W maszynach, systemach, a nawet kompletnych liniach produkcyjnych można znaleźć szeroką gamę silników elektrycznych. Umożliwiają one sekwencje ruchu wymagane w danym podobszarze. Do tego celu preferowane są niedrogie i praktycznie bezobsługowe silniki trójfazowe.
Moc tych silników waha się od mniej niż 100 W (0,1 kW) do kilku 100 kW. Jednakże jest zawsze bezpośrednio związana z częstotliwością napięcia sieciowego. Stała prędkość obrotowa oznacza jednak, że użyteczność tych silników jest znacząco ograniczona.
Aby w pełni wykorzystać silniki i ich zalety, stosuje się przemienniki częstotliwości. Dzięki zastosowaniu inteligentnej elektroniki, silnik jest po prostu zasilany napięciem roboczym, które jest niezależne od napięcia i częstotliwości sieci. Zachowanie podczas rozruchu, jak również prędkości podczas pracy mogą być zatem indywidualnie regulowane. Chętnie wyjaśnimy, jak działa przemiennik częstotliwości i co jest ważne przy jej zakupie.
Przemiennik częstotliwości przekształca stałe napięcie AC z lokalnej sieci energetycznej na napięcie AC o zmiennej amplitudzie i częstotliwości. Umożliwia to generowanie napięć precyzyjnie dostosowanych do podłączonego urządzenia.
Przetwornice częstotliwości są używane głównie do poprawy rozruchu i prędkości silników trójfazowych. Bez nich takie silniki nie miałyby płynnej regulacji, mogły jedynie pracować ze stałą prędkością określoną przez zasilanie sieciowe.
Przemienniki częstotliwości mogą być zaprojektowane dla dwóch różnych trybów pracy::
- W trybie jednofazowym falownik jest podłączony do konwencjonalnej sieci prądu przemiennego. Nazwa trybu pracy odnosi się do napięcia zasilania, które w tym przypadku jest jednofazowe.
- W trybie trójfazowym falownik jest zasilany prądem trójfazowym.
Przemienniki częstotliwości umożliwiają płynną regulację prędkości do poziomu prędkości znamionowej silnika bez zmniejszania jego momentu obrotowego. Po przekroczeniu prędkości znamionowej, przy której silnik osiąga maksymalną moc przy pełnym obciążeniu, wyjściowy moment obrotowy spada.
Aby prędkość silnika mogła być indywidualnie kontrolowana w technologii napędowej, napięcie zasilania silnika trójfazowego musi mieć zmienną częstotliwość. Musi ono być praktycznie oddzielone od częstotliwości wejściowej. W tym celu napięcie wejściowe sieci energetycznej, które ma ustaloną częstotliwość, jest przekształcane w napięcie stałe. Następnie wyprowadzane na wyjście w szybkim tempie. Poniższy schemat obwodu ilustruje tę strukturę:
Aufbau und Baugruppen
Prostowanie (1)
Prostownik mostkowy (dioda D1 - D6) " zagina" ujemne półfale sinusoidalnego napięcia sieciowego AC. Oznacza to, że ujemne składowe napięcia przemiennego są również wykorzystywane do zasilania obwodu końcowego.
W praktyce skutkuje to napięciem stałym z pewnymi resztkowymi tętnieniami. Wymagane filtry EMC (kompatybilności elektromagnetycznej) są również włączone w proces prostowania. Zapewnia to, że żadne zakłócenia sieciowe nie docierają do przetwornicy częstotliwości i nie są emitowane do sieci zasilającej.
Obwód prądu stałego (2)
Kondensator (C) jest zamontowany w obwodzie pośrednim w celu wygładzenia tętnienia napięcia generowanego przez prostownik. Cewki (L) bywają zintegrowane z obwodem pośrednim w celu tłumienia silnych wahań prądu. Jednak są mniej istotne dla zilustrowania funkcji.
Znacznie ważniejszy jest przerywacz hamowania (chopper = przerywacz), który również znajduje się w obwodzie pośrednim. Składa się on z przełącznika elektronicznego (tranzystor T7) i rezystora hamującego (R). Przekształca on nadmiar energii generowanej przez silnik w trybie overrun w ciepło i skutecznie wyhamowuje jego pracę.
Przetwornica (3)
Przemiennik steruje silnikiem. Zasadniczo można ją przedstawić jako układ sześciu przełączników elektronicznych (tranzystorów mocy T1 - T6). Dwa tranzystory są zawsze połączone szeregowo, a kabel połączeniowy silnika jest poprowadzony na zewnątrz pomiędzy tranzystorami. Sterowanie tranzystorami odbywa się za pośrednictwem złożonej elektroniki sterującej.
Elektronika sterująca (4)
Elektronika sterująca kontroluje tranzystory mocy zgodnie z odpowiednimi wymaganiami. Do tego celu elektronika sterowana procesorem posiada niezbędne wejścia dla potencjometru sterownika lub odpowiednich systemów magistrali, takich jak EtherCAT, POWERLINK lub PROFIBUS-DP. Wymagane ustawienia można również wprowadzić za pomocą klawiatury z wyświetlaczem. Zakres elektroniki uzupełniają rozbudowane obwody zabezpieczające i wyjścia dla komunikatów o stanie i błędach.
Filtr sinusoidalny (5)
W technologii napędów przełączanie bardzo wysokich prądów generuje ogromne sygnały zakłócające. Powoduje to duże obciążenie silnika, a w szczególności jego izolacji. Z tego powodu filtry sinusoidalne są używane do tłumienia wszelkich zakłóceń i przesyłania czystego napięcia sinusoidalnego do silnika (M).
Generowanie sygnału wyjściowego
Aby wygenerować sinusoidalne napięcie wyjściowe, musiałoby ono spaść z wartości "0" do odpowiedniego maksimum, a następnie z powrotem do "0". Jednak w obwodzie pośrednim dostępne jest tylko napięcie DC o stałym poziomie.
Dlatego właśnie stosowana jest modulacja szerokości impulsu (PWM). Oznacza to, że wysokie napięcie z obwodu pośredniego jest włączane, a następnie natychmiast wyłączane. Po krótkiej przerwie napięcie jest ponownie włączane i wyłączane. Ten rytm przełączania jest powtarzany w sposób ciągły.
Załączony schemat przełączania ilustruje efekt impulsów sterujących o modulowanej szerokości pasma. Nawet jeśli impulsy przełączające, które są zawsze tej samej długości, nie wyglądają jak fala sinusoidalna, nadal mają efekt podobny do fali sinusoidalnej w odniesieniu do prądu silnika (czerwona linia). Wąskie impulsy załączające z długimi przerwami między impulsami generują niski prąd. Szerokie impulsy z krótkimi przerwami generują wysoki prąd silnika.
Dla lepszego przeglądu, na schemacie pokazano tylko kilka impulsów przełączających. W praktyce jednak generowanych jest kilka tysięcy impulsów przełączających na sekundę. Za pomocą odpowiedniej konstelacji można indywidualnie zmieniać częstotliwość i amplitudę prądu silnika.
W wielu zastosowaniach konieczne jest, aby sekwencje ruchu rozpoczynały się powoli, a ich prędkość była kontrolowana w ukierunkowany sposób.
Dotyczy to nie tylko systemów przemysłowych czy maszyn. Nawet winda w budynku biurowym powinna uruchamiać się płynnie i równie delikatnie hamować.
System sterowania z łagodnym rozruchem jest nie tylko przyjemniejszy w użyciu, ale ma także bardzo pozytywny wpływ na zużycie wszystkich ruchomych części mechanicznych i przekładni.
W przeszłości napędy z regulacją prędkości były możliwe tylko przy użyciu sterownika tyrystorowego i silnika prądu stałego, który był drogi i wymagał wielu czynności serwisowych.
Dzięki przetwornicy częstotliwości można stosować niedrogie silniki asynchroniczne, które również wymagają jedynie minimalnej konserwacji.
Przemiennik pośredni
Zgodnie z powyższym opisem, w pośrednim przemienniku częstotliwości, napięcie AC wpływa do urządzenia prostującego, które następnie zasila łącze DC.
W obwodzie pośrednim prąd jest wygładzany przez kondensatory buforowe i tłumiony przez cewki indukcyjne. Obwód pośredni z kolei zasila przemiennik, który następnie dostarcza napięcie wyjściowe o żądanej amplitudzie i częstotliwości dla zasilanego urządzenia.
Przetwornica bezpośrednia
Przetwornice bezpośrednie (znane również jako przetwornice matrycowe) nie mają natomiast łącza prądu stałego. Zamiast tego konwersja częstotliwości odbywa się w pojedynczym, dość skomplikowanym obwodzie z różnymi ścieżkami.
Główną zaletą przetwornic bezpośrednich jest możliwość zasilania regeneracyjnego i to, że działają one prawie bezstratnie z tą samą częstotliwością wejściową i wyjściową. Wymagają one jednak nieprzerwanego zasilania (w postaci prądu trójfazowego). Zapewniają również stosunkowo niskie maksymalne napięcie wyjściowe.
Zasilanie regeneracyjne
W przypadku przetwornic regeneracyjnych konwersja działa w obu kierunkach: mogą one również przekazywać energię, która jest uwalniana np. podczas hamowania, z powrotem do sieci energetycznej. Oznacza to, że przetwornica może również działać jako generator! Mechanizm ten jest szczególnie przydatny, gdy napędy muszą być często wyhamowywane, jak np. w wirówkach, windach lub lokomotywach elektrycznych
Nasza praktyczna rada: Odpowiednie silniki i okablowanie
Częściowe wyładowania z dużymi zmianami napięcia i wysokimi szczytami prądu występują w falowniku, dlatego izolacja uzwojeń silnika jest poddawana stosunkowo dużym obciążeniom. Z tego powodu tylko niektóre typy silników nadają się do pracy z przemiennikami częstotliwości (patrz norma DIN VDE 0530-25). Niezbędne jest również okablowanie silnika zgodne z EMC.
Następujące parametry techniczne przemiennika częstotliwości muszą spełniać wymagania planowanego zastosowania:
- Jakie napięcie wejściowe jest dostępne? W zależności od modelu, przetwornice częstotliwości mogą przetwarzać napięcia wejściowe do 690 V.
- Napięcie wyjściowe i maksymalna moc wyjściowa, jaką może zapewnić przetwornica, muszą być dopasowane do danego zastosowania. Typowe moce wyjściowe wynoszą od 0,1 kW do kilku 100 kW. Wartość kW oznacza kilowat, przy czym 1000 watów (W) odpowiada wartości jednego kW..
- Zakres częstotliwości falownika również musi zawierać wymagane wartości. Niektóre urządzenia generują tylko częstotliwości zbliżone do standardowej wejściowej częstotliwości 50 Hz (np. od 48 do 62 Hz). Inne przetwornice pokrywają pełne spektrum od 0 Hz do 650 Hz.
- Większość przemienników częstotliwości można podłączyć do magistrali Fieldbus lub Ethernet, na przykład za pośrednictwem interfejsu Profibus. Obowiązujące protokoły napędowe zdefiniowane w normie IEC 61800-7 zapewniają, że przetwornice częstotliwości różnych producentów zachowują się w ten sam sposób w magistralach fieldbus..
- Dodatkowo do połączeń zasilania, przetwornice mogą posiadać dodatkowe wejścia i wyjścia. Za ich pośrednictwem można np. podłączyć potencjometr do ustawiania częstotliwości wyjściowej. Jednak większość nowoczesnych przetwornic częstotliwości posiada klawiaturę i wyświetlacz cyfrowy, aby zapewnić wygodną regulację podłączonego silnika. Niektóre z nich mogą być indywidualnie konfigurowane przy użyciu własnego języka programowania. Gotowy kod jest następnie wczytywany do przetwornicy za pośrednictwem innego interfejsu.
Na czym polega tryb rampy częstotliwości?
Rampa częstotliwości to tryb ustawień, w którym falownik stale zwiększa częstotliwość napięcia wyjściowego od zera do żądanej wartości. Pozwala to uniknąć szczytów nadprądowych podczas uruchamiania silnika. Hamowanie falownika również działa najlepiej z (malejącą) rampą częstotliwości..
Czy każdy silnik zgodny ze standardem IEC może być obsługiwany przez przemiennik częstotliwości?
Zasadniczo tak, ale ponieważ silniki z przetwornicami częstotliwości podlegają większym obciążeniom termicznym, w uzwojeniach należy zawsze instalować izolację fazową. Ponadto należy precyzyjnie dobrać liczbę biegunów silnika, a tym samym prędkość wirnika, aby uzyskać praktyczny zakres sterowania również pod obciążeniem.
Co to jest konwerter (obrotowy)?
W konwerterze obracające się elementy elektryczne (np. silnik elektryczny i generator) są wykorzystywane do generowania zmiennego napięcia wyjściowego. W przeciwieństwie do maszyny elektrycznej, przetwornice częstotliwości nie zawierają żadnych mechanicznie poruszających się komponentów. Przetwornica częstotliwości pełni zatem podobną funkcję do falownika, ale napięcie jest regulowane elektromechanicznie.
Jaka jest różnica między przemiennikiem częstotliwości a transformatorem?
Transformator może być również używany do wytwarzania zmiennego napięcia wyjściowego ze stałego napięcia wejściowego. Transformatory potrafią jednak zmieniać tylko amplitudę napięcia, a nie jego częstotliwość. Nie są zatem wystarczające do złożonych zastosowań prądu przemiennego i trójfazowego. Często są one jednak wykorzystywane jako element przetwornic częstotliwości, na przykład do generowania różnych poziomów napięcia.
Ile kW musi mieć przetwornica częstotliwości?
Minimalna moc przetwornicy częstotliwości zależy od mocy (kW) podłączanego silnika. Na przykład, jeśli silnik ma 1,5 kW na tabliczce znamionowej, przetwornica częstotliwości musi być w stanie obsłużyć co najmniej 1,5 kW. Aby móc zaoferować odpowiednią przetwornicę częstotliwości dla prawie każdego silnika, producenci mają w swoim portfolio modele o szerokim zakresie wartości mocy (specyfikacji kW).