Stroomuitval: wat doet een frequentieregelaar bij een stroomdip?

Storingen in openbare elektriciteitsvoorzieningen

Openbare elektriciteitsvoorzieningen kunnen last hebben van storingen. Een volledig verlies van de stroomvoorziening leidt tot het uitschakelen van alle elektrische apparatuur, tenzij er een noodstroomvoorziening zoals een UPS en/of noodstroomgenerator is aangesloten. Wanneer de stroom terugkeert, start de apparatuur weer op vanuit de uitgeschakelde stand.

Er bestaat echter ook een categorie storingen in de vorm van korte onderbrekingen of spanningsdips. Bij deze situaties is het gedrag van de apparatuur minder goed voorspelbaar.

Oorzaken en duur van spanningsdips

Korte spanningsdips komen regelmatig voor en kunnen verschillende oorzaken hebben. Wanneer er een storing optreedt in het openbare elektriciteitsnet, verspreidt een spanningsdip zich vanaf het storingspunt door het hele systeem.

De beveiligingsapparatuur van het energiebedrijf schakelt het defecte circuit doorgaans ongeveer 200ms uit. Daarna wordt de stroom voor de meeste verbruikers hersteld. Tijdens deze periode ervaren verbruikers spanningsdips van verschillend niveau. Dit is afhankelijk van de elektrische afstand tot de storing.

In de zware industrie ontstaan spanningsdips ook bij het direct starten van grote motoren.

Het belang van voorspelbaar gedrag van apparatuur

Het is belangrijk dat elektrische apparatuur zich voorspelbaar gedraagt tijdens en na een spanningsdip of onderbreking. Apparatuur moet korte of ondiepe dips kunnen doorstaan.

Wanneer dit niet mogelijk is, hangt het juiste gedrag af van de toepassing. In sommige situaties moet de apparatuur stoppen en wachten tot een herstart mogelijk is. Dit kan handmatig gebeuren om gevaar door onverwacht starten te voorkomen. Het gecoördineerd opstarten van meerdere motoren kan ook automatisch plaatsvinden.

Onjuist herstarten kan leiden tot productieverlies, noodsituaties zoals vastzittende personen in liften, uitvallende airconditioningsystemen en elektronische apparaten die een servicebezoek nodig hebben om te worden gereset.

Dips en onderbrekingen: tijdsbereik en risico’s

De kortste spanningsdips en onderbrekingen duren doorgaans ongeveer 10ms, wat overeenkomt met een halve netspanningscyclus. Alles wat langer duurt dan ongeveer 10s wordt beschouwd als volledig vermogensverlies.

Kritisch tijdsinterval voor elektronica

Het tijdsbereik waarin het gedrag kritisch moet worden bekeken ligt voornamelijk tussen 10ms en ongeveer 500ms. In dit bereik kunnen ontwerpfouten leiden tot onjuist gedrag, zoals vastlopende of crashende processors en beschadigde gegevens.

Energieopslag en doorlooptijd in elektronische systemen

In een typisch elektronisch circuit met netvoeding is een relatief grote condensator aangesloten op de interne DC-bus. Deze condensator vlakt de gelijkgerichte spanning af en slaat doorgaans voldoende energie op om het circuit ongeveer 10ms tot 20ms draaiende te houden.

Bij kortere dips blijft het circuit normaal functioneren. Vaak is er ook een stroombewakingscircuit aanwezig dat een lage spanning detecteert.

Gecontroleerd afsluiten en herstarten

Bij spanningsdetectie is er tijd om een korte routine uit te voeren. Essentiële gegevens kunnen worden opgeslagen in niet-vluchtig geheugen en het systeem kan in een gecontroleerde toestand worden gebracht. Vanuit deze toestand kan het systeem opnieuw worden opgestart zodra de stroom terugkeert.

Wanneer een doorlooptijd tot ongeveer 100ms nodig is, kan dit worden gerealiseerd door extra capaciteit toe te voegen. Voor langere doorlooptijden is een accu of UPS noodzakelijk.

Energieopslag in frequentieregelaars

In een standaard frequentieregelaar slaan de condensatoren, vanwege de hoge stroomdoorvoer, onvoldoende energie op om het nominale vermogen te leveren. Zelfs niet gedurende 10ms.

Het is daarom niet realistisch om een spanningsdip eenvoudig te overbruggen met alleen de opgeslagen energie in de condensatoren, tenzij het belastingsvermogen op dat moment zeer laag is.

Externe oplossingen voor overbrugging

In speciale toepassingen worden extra externe condensatoren, supercondensatoren of batterijen op de DC-bus aangesloten om spanningsdips te overbruggen.

Mechanisch opgeslagen energie in motoren

Naast elektrische energie kan er ook mechanisch bruikbare energie zijn opgeslagen in de massa van de motor. Afhankelijk van de toepassing kan een deel van deze energie worden benut om de aandrijving in een bruikbare toestand te houden wanneer de stroomtoevoer terugkeert.

Ride-through voor frequentieregelaars

Figuur 1 toont de belangrijkste vermogenscomponenten van een frequentieregelaar. De smoorspoelen zijn optioneel en hebben weinig invloed op de doorlooptijd.

De gelijkrichter is unidirectioneel; de stroom kan alleen van de wisselstroom naar de tussenkring gaan. De regelaar en motor zijn bidirectioneel, dus het is mogelijk dat energie van de motor terugstroomt naar de tussenkring van de regelaar, mits er ook voldoende energie is om de motor gemagnetiseerd te houden. 

Detectie van spanningsval en onderbreking

De regelaar meet de DC-busspanning en kan daardoor een spanningsval detecteren. Een korte onderbreking van de AC-voeding heeft hetzelfde effect als een spanningsval, aangezien de DC-spanning daalt wanneer de condensator ontlaadt. Er zijn verschillende situaties mogelijk en het precieze gedrag hangt af van de gebruikte motorbesturingsmodus.

Bijvoorbeeld: een eenvoudige open loop regeling met een vaste V/f-verhouding

Herstel van spanning vóór onderspanning

In het geval waarin de spanning herstelt voordat het detectieniveau voor voedingsverlies is bereikt, wordt de normale werking hervat. Er is een korte piek in de ingangsstroom omdat de condensator zich oplaadt zonder de voordelen van het soft-charge circuit. De regelaar is ontworpen om deze piekstroom zonder problemen te weerstaan, maar stroomonderbrekers kunnen in deze situatie in werking treden. Vooral wanneer meerdere regelaars door dezelfde stroomonderbreker worden gevoed. 

Routine bij voedingsverlies

Er is een door de gebruiker te selecteren modusparameter beschikbaar die de keuze biedt uit drie acties:

1.     Geen actie (voedingsverliesfunctie uitgeschakeld)
2.     Ramp to stop
3.     Ride-through

Optie 1: Geen actie

De motor loopt uit tot stilstand. De regelaar onderneemt geen actie bij voedingsverlies. Bij onderspanning schakelt de regelaar uit. Wanneer de spanning terugkeert, voert de regelaar een automatische herstart uit zolang de inschakel- en bedrijfscommando’s aanwezig zijn.

Optie 2: Ramp to stop

Deze optie wordt gekozen wanneer gecoördineerde bewegingen vereist zijn. De motor wordt gecontroleerd afgeremd zodra de spanning onder het detectieniveau voor voedingsverlies komt.

Komt de spanning terug tijdens het afremmen, dan blijft dit proces doorgaan. Anders schakelt de regelaar uit door onderspanning.

Verschillen per productserie

• Unidrive M700: Na stilstand gaat de aandrijving in uitgeschakelde toestand en moet het vrijgavesignaal worden gereset.

• Commander C: Na stilstand start de aandrijving opnieuw op en brengt de motor geleidelijk terug naar de snelheidsreferentie.

Optie 3: Ride-through

Deze optie wordt gekozen wanneer de toepassing vereist dat de regelaar zo zelfstandig mogelijk blijft werken. Het ingestelde toerental wordt gecontroleerd verlaagd zodat de motorflux behouden blijft.

De mechanisch opgeslagen energie in motor en belasting wordt teruggevoerd naar de regelaar. Deze energie wordt gebruikt om de magnetiseringsstroom en het regelcircuit actief te houden. Keert de stroom op tijd terug, dan versnelt de motor weer naar het ingestelde toerental.

Factoren die het succes van ride-through bepalen

De kans op een succesvolle doorstroom hangt duidelijk af van de mechanische belasting op dat moment en de specifieke massatraagheid van de motor en de belasting. 

Houd er rekening mee dat als de spanningsdip slechts in één fase van een driefasenvoeding optreedt, de teruggewonnen energie alleen de "gaten" voor de gelijkrichter hoeft te vullen tijdens de spanningsintervallen van de ontbrekende fases. Dit vereist veel minder energie dan bij een driefasendip en resulteert het meest waarschijnlijk in een succesvolle doorstart. 

Herstart van een draaiende motor

In al deze opties moet, indien automatisch herstarten is geselecteerd, worden overwogen of de routine "catch a spinning motor" nodig is. Wanneer de regelaar de controle over de motor heeft behouden, d.w.z. in een ramp- of ride-through-status, is dit niet nodig. Zodra de onderspanningsfout echter is opgetreden, wordt de motor niet meer aangestuurd. De motor kan blijven draaien als gevolg van de massatraagheid en/of externe factoren, zoals de luchtstroom in een ventilator. In dat geval kan de herstart mislukken, tenzij het algoritme voor de draaiende motor is ingeschakeld.

Conclusie: omgaan met spanningsdips

Er zijn meerdere manieren om om te gaan met kortstondige spanningsdips. Dit kan door hardwarematige oplossingen zoals het vergroten van de energiebuffer in de frequentieregelaar of door instellingen die het gedrag van de aandrijving voorspelbaar maken.

Wilt u hier verder over spreken? Neem dan contact met ons op. Wij komen graag bij u langs voor een goed gesprek en een goede bak koffie.