A probléma: hogyan vezéreljünk AC motort?
Az előző cikkünkben a Ward Leonard hajtásról írtunk – arról a zseniális, de hatalmas rendszerről, ami három forgó géppel oldotta meg a DC motor fordulatszám-szabályozását. De a 20. század második felére az ipar egyre inkább váltóáramú (AC) motorokat használt – elsősorban a mókuskerék-forgórészű aszinkron motort, Nikola Tesla találmányát. Ezek olcsóbbak, robusztusabbak, karbantartásmentesek: nincsenek kefék, nincsenek kommutátorok, nincs kopás.
Csakhogy van egy bökkenő. Egy AC aszinkron motor fordulatszáma egy egyszerű fizikai képletből adódik: n = 120 × f / p, ahol f a betáplált frekvencia és p a pólusok száma. A hálózati frekvencia Európában 50 Hz, Amerikában 60 Hz – és ez állandó. A pólusszámot a gyártáskor meghatározzák. Tehát a motor fordulatszáma gyakorlatilag rögzített.
Ha változtatni akarsz a sebességen, változtatnod kell a frekvencián. De hogyan? Az 1950-es években nem létezett olyan eszköz, ami megbízhatóan, hatékonyan és megfizethető áron képes lett volna erre. Az AC motor fordulatszám-szabályozása az elektrotechnika egyik legnagyobb megoldatlan problémája volt.
A megoldás kulcsa: a teljesítményelektronika – az a tudományág, amely félvezető eszközökkel nagy teljesítményű elektromos energia átalakítását végzi.
Az első lépés: a tirisztor (SCR) – 1958
A történet a Bell Laboratóriumban kezdődik. William Shockley – a tranzisztor társfeltalálója – 1950-ben javasolta először a tirisztor elvét, de a gyakorlati megvalósítás csak 1956-ra érett be, amikor a General Electric kifejlesztette és 1958-ban piacra dobta az első kereskedelmi szilícium vezérelt egyenirányítót (SCR – Silicon Controlled Rectifier), más néven tirisztort.
A tirisztor egy olyan félvezető kapcsolóelem, amelyet kis vezérlőárammal lehet bekapcsolni, és utána nagy áramot enged át – de csak egy irányba, és a kikapcsolása nem triviális (a nullátmenetnél kapcsol ki magától). Ez azt jelenti, hogy a tirisztor kiválóan alkalmas egyenirányításra és fázisszög-vezérlésre, de a gyors, tetszőleges ki-be kapcsolgatásra – ami a frekvenciaváltáshoz kellene – önmagában nem elegendő.
Ennek ellenére a tirisztor forradalmi volt. Lehetővé tette a tirisztoros DC hajtások megépítését – a Ward Leonard rendszer „statikus" változatát –, ahol a motor-generátor készletet egyetlen félvezetős átalakító váltotta ki. Az 1960-as és 1970-es években ezek a hajtások gyorsan elterjedtek az iparban.
A finn forradalom: Martti Harmoinen és a SAMI
Illusztráció: Martti Harmoinen és a Strömberg SAMI – az első ipari PWM frekvenciaváltó születése
Miközben a világ nagy elektrotechnikai cégei – a Siemens, az AEG, az ASEA, a Brown Boveri – a tirisztoros DC hajtásokkal voltak elfoglalva, egy kis finn cég, a Strömberg, más irányba indult. Az 1960-as években egy fiatal mérnök, Martti Harmoinen, egy merész projektet kezdett: AC motorok fordulatszám-szabályozását félvezetőkkel.
Harmoinen 1934-ben született Kiuruvedellel, egy finn tóparti faluban, gazdálkodó családban. Gyerekként béltuberkulózist kapott, és nem hitték, hogy túléli. Mégis felépült, szeretett tanulni, és 1960-ban megkapta mérnöki diplomáját a Helsinki Műszaki Egyetemen. Mivel nukleáris fizikában – az eredeti szakterületén – nem talált munkát, a Strömberghez szegődött villamosmotor-tesztelőnek.
Egy évvel később a cég új félvezető-elektronikai részleget hozott létre, és Harmoinen csatlakozott. A fiatal mérnökök mohón olvasták a Phillips, az AEG és a Brown Boveri műszaki magazinjait, és az 1960-as évek végére a Strömberg tirisztoros DC vezérlői már európai szinten versenyképesek voltak.
De Harmoinen tovább gondolkodott. Felismerte, hogy a DC motorok szénkefés, kommutátoros kialakítása egy alapvető korlát – és ha meg tudnák oldani a közönséges, olcsó, karbantartásmentes AC aszinkron motor sebességszabályozását, az hatalmas piaci lehetőség lenne.
„A frekvenciaváltó kockázatos projekt volt – ilyen technológia akkor még nem létezett. Szisztematikus, kitartó munkával sikerült. Felismertük: ha ki tudunk fejleszteni fordulatszám-szabályozást a legelterjedtebb villanymotor-típusra, a piaci potenciál hatalmas lesz."
– Martti Harmoinen
Harmoinen és csapata kifejlesztette az impulzusszélesség-moduláció (PWM) technológiát az AC motorvezérléshez. Az alapötlet: a DC közbensőkör feszültségét nem egyszerűen „kikapcsoljuk" vagy „bekapcsoljuk", hanem nagyon gyorsan, változó szélességű impulzusokkal kapcsolgatjuk – és az impulzusok átlagértéke egy szinuszos hullámformát közelít, amelynek frekvenciáját tetszőlegesen változtathatjuk.
1975-ben megszületett a SAMI A (Strömberg Asynchronous Motor Inverter) – az első alacsony feszültségű, ipari PWM frekvenciaváltó. Az első kereskedelmi telepítés három darab 350 kVA-es egység volt a Karihaara fűrészüzemben, Észak-Finnországban. A rendszer működött: a fűrészüzem javított az energiahatékonyságon és csökkent a mechanikus kopás.
1982-ben a technológia a közlekedésbe is betört: a Helsinki metró vonatait Strömberg PWM frekvenciaváltókkal szerelték fel. Az 1980-as években a Strömberg beolvadt az ASEA-ba, majd az ABB-be – és a SAMI technológia világméretűvé vált. A ma ismert ABB ACS frekvenciaváltó-sorozat ennek a fejlesztésnek az egyenes folytatása.
Harmoinen 1981-ben megkapta a Finn Mérnöki Díjat, 1995-ben pedig Martti Ahtisaari elnöktől a professzori címet. 2023 áprilisában hunyt el, 88 évesen.
Az IGBT forradalma – 1982
Illusztráció: Az IGBT modul – a modern frekvenciaváltó szíve
Harmoinen első SAMI frekvenciaváltói még tirisztorokat és bipoláris tranzisztorokat használtak kapcsolóelemként. Ezek működtek, de lassúak voltak, nehezen vezérelhetők, és hajlamosak a túlmelegedésre. A valódi áttörést egy új félvezető eszköz hozta: az IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor – szigetelt kapus bipoláris tranzisztor).
Az IGBT-t B. Jayant Baliga fejlesztette ki a General Electric kutatólaboratóriumában. Az első működő eszközt 1982-ben mutatta be az IEEE International Electron Devices Meeting konferencián, és a GE még abban az évben kereskedelmi forgalomba hozta. 1984-ben Akio Nakagawa megoldotta az eszköz reteszelési problémáját, ami megnyitotta az utat a széles körű ipari alkalmazás felé.
De miért olyan fontos az IGBT? Mert két világ legjobb tulajdonságait kombinálja:
A MOSFET (fémoxid félvezető térvezérlésű tranzisztor) előnye a nagyon gyors kapcsolási sebesség és az egyszerű, feszültségvezérelt kapu – de nem bírja a nagy feszültségeket és áramokat. A bipoláris tranzisztor (BJT) előnye a nagy áram- és feszültségtűrés – de nehézkes az áramvezérelt bázis miatt, és lassabban kapcsol. Az IGBT mindkettőt tudja: feszültségvezérelt kapuval gyorsan kapcsolható, miközben nagy feszültséget és áramot kezel.
Az 1980-as évek végére az IGBT lett a frekvenciaváltók domináns kapcsolóeleme – és azóta is az. A mai IGBT-k nanoszekundum alatt kapcsolnak, több ezer voltos feszültséget és több száz amperes áramot kezelnek, és rendkívül megbízhatóak.
Az IGBT számokban
Kapcsolási sebesség: nanoszekundum nagyságrendű – másodpercenként akár 15 000-szer is kapcsolhat
Feszültségtartomány: akár 6 500 V
Áramtartomány: akár több száz amper modulonként
Piaci részesedés: a teljesítmény-tranzisztorok 27%-a IGBT (2010-es adat)
Egy tipikus hatpulzusos frekvenciaváltóban 6 db IGBT dolgozik az inverter fokozatban, másodpercenként akár 15 000 impulzust generálva.
Hogyan működik a modern frekvenciaváltó?
Illusztráció: A frekvenciaváltó három fő egysége – egyenirányító, DC közbensőkör, inverter (IGBT-kkel)
Egy modern frekvenciaváltó három fő egységből áll – érdemes ezt megérteni, mert ez a teljesítményelektronika „szentháromsága":
1. Egyenirányító (Rectifier / Bridge Converter)
A hálózatból érkező háromfázisú AC feszültséget (Magyarországon 400 V, 50 Hz) diódás hídkapcsolás alakítja egyenárammá (DC). Ez a „bemeneti fokozat" – hat dióda háromfázisú hídban. Az eredmény egy pulzáló, de egyirányú feszültség.
2. DC közbensőkör (DC Link / DC Bus)
A pulzáló DC feszültséget nagy kapacitású kondenzátorok simítják ki – ez a DC „busz", ami stabil egyenfeszültséget biztosít az inverter számára. A 400 V-os háromfázisú hálózatról ez kb. 565 V DC. Ez a „energiaraktár" – a kondenzátorok tárolják az energiát, ami a rövid idejű terhelésváltozásokat kiegyenlíti.
3. Inverter (IGBT kapcsolóhíd)
Ez a frekvenciaváltó szíve – itt történik a „varázslat". Hat IGBT tranzisztor háromfázisú hídkapcsolásban a DC feszültséget változtatható frekvenciájú és feszültségű AC jellé alakítja. Az IGBT-k másodpercenként akár 2 000-től 20 000-szer kapcsolnak – ez az úgynevezett vivőfrekvencia (carrier frequency).
Az egyes impulzusok szélessége változó – ez az impulzusszélesség-moduláció (PWM). Bár a tényleges kimeneti feszültség pillanatnyi értéke mindig vagy 0 vagy a teljes DC busz feszültség (565 V), az impulzusok átlagértéke egy szinuszos hullámformát közelít. A motor induktivitása természetes szűrőként működik – a motor a PWM impulzussorozatból „kiszűri" a szinuszos alapharmonikust, és simán forog.
A kimenet frekvenciáját a PWM minta határozza meg: ha gyorsabban ismétlődik a szinuszos minta, magasabb a kimeneti frekvencia, és gyorsabban forog a motor. Ha lassabban, alacsonyabb – és a motor lassul. A feszültséget is arányosan változtatják, hogy a motor mágneses fluxusa állandó maradjon – ez a V/Hz (volt per hertz) vezérlés alapja.
V/Hz vezérlés – a legegyszerűbb módszer
Egy 400 V, 50 Hz-es motor esetén a V/Hz arány: 400 / 50 = 8 V/Hz
Ha 25 Hz-en akarjuk járatni (fél sebesség): 25 × 8 = 200 V
Ha 50 Hz-en (névleges sebesség): 50 × 8 = 400 V
A frekvenciaváltó automatikusan tartja ezt az arányt, biztosítva, hogy a motor nyomatéka az egész fordulatszám-tartományban megmaradjon.
A fejlődés időrendje: 70 év 7 lépésben
Érdemes átlátni, hogyan jutottunk el a forgó gépes megoldástól a zsebben elférő frekvenciaváltóig:
1891 – Ward Leonard hajtás: Három forgó gép (AC motor → DC generátor → DC motor). Tonnás súly, szobányi hely, de sima, fokozatmentes fordulatszám-szabályozás.
1958 – Tirisztor (SCR): Az első nagy teljesítményű félvezető kapcsolóelem. Lehetővé teszi a statikus DC hajtásokat – nincs többé motor-generátor készlet.
1960-as évek – Első kísérleti VFD-k: Tirisztoros inverterekkel kísérleteznek az AC motorvezérlésben. A kapcsolási sebesség korlátozott, a vezérlés bonyolult.
1975 – Strömberg SAMI A: Martti Harmoinen és csapata piacra dobja az első kereskedelmi PWM frekvenciaváltót. Ipari forradalom egy észak-finn fűrészüzemből.
1982 – IGBT megjelenik: B. Jayant Baliga a General Electric-nél bemutatja az IGBT-t. Az új félvezető gyorsan kapcsol, nagy feszültséget bír, és könnyen vezérelhető – tökéletes a VFD inverter fokozatához.
1980-as–1990-es évek – IGBT-alapú VFD-k elterjedése: A vektoros vezérlés, a szenzorhálózatos (sensorless) szabályozás és a digitális jelfeldolgozók (DSP) megjelenésével a frekvenciaváltók teljesítménye ugrásszerűen nő, méretük és áruk zuhanásszerűen csökken.
2000-es évek – napjainkig: Integrált, kompakt VFD-k beépített PID-del, Modbus/Ethernet kommunikációval, energiavisszatáplálással. A frekvenciaváltó mára standard ipari komponens – annyira mindennapos, mint a mágneskapcsoló.
Miért számít ez a gyakorlatban?
Nem csak technológiatörténet – a teljesítményelektronika fejlődése közvetlen hatással van minden automatizálási mérnök mindennapjaira:
Energiamegtakarítás: Független tanulmányok szerint ha az EU-ban szélesebb körben alkalmaznák a frekvenciaváltókat, az éves energiafogyasztás mintegy 140 terawattórával csökkenhetne. Egy szivattyú vagy ventilátor fordulatszámának csökkentésénél a teljesítményfelvétel a fordulatszám köbével arányosan csökken – ha felezed a sebességet, a teljesítmény nyolcadára esik.
Motor élettartam: A sima indítás és fékezés csökkenti a mechanikus igénybevételt. Nincs nagy áramlökés indításkor, nincs hirtelen mechanikai terhelés – a motor, a csapágyak, a szíjak és a csatlakozások mind tovább élnek.
Precíz vezérlés: A modern vektoros (FOC) és közvetlen nyomaték-szabályozó (DTC) algoritmusok a motor nyomatékát és fordulatszámát milliszekundum pontossággal vezérlik – szervóhajtás-szintű teljesítmény, aszinkron motor áron.
Zajcsökkentés: A magasabb vivőfrekvencia (>16 kHz) a motor zaját az emberi hallástartomány fölé tolja – csöndesebb üzem, kellemesebb munkakörnyezet.
A Sowakam frekvenciaváltók: a teljesítményelektronika a te kezedben
A Strömberg SAMI A 1975-ben egy szekrénynyi volt és néhány száz kVA-t tudott. Ma, 2026-ban, ugyanezt a technológiát – PWM vezérlés, IGBT inverter, V/Hz és vektoros szabályozás – egy DIN-sínre szerelhető dobozban kapod meg.
A Sowakam frekvenciaváltók a teljesítményelektronika fél évszázados fejlődésének gyümölcsét kínálják, elérhető áron:
Modern IGBT inverter: Gyors kapcsolás, alacsony veszteség, csendes üzem. Pont az a technológia, amit Baliga 1982-ben feltalált – de négy évtized fejlesztéssel a háta mögött.
Beépített PWM vezérlés: V/Hz és szenzorhálózatos vektoros mód – Harmoinen szellemi öröksége, egyetlen forgókapcsolóval választható.
Beépített PID szabályzó: Nyomás-, áramlás- vagy hőmérséklet-szabályozás közvetlenül a frekvenciaváltóból, külső PLC nélkül.
RS485 / Modbus RTU kommunikáció: Csatlakoztasd egy Flexem PLC-hez, és teljes felügyeleted van a hajtás felett.
0,4 kW-tól 45 kW-ig: A kis kézi szerszámgép-motoroktól a nagyobb szivattyúkig és ventátorokig – a Sowakam SW100 és SW300 sorozat lefedi a leggyakoribb igényeket.
Próbáld ki a teljesítményelektronika erejét!
A Sowakam frekvenciaváltók a plcshop.hu-n elérhetők – részletes adatlapokkal, bekötési rajzokkal és műszaki támogatással. Nézd meg a kínálatot a sowakam.hu oldalon is, ahol termékismertetőket és alkalmazási példákat találsz.
Ha nem tudod, melyik modell passzol a te alkalmazásodhoz – semmi baj. Kérdezz bátran – a PLCszerviz mérnökei segítenek a megfelelő frekvenciaváltó kiválasztásában.
Harmoinen egy finn fűrészüzemben bizonyította be, hogy a frekvenciaváltó működik. Te a saját projektedben bizonyíthatod be – és ehhez csak egy Sowakam kell a DIN-sínre.
A teljesítményelektronika nem csak az elektrotechnika egy fejezete – ez az a technológia, ami lehetővé tette, hogy az elektromos motorok végre azt csinálják, amit az ember akar, nem azt, amit a hálózati frekvencia diktál. Az IGBT és a PWM együtt oldotta meg azt a problémát, amin az ipar évszázadig dolgozott.
Források
Wikipedia: Variable-frequency drive
ABB: Martti Harmoinen and the invention that changed industry
VFDs.com: Switching it up – IGBTs