İnverter kelimesi elektronikte genel olarak DC gerilimi AC gerilime dönüştüren güç elektroniği devresini ifade eder. Ancak endüstride “inverter” denildiğinde çoğu zaman kastedilen cihaz, AC motorların hızını kontrol eden hız kontrol cihazıdır. Dünyada bu cihazlar genellikle VFD – Variable Frequency Drive, AC drive veya variable speed drive isimleriyle anılır.

Buradaki önemli ayrım şudur: Bir hız kontrol cihazının tamamı teknik olarak yalnızca “inverter” değildir. Standart bir cihazın içinde önce şebeke AC gerilimini DC'ye çeviren bir doğrultucu, ardından enerjiyi taşıyan bir DC bara ve en sonunda bu DC enerjiyi motor için kontrollü AC çıkışa dönüştüren inverter güç katı bulunur.

Hız kontrol cihazı nasıl çalışır?

Bir AC motorun hızını değiştirmek için yalnız motora giden gerilimi azaltmak yeterli değildir. Özellikle asenkron motorlarda motorun hızı büyük ölçüde uygulanan frekans ile ilişkilidir. Hız kontrol cihazı bu nedenle şebekeden aldığı sabit frekanslı enerjiyi önce DC'ye çevirir, ardından motor için istenen frekans ve gerilim karakteristiğine sahip yeni bir çıkış oluşturur.

Çoğu standart hız kontrol cihazında girişte diyotlu veya kontrollü bir doğrultucu bulunur. Bu bölüm AC enerjiyi DC'ye dönüştürür. Oluşan enerji DC link kondansatörlerinin bulunduğu DC barada tutulur ve düzgünleştirilir. Ardından IGBT veya uygun güç sınıflarında başka yarı iletkenlerden oluşan inverter katı çok hızlı anahtarlama yaparak motor için yeni bir çıkış oluşturur.

Bu çıkış klasik şebeke sinüsü gibi doğrudan üretilmez. Güç yarı iletkenleri PWM – Darbe Genişlik Modülasyonu ile çok hızlı açılıp kapanır. Motor sargılarının endüktif yapısı sonucunda motor akımı, anahtarlanan gerilim darbelerinden daha düzgün bir forma dönüşür ve motor istenilen hız ile tork bölgesinde çalıştırılabilir.

Neden adına hız kontrol cihazı diyoruz?

Türkiye'de “inverter” kelimesi çok yaygın kullanılsa da motor kontrol uygulaması için daha açıklayıcı ifade hız kontrol cihazıdır. Çünkü cihazın sahadaki ana görevi yalnız DC'yi AC'ye çevirmek değildir; motorun frekansını, gerilimini, hızlanma ve yavaşlama rampalarını, yönünü, tork davranışını ve birçok koruma fonksiyonunu yönetmektir.

Örneğin 50 Hz çalışan standart bir asenkron motorun frekansı hız kontrol cihazı tarafından 25 Hz seviyesine indirildiğinde motorun senkron hızı da yaklaşık olarak yarıya yaklaşır. Gerçek rotor hızı ise kutup sayısı ve kayma nedeniyle teorik senkron hızdan biraz daha düşük olur.

Hız kontrol cihazında V/F kontrol ne yapar?

Frekansı azaltırken motor gerilimini hiç değiştirmemek doğru değildir. Motorun manyetik akısını uygun bölgede tutabilmek için frekansla birlikte gerilimin de kontrol edilmesi gerekir. Bunun en temel yöntemlerinden biri V/F kontrolüdür.

V/F kontrol basit fan, pompa, konveyör ve genel makine uygulamalarında yeterli olabilir. Fakat düşük hızda daha iyi tork, yük değişimlerine daha hızlı cevap veya daha hassas hız kontrolü gerektiğinde sensörsüz vektör kontrol, encoder geri beslemeli vektör kontrol ya da gelişmiş tork kontrol yöntemleri tercih edilebilir.

Vektör kontrol neden farklıdır?

Basit V/F kontrolünde sürücü ağırlıklı olarak motorun gerilim ve frekans ilişkisini yönetir. Vektör kontrolünde ise motor akısının ve tork üreten akım bileşenlerinin matematiksel modeli kullanılarak motor davranışı çok daha yakından kontrol edilir.

Bu yüzden konveyör, ekstrüder, vinç, sarma-çözme, mikser ve düşük hızda yüksek tork isteyen makinelerde kontrol yöntemi önem kazanır. Gerçek bir tork referansı ile çalışılması gereken sistemlerde ayrıca tork kontrolü konusu değerlendirilmelidir.

DC bara neden bu kadar önemlidir?

DC bara, hız kontrol cihazının güç devresinin merkezidir. Motor hızlanırken enerji buradan inverter katına aktarılır. Motor yavaşlatılırken veya yük motoru sürüklerken ise enerji ters yönde DC baraya geri dönebilir.

Özellikle yüksek ataletli makinelerde hızlı yavaşlama sırasında DC bara gerilimi yükselirse sürücü over-voltage hatasına geçebilir. Bu durumda uygulamaya göre dahili veya harici fren kıyıcı ile fren direnci kullanılabilir. Rejeneratif sürücülerde ise enerji dirençte ısıya çevrilmek yerine şebekeye geri aktarılabilir.

Motor zaten dönüyorsa ne olur?

Fan gibi ataleti yüksek bir yük enerji kesildikten sonra uzun süre dönmeye devam edebilir. Hız kontrol cihazı böyle bir motora sıfır hızdaymış gibi çıkış vermeye çalışırsa yüksek akım veya mekanik darbe oluşabilir. Bu nedenle gelişmiş cihazlarda Flying Start – dönen motoru yakalama fonksiyonu bulunur. Sürücü motorun mevcut dönüş durumunu belirlemeye çalışır ve çıkışını buna uygun şekilde devralır.

Hız kontrol cihazı soft starter ile aynı şey midir?

Hayır. Soft starter temel olarak motorun kalkış ve çoğu modelde duruş sırasındaki gerilimini yöneterek elektriksel ve mekanik darbeyi azaltır. Motor normal çalışma hızına çıktıktan sonra çoğu uygulamada şebeke frekansında çalışır.

Hız kontrol cihazı ise motor çalışırken de çıkış frekansını sürekli değiştirebildiği için motor hızını proses ihtiyacına göre kontrol edebilir. Dolayısıyla sürekli debi, basınç, hız, tork veya proses kontrolü gereken sistemlerde iki cihazın görevi aynı değildir.

Her hız kontrol cihazı her motoru sürebilir mi?

Standart endüstriyel hız kontrol cihazlarının en yaygın kullanım alanı üç fazlı sincap kafesli asenkron motorlardır. Bazı yeni sürücüler uygun kontrol algoritmasıyla permanent magnet, synchronous reluctance veya başka AC motor tiplerini de kontrol edebilir.

Standart bir AC hız kontrol cihazı DC motor sürücüsü değildir. DC motor kontrolünde güç devresi ve kontrol yöntemi farklıdır. Bu nedenle yalnız motor gücünün kW değerine bakılarak sürücü seçilmez; motor tipi, nominal akım, besleme gerilimi ve cihazın desteklediği kontrol algoritması birlikte değerlendirilmelidir.

Hız kontrol cihazı her zaman enerji tasarrufu sağlar mı?

Hayır. Hız kontrol cihazının motora bağlanması tek başına otomatik enerji tasarrufu anlamına gelmez. Tasarruf miktarı tamamen makinenin çalışma karakteristiğine bağlıdır.

Özellikle santrifüj fan ve santrifüj pompalarda debiyi vana veya damperle kısmak yerine motor hızını düşürmek çok büyük enerji avantajı sağlayabilir. Buna karşılık sabit torklu bir konveyörde hızın düşürülmesi aynı oranda büyük bir enerji tasarrufu oluşturmayabilir. Bu nedenle “hız kontrol cihazı takılırsa elektrik tüketimi mutlaka düşer” genellemesi doğru değildir.

Hız kontrol cihazının koruma görevleri

Modern sürücüler yalnız motor hızını değiştirmez. Cihaza bağlı olarak aşırı akım, aşırı veya düşük DC bara gerilimi, motor aşırı yükü, çıkış fazı problemi, aşırı sıcaklık, toprak kaçağı, haberleşme arızası ve başka birçok çalışma durumunu izleyebilir.

Ancak sürücünün elektronik motor koruması bulunması, doğru sigorta, kablo, topraklama, motor termal koruması ve pano tasarımının gereksiz olduğu anlamına gelmez. Özellikle uzun motor kablolarında çıkış dV/dt etkisi, EMC ve motor izolasyonu ayrıca değerlendirilmelidir. Bu noktada endüstriyel standartlar ve EMC gereksinimleri de sistem tasarımının parçasıdır.

Solar inverter ile motor hız kontrol cihazı aynı şey midir?

Aynı cihaz değildir. İkisinin içinde de DC'yi AC'ye çeviren inverter güç elektroniği bulunabilir; fakat kontrol amaçları tamamen farklıdır. Solar inverter, fotovoltaik kaynaktan gelen DC enerjiyi şebeke veya bağımsız AC sistem için uygun elektrik enerjisine dönüştürür. Motor hız kontrol cihazı ise çıkış frekansı ve motor kontrol algoritmaları üzerinden bir elektrik motorunun hareketini yönetir.

Bu yüzden yalnız “inverter” kelimesiyle arama yapıldığında solar inverter, UPS inverteri, araç inverteri ve motor hız kontrol cihazı gibi birbirinden farklı ürün grupları aynı sonuçlarda görülebilir.

Hız kontrol cihazı seçerken yalnız kW yeterli mi?

Hayır. Motorun nominal akımı, şebeke gerilimi, motor tipi, yük karakteristiği, kalkış torku, aşırı yük ihtiyacı, minimum ve maksimum hız, frenleme ihtiyacı, ortam sıcaklığı, rakım, haberleşme ve güvenlik gereksinimleri birlikte düşünülmelidir.

Örneğin aynı 7,5 kW motor bir fanı döndürüyorsa sürücünün görevi ile aynı motor bir vinç veya ağır konveyör üzerinde çalışıyorsa sürücünün görevi aynı değildir. Bu nedenle seçimden önce hız kontrol cihazı seçim kriterlerinin incelenmesi gerekir.

Editörün notu: Sahada “inverter bozuldu” cümlesini çok duyarız ama cihazın içinde tek bir bölüm yoktur. Giriş doğrultucusu, DC bara, kondansatörler, frenleme devresi, IGBT güç katı, sürücü kartı, motor ve motor kablosu birbirinden ayrı değerlendirilmelidir. Serviste önce arızanın hangi tarafta olduğunu ayırmak, rastgele parametre değiştirmekten çok daha fazla zaman kazandırır. Özellikle DC bara gerilimine müdahale etmek tehlikelidir; enerji kesilmiş olsa bile kondansatörler bir süre yüksek gerilim tutabilir.

İlgili konular

Hız kontrol cihazı nedir? — ana VFD rehberi
AC Drive nedir? — AC motor sürücüsünün temel yapısı
DC Bara nedir? — sürücünün ara güç devresi
PWM nedir? — inverter çıkışı nasıl oluşturulur?
V/F kontrol nedir? — temel motor kontrol yöntemi
Tork kontrolü nedir? — hızdan farklı olarak torkun kontrolü
Flying Start nedir? — dönen motorun kontrollü biçimde yakalanması
Fren direnci nedir? — rejeneratif enerjinin DC baradan uzaklaştırılması
Hız kontrol aksesuarları — filtre, fren kıyıcı, direnç ve kontrol aksesuarları
Hız kontrol cihazı nasıl seçilir? — motor ve uygulamaya göre sürücü seçimi