának közelébe kerül. Túlterhelésnél a motor kibillenhet a stabil üzemállapotából. A jobboldali ábrán a fix frekvencián üzemelő motor nyomaték-fordulatszám görbéje látható. Megjegyzés: A nyomatéki görbe a vízszintes tengely mentén, a tápláló frekvencia változtatásával jobbra ill. balra eltolható. Ez teremti meg a fordulatszám változtatás lehetőségét. Fontos azt is figyelembe vennünk, hogy a motor teljesítménye arányos a nyomaték és a fordulatszám szorzatával, tehát csökkentett fordulatszámhoz kisebb teljesítmény (felvett és leadott) tartozik. Túlterhelhetőség: A legtöbb motor a névleges nyomatékának 150 %- val rövid ideig (60 sec- ig) túlterhelhető, azonban ezzel nem érdemes visszaélni, főleg ha a motor nem rendelkezik korrekt hővédelemmel. Minimális fordulatszám: A motor szempontjából szintén kritikus a kis fordulatszámon történő névleges terheléssel történő üzemeltetés, mivel ekkor már a motor tengelyére szerelt saját hűtés nem elegendő. Általános ökölszabályként elmondható, hogy a névleges fordulatszám feléig leszabályozható a motor fordulatszáma, utána csak teljesítménycsökkentéssel üzemelhet. Minden esetben érdemes kihasználni a frekvenciaváltókba beépített motorvédelmi funkciót (frekvenciafüggő I2t), de a legkorrektebb megoldás (hőmás védelem) a motor tekercsfejeibe épített PTC termisztor, melynek ellenállás változását a frekvenciaváltó kiértékeli. Maximális fordulatszám: 
A maximális fordulatszámot a motor mechanikai határfordulatszáma korlátozza be, melyet általában a gyártók a kétszeres névleges fordulatszámban adnak meg. A névleges frekvencia feletti tartományban azonban a motor fluxusa a fordulatszámmal fordított arányban csökken és ennek megfelelően a motor terhelhetősége is. A jobboldali ábrán egy gyakorlati görbét láthatunk, mely megmutatja, hogy a névleges frekvenciától eltérő munkapontokban (frekvenciaváltós üzem) egy átlagos aszinkron motor mekkora nyomatékkal terhelhető. Ismételjük, hogy a pillanatnyi teljesítmény a szögsebesség és a nyomaték szorzatával arányos! Terhelés jellege: 
A frekvenciaváltó kiválasztásának szempontjából szintén fontos a meghajtandó terhelés jellege. Amennyiben a terhelő nyomaték a teljes fordulatszám tartományban közel állandó, akkor állandó nyomatékú terhelésről beszélünk. Ilyen tipikus terhelés lehet a szállítószalag. Ha a terhelőnyomaték növekszik a fordulatszám függvényében, akkor változó nyomatékú terhelésről beszélünk. Tipikus példa erre a szellőzőventillátor vagy a centrifugálszivattyú, ahol a terhelőnyomaték a fordulatszám négyzetével arányosan változik. ( A felvett teljesítmény a fordulatszám harmadik hatványának arányában nő!) A frekvenciaváltós hajtás méretezésénél tehát arra kell elsősorban gondolni, hogy a terhelés nyomatékigénye a szabályozott motorból kivehető nyomatékgörbe alatt maradjon a teljes fordulatszám tartományban. Ne feledkezzünk meg az indítónyomaték biztosításáról sem! (3. ábra)
A feszültségre is figyelni kell!
A legkézenfekvőbb megoldás egy aszinkron motor fordulatszámának változtatására a tápláló feszültség frekvenciájának a változtatása. Nem szabad azonban elfelednünk, hogy amennyivel csökkentjük a frekvenciát, kénytelenek vagyunk a motorra jutó feszültséget is ugyanannyival csökkenteni, különben a motor fluxusa túl magas lenne, és a motor telítődne. A névleges frekvenciaalatti tartományban tehát a feszültséget is csökkentenünk kell. Ha pedig a frekvenciát a hálózati fölé növeljük, akkor magasabb feszültségre lenne szükség mint a névleges, hogy a fluxus ebben a tartományban is állandó maradjon. Erre általában nincs lehetőség, a motorra jutó feszültséget a névleges értéken tartjuk, így viszont a növekvő frekvenciával csökken a motor fluxusa , ezért a nyomatéka is. A frekvenciaváltó felépítése: A betáplálás kisebb teljesítményeknél lehet egy- vagy háromfázisú, nagyobb teljesítményeknél kizárólag háromfázisú. A betáplált áramot diódás híd egyenirányítja és a közbensőköri kondenzátorokat táplálja. A kondenzátorok egyrészt simítják a feszültség hullámosságát (különösen az 1 fázisú betáplálásnál van ennek jelentősége), másrészt kisebb hálózati ingadozásoknál tartják a feszültségszintet is. A közbensőköri egyenfeszültség többnyire ugyanis szabályozatlan, így a tápfeszültség csúcsértéke határozza meg az értékét. A közbensőköri egyenfeszültség impulzusszélesség-moduláció segítségével ismét váltakozó feszültséggé alakul. A kívánt hullámforma a kimeneti tranzisztorok ( IGBT ) meghatározott frekvenciával ( kapcsolási frekvencia ) történő ki- bekapcsolásával hozható létre, ami mint kimeneti feszültség tulajdonképpen egy négyszöghullám sorozat. A jobboldali ábra az impulzusszélesség-moduláció eredményét mutatja:
Csak vezérlés! A kimeneti kapcsolóelemek vezérlését a szabályozóelektronika látja el, melynek feladata a motor fordulatszám- és áramszabályozásának az ellátása és a kapcsolási kép előállítása. A leggyakoribb esetekben tulajdonképpen csak vezérlésről beszélhetünk, mivel általános esetekben nincs fordulatszám-visszacsatolás, tehát az alapjelből képzett vezérlőjel közvetlenül az áramszabályozó alapjelét képezi. Ezen alapjel és a tényleges mért áramérték különbségét dolgozza fel az áramszabályozó, és ennek alapján képezi le a gyújtási képet. Ebben az esetben a fordulatszám erősen függ a terhelés mértékétől. Ha pontos fordulatszám kell: Amennyiben a fordulatszám pontos értéken való tartására van szükség, a motor fordulatszámát mérjük, majd a kívánt, és a mért érték különbségéből képezük az áramszabályozó bemenő jelét. A fordulatszám-szabályozó segítségével a pontos fordulatszámtartás biztosítható.
Vektorszabályozás:
Az utóbbi időben elterjedt szenzor nélküli szabályozási megoldás az ú.n. vektorszabályozás, amikor a szabályozó elektronika fordulatszám-visszacsatolás nélkül biztosít rendkívül jó dinamikai tulajdonságokat és pontos fordulatszámtartást. Ebben az esetben a visszacsatolás nem a fordulatszámról, hanem a motor áramáról és a kimenő feszültség méréséről történik. A mikroprocesszoros készülékben felépített részletes motormodellnek köszönhetően a frekvenciaváltó pillanatról-pillanatra leképezi a motor állapotát, és a kívánt alapjelnek megfelelő szabályozást biztosít. A pontos motormodellhez természetesen szükséges a készülékre kötött motor villamos paramétereinek ismerete, beadása! A szenzornélküli vektorszabályozás előnyei a következő esetekben használhatóak ki igazán: ˇ Amikor nagy dinamikus teljesítmény szükséges. ˇ Amikor gyors terheléslökéseket kell uralni. ˇ Nagy nyomatékra van szükség kis fordulatszámokon is. ˇ Amikor pontos sebességtartásra van szükség ˇ Amikor nyomatéktartással kell irányt váltani. Védelmi funkciók: A frekvenciaváltónak meg kell védenie saját magát ill. a motort is a túlterhelések és a külső behatások ellen. Ennek megfelelően a frekvenciaváltó többnyire a következő áramkorlátozási funkciókkal van ellátva: - Elektronikus kioldás: Gyors elektronikus védelem ( 300 % ), mely a kimeneten fellépő rövidzár esetén néhány msec-en belül hibajelzést és leállítást vált ki. - Rövid idejű túlterhelés korlátozás: A szenzornélküli vektorszabályozásra jellemző túlterhelés korlátozás, a rövid ideig tartó terhelésingadozások kezelésére ( beállítható, max.:2 x In, 3 sec-ig). - Tartós túlterhelési áramkorlát (max. 1,5 x In, 60 sec-ig)
A túlterhelésvédelmeknél általában a kimeneti frekvencia leszabályozásával próbálja a frekvenciaváltó a kimeneti áramot a határérték alá csökkenteni.
