O falownikach prosto i zrozumiale
Przetwornice częstotliwości jeszcze 15 lat temu były bardzo drogimi i rzadko spotykanymi układami rozruchowymi, które dla większości społeczeństwa stanowiły tzw. „czarną skrzynkę”, do której należało podłączyć kable siłowe i sterownicze. Obecnie, przetwornice częstotliwości, często pospolicie nazywane falownikami, stanowią najbardziej powszechną formę rozruchu i regulacji prędkości obrotowej silników. Stale wzrastające potrzeby automatyzacji procesów przemysłowych,
wzrost tempa produkcji i jej efektywności, to główne czynniki, które miały wpływ na rozwój rynku falownikowego w Polsce i na całym świecie. Miał w tym również duży udział skok technologiczny komponentów półprzewodnikowych i ich malejąca cena. W tej chwili przetwornice częstotliwości spotkać możemy w zasadzie wszędzie: w zakładach przemysłowych, kawiarniach, oczyszczalniach ścieków, restauracjach, domach handlowych oraz domach mieszkalnych. Pierwsze układy przemienników powstały w latach sześćdziesiątych, lecz pomimo upłynięcia półwiecza od ich premiery, to podstawowe zasady pracy i schemat blokowy w ogólnym zarysie pozostały niezmienione.
Dlaczego przetwornice częstotliwości zyskały tak wielką popularność i są tak bardzo potrzebne w różnych sektorach przemysłu? Jak w przeszłości wyglądały układy rozruchowe i regulacji silników asynchronicznych, indukcyjnych i jakie były ich niedoskonałości?:
Metody regulacji prędkości:
- zmiana poślizgu, powodowana włączeniem opornika regulacyjnego, w obwód wirnika silnika pierścieniowego. Regulacja ta posiadała szereg wad: brak pełnej regulacji prędkości, duże straty energii, awaryjność i duża liczba rezystorów i elementów stykowych, duże ograniczenia dotyczące mocy i ilości rozruchów;
- zmiana liczby par biegunów silnika. Również brak pełnej regulacji (skokowa zmiana prędkości), obecność układów przełączających;
- zmiana częstotliwości zasilającej silnik (trudne do realizacji);
Metody rozruchu:
- Rozruch bezpośredni. Jedna z najbardziej powszechnych metod rozruchowych i jeden z najbardziej niepożądanych, ze względu na bardzo duży udar prądowy (typowo prąd rozruchu wynosi od 4 do 8 krotności prądu znamionowego) i problemy z tym związane (stresy mechaniczne, uderzenia wodne przy pompach, szarpnięcia transporterów, itp.);
- Rozruch Gwiazda/ Trójkąt. Również bardzo popularna metoda rozruchu. Do wad zaliczyć należy: nadal wysoki prąd startowy, niski moment startowy, awaryjność elementów stykowych, dwa razy więcej wyprowadzeń kabli. Zalety: ograniczenie prądu rozruchowego w czasie, niski koszt instalacji.
- Rozruch za pomocą softstartera. Jak sama nazwa wskazuje, softstartery są urządzeniami do łagodnego rozruchu i stopu silników elektrycznych. Nie jesteśmy w stanie, niestety, regulować za pomocą softstartera prędkości obrotowej silnika. Prąd rozruchowy, w zależności od metody startu (regulacja napięciowa, momentowa w dwóch lub trzech fazach) i ilości sterowalnych faz, wynosi od 2 do 6 krotności prądu znamionowego. Zalety: łagodne narastanie prądu (brak stresów mechanicznych, uderzeń prądowych), regulowany czas rozruchu, duży moment startowy. Wady: brak doskonałości sterowania przy softstarterach ze sterowalnymi dwoma fazami, brak regulacji prędkości.
- Rozruch za pomocą przetwornicy częstotliwości. Najlepsza z możliwych metod rozruchu silnika ze względu na: bardzo niski prąd startowy (przy odpowiedniej konfiguracji ustawień, prąd rozruchowy nie przekracza prądu znamionowego), pełna regulacja prędkości silnika, pełna ochrona i nadzór pracy silnika, kompensacja mocy biernej, oszczędność energii elektrycznej, zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych maszyn, minimalizacja awaryjności, itp.
Liczne problemy i trudności wynikające z podstawowych metod rozruchowych silników elektrycznych sprawiły i wymusiły szybki i prężny rozwój, w pierwszej kolejności tyrystorowych układów łagodnego rozruchu (softstarterów) a następnie przemienników częstotliwości. Za pomocą właśnie tych urządzeń najlepiej regulujemy, chronimy i sterujemy silnikami elektrycznymi. Typowe, standardowe przetwornice częstotliwości służą do operowania silnikami asynchronicznymi, indukcyjnymi. Spotkać jednak na rynku można przetwornice z licznymi algorytmami sterowania, przeznaczonymi dla silników synchronicznych (PMSM – silniki synchroniczne z magnesami trwałymi), reluktancyjnych czy też BLDC (bezszczotkowe silniki prądu stałego z magnesami trwałymi). Znakomita większość przemysłu, w dużej mierze skupia się nadal na silnikach indukcyjnych, ze względu na ich niską cenę. Jak łatwo można zauważyć, użytkowanie przetwornic częstotliwości niesie ze sobą wiele korzyści. Bez wątpienia jest to najlepsza metoda rozruchu silników i ich regulacji. Biorąc pod uwagę ciągłą tendencję spadkową cen przetwornic oraz liniowy wzrost ich możliwości w skali czasu, zapotrzebowanie na te urządzenia będzie w najbliższych latach ciągle wzrastać.
W każdym przemienniku częstotliwości, wyróżnić możemy cztery główne bloki składowe (patrz Rys. nr 1):
- Prostownik, czyli tzw. stopień wejściowy;
- Układ obwodu pośredniego;
- Człon falownikowy właściwy, stopień wyjsciowy;
- Układ sterowania, regulacji i nadzoru;
Rysunek 1. Schemat blokowy przetwornicy częstotliwości wraz z przebiegami napięcia.
Głównym zadaniem stopnia wejściowego przetwornicy jest wyprostowanie prądu zmiennego pobieranego z danego źródła. Tutaj należy wyszczególnić kilka konstrukcji prostownika: diodowy niesterowalny o różnej ilości pulsów (6,12,18,24 i więcej); w połowie sterowalny (diodowo – tyrystorowy) oraz w pełni sterowany, oparty na tranzystorach IGBT. Najbardziej powszechne są konstrukcje oparte na prostownikach diodowych. Są to oczywiście konstrukcje najtańsze, lecz również najbardziej wpływają na współczynnik THD (współczynnik zawartości harmonicznych). Prostownik diodowy jest obciążeniem nieliniowym, które bardzo mocno wpływa na odkształcenia prądu. By zredukować współczynnik THD do odpowiedniej wartości, należy użyć jednego z dostępnych filtrów THD: dławiki wejściowe, dławiki w obwodzie DC, filtry pasywne LCL, filtry aktywne THD. Wyprostowane napięcie pulsacyjne, na wyjściu z prostownika posiada wartość rzędu 1,35 wartości skutecznej napięcia międzyfazowego sieci . Następnie sygnał trafia do obwodu pośredniego przetwornicy, który przeważnie tworzy kondensator lub bank kondensatorów. Obwód pośredni pełni podwójną funkcję: wygładza napięcie pulsacyjne otrzymane z prostownika oraz jednocześnie magazynuje energię niezbędną do napędzania silnika. Bardzo często, w obwodzie pośrednim producenci umieszczają również dwa, bardzo ważne elementy: dławik DC oraz tranzystor (czopper) hamowania. Dławik DC to jeden ze sposobów radzenia sobie z zawartością harmonicznych. Znacznie poprawia również współczynnik mocy. Tranzystor hamowania, zaś, niezbędny jest w sytuacji, gdy wymagane jest bardzo szybkie zatrzymanie dużej bezwładności na wale silnika. W trakcie operacji hamowania, silnik przechodzi w pracę regeneratywną. Silnik staje się generatorem, który podaje energię do przetwornicy. Energia ta odkłada się na kondensatorze, który ma skończoną pojemność. Po przekroczeniu granicy napięcia na kondensatorze, przetwornica odcina się od silnika z błędem zbyt wysokiego napięcia na kondensatorze. W takim wypadku skorzystać należy z wbudowanego (lub zewnętrznego) modułu hamowania, do którego to z kolei podłącza się rezystor hamowania. Po przekroczeniu granicy naładowania, tranzystor przerzuci moc na zewnętrzny rezystor hamowania. Energia wytraci się na rezystorze w postaci ciepła a przetwornica będzie ciągle kontrolować silnik.
Za obwodem pośrednim przetwornicy, znajduje się człon właściwy falownika, który transformuje wyprostowane napięcie DC na napięcie zmienne AC o odpowiedniej amplitudzie i częstotliwości. Wprost do członu falownikowego podłączony jest silnik. Głównymi członami falownika są sterowane półprzewodniki mocy. Kiedyś były to tyrystory, później ze względu na szybszy czas przełączania, zastąpiono je tranzystorami IGBT (tranzystor bipolarny z izolowaną bramką). Praca półprzewodników jest dwustanowa, stąd często określenie „klucz tranzystorowy”. Częstotliwość przełączania tranzystorów sięga 20 KHz (20 000,00 zmian na sekundę!). Półprzewodniki przełączane są za pomocą sygnałów sterowania, generowanych w układzie sterowania przetwornicy. Sygnały sterujące mogą być generowane wedle różnych algorytmów i metod. Obecnie najbardziej spotykaną metodą jest modulacja PWM (modulacja szerokości impulsów). Metoda ta polega na określeniu przez obwód sterowania czasu trwania okresów załączania i wyłączania odpowiednich par tranzystorów. Trzy gałęzie falownika (po dwa tranzystory na gałąź)generują osiem możliwych kombinacji otwarcia/zamknięcia zaworów półprzewodnikowych. W ten sposób powstaje osiem różnych wektorów napięcia na wyjściach falownika (patrz Rysunek nr 2). Pozostałe wektory pośrednie, otrzymuje się poprzez załączanie (sumowanie) wybranych wektorów głównych, przez odpowiednie czasy.
Rysunek nr 2. Generacja wektorów napięcia na wyjściu falownika.
W zależności od częstotliwości kluczowania zaworów półprzewodnikowych, na wyjściu falownika pojawia się sinusoida o mniej lub bardziej łagodnym kształcie (patrz rysunek nr 3). Przeważnie użytkownik ma możliwość ustawienia odpowiedniej częstotliwości nośnej w samym urządzeniu. Ustawiając częstotliwość nośną za wysoko na półprzewodnikach wydzieli się zbyt dużo ciepła i co wiąże się ze stratą mocy przetwornicy (producenci przeważnie podają wykresy zależności częstotliwości nośnej od mocy w instrukcjach obsługi), gdy ustawiona wartość jest zbyt niska silnik może zacząć hałasować.
Rysunek nr 3. Częstotliwość kluczowania a sinusoida wyjściowa falownika.
Każda, obecnie produkowana przetwornica częstotliwości posiada możliwość sterowania zarówno skalarnego jak i wektorowego. Sterowanie skalarne, często nazywane sterowaniem U/f (czytaj U do f) jest najprostszym trybem sterowania silnika, które nie zmieniło się od lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Tryb skalarny bazuje na stałym stosunku napięcia do częstotliwości. Nie wchodząc zbytnio w szczegóły i wyższą matematykę, stały stosunek napięcia do częstotliwości zapewnia wytworzenie znamionowego strumienia magnetycznego w silniku. Co za tym idzie, możliwy jest do osiągnięcia maksymalny moment. Niestety sterowanie skalarne ma swoje minusy. Przy niskich częstotliwościach moment jest bardzo niski i często zbyt mały by móc operować z dużymi bezwładnościami. Dlatego sterowanie skalarne używa się przeważnie dla obciążeń zmiennomomentowych, jak pompy czy wentylatory. Gdy występuje potrzeba operowania z obciążeniami stałomomentowymi, lub dużymi inercjami, które wymagają dużego momentu startowego, należy wybrać sterowanie wektorowe (opisane wyżej jako modulacja PWM ze sterowaniem wektora napięcia). Sterowanie wektorowe jest bardziej wyrafinowane. Często, by w ogóle skorzystać z tej metody sterowania, należy w pierwszej kolejności podać wszelkie dane znamionowe silnika, takie jak: prąd, napięcie, moc, ilość obrotów, ilość biegunów, poślizg, współczynnik mocy. Następnie przetwornica wykonuje operacje tzw. autotuningu silnika, czyli estymuje, wylicza pozostałe dane silnika w sposób automatyczny z i bez rotacji silnika (rezystancja i induktacja uzwojeń, stała czasowa rotora i wiele innych). Przy sterowaniu wektorowym, przetwornica korzysta z modelu matematycznego silnika, zaimplementowanego w procesorze sygnałowym. Dlatego tak ważne jest by zawsze zapisywać w przetwornicy wszelkie dane silnika (im więcej i dokładniej tym lepsza kontrola silnika) i okresowo przeprowadzać operację autotuningu (parametry silnika zmieniają się z upływem czasu i wraz ze zmianą warunków środowiskowych).
