Pięć kroków przy doborze przetwornicy częstotliwości
Przemiennik częstotliwości jest układem elektronicznym, który pozwala na płynną regulację prędkości obrotowej trójfazowych silników prądu przemiennego, poprzez zmianę częstotliwości napięcia zasilania.
Od czasów pierwszych przetwornic, zbudowanych w oparciu o tyrystory, do dnia dzisiejszego, minęło wiele lat oraz wiele zmian konstrukcyjnych, lecz główna zasada działania pozostała ta sama. Zmiany podyktowane są ciągłym wzrostem automatyzacji w przemyśle. Procesy produkcyjne są ciągle udoskonalane i dąży się do osiągnięcia jak największej efektywności, niezawodności oraz jakości. W dzisiejszych czasach większości z nas przemienniki częstotliwości nie są obce. Postępująca miniaturyzacja, rozwój układów półprzewodnikowych oraz coraz szersze zastosowanie przemienników częstotliwości sprawia, że spotkać je możemy w zasadzie w każdej gałęzi przemysłu i nie tylko. Wszyscy kojarzymy pojęcie przemiennika, potrafimy też mniej więcej go obsłużyć, lecz podstawowym kryterium, decydującym o poprawności działania układu napędowego, jest odpowiedni dobór urządzenia.
Przemienniki częstotliwości są podstawowym elementem stosowanym we wszystkich zautomatyzowanych procesach występujących w przemyśle. Płynna regulacja prędkości to jeden z głównych wymogów stawianych tym urządzeniom, lecz oprócz tego, wyróżnić należy co najmniej kilka innych korzyści: oszczędność energii elektrycznej, optymalizacja procesów, płynna praca urządzeń, mniejsze koszta eksploatacji. Jednakże o wszystkich tych aspektach decyduje prawidłowy dobór urządzenia do danej aplikacji napędowej. Odpowiedni dobór pozwala na czerpanie wielu korzyści z faktu pracy przemiennika, zły dobór odnieść może wręcz odwrotny skutek – wadliwą pracę urządzenia, nieprawidłową regulację, przestoje, awarie, usterki.
Gdy rozważamy dobór przemiennika częstotliwości, pod uwagę musimy wziąć wiele czynników oraz zmiennych. Podążajmy za pięcioma następującymi krokami:
Krok nr 1 – jaki charakter obciążenia ma silnik elektryczny?
Bardzo istotne jest określenie jak wygląda charakterystyka momentu (moment – siła wytwarzana na wale silnika) w funkcji prędkości dla danej maszyny? Ogólnie wyróżniamy dwa rodzaje takich obciążeń: zmienno i stałomomentowe. Należy rozważyć która z dwóch najczęściej występujących charakterystyk obciążenia jest w danym przypadku. Obciążenia zmiennomomentowe, to takie, w których charakterystyka momentu zmienia się w funkcji prędkości. Do takich obciążeń zaliczamy napędy pomp i wentylatorów, dla których charakterystyka momentu jest w kwadracie z prędkością (M~1/f2). Kiedy prędkość pomp odśrodkowych i wentylatorów wzrasta, pobierana moc z sieci wzrasta aż w trzeciej potędze. Dlatego największe oszczędności energii uzyskać można właśnie regulując prędkość pompy czy wentylatora. Podczas normalnej pracy pomp i wentylatorów prędkość jest regulowana w zakresie 50-90% prędkości znamionowej. Obciążenie wzrasta w kwadracie prędkości i kształtuje się na poziomie 30%-80%. Z tego właśnie powodu pompy i wentylatory są przeważnie niedociążone i można dla nich dobierać przemienniki wedle, tzw. dual ratingu (przykład z oferty LSIS Aniro: przemiennik serii IS7 o mocy 0,75KW może być użyty do pompy lub wentylatora o mocy 1,5KW – dobór o typoszereg niżej, aniżeli wskazuje na to tabliczka znamionowa silnika). Dla obciążeń zmiennomomentowych, wymaga się przeważnie przeciążenia nie większego niż 120% In przez okres 60 sekund (niedociążone).
Obciążenia stałomomentowe, to takie, dla których wartość momentu pozostaje stała w czasie. Jeżeli obciążenie silnika jest stałe, silnik musi być zdolny do wytworzenia większego momentu, niż moment obciążający. Nadwyżka momentu zużywana jest do zapewnienia odpowiedniego rozpędzenia wału silnika. Przemiennik dla takowego obciążenia powinien być zdolny do wygenerowania 60% nadmiarowego momentu względem obciążenia, co umożliwia swobodną kontrolę podczas nagłych zmian obciążenia. Przeciążalność przemiennika dla takich obciążeń wynosi przeważnie 150% In przez okres 60 sekund. Do obciążeń stałomomentowych, zaliczyć można: długie przenośniki taśmowe, rębaki, walcarki, młyny, mieszalniki, kruszarki, itd. Obciążenia stałomomentowe są bardziej wymagające i niejednokrotnie, w przeciwieństwie, do obciążeń zmiennomomentowych, dobiera się przemiennik typoszereg wyżej, aniżeli wskazuje na to tabliczka znamionowa silnika.
Gdy charakterystyka obciążenia jest już znana, przejść należy do kroku numer dwa – tabliczki znamionowej silnika.
Krok nr 2 – wielkości elektryczne opisujące silnik?
Krytycznie ważnym czynnikiem przy doborze przemiennika jest charakterystyka elektryczna napędzanego silnika. Zawsze należy skonfrontować dane przemiennika z danymi, znajdującymi się na tabliczce znamionowej silnika. Dobór przemiennika może odbywać się na podstawie prądu znamionowego silnika (nigdy nie mocy) lub mocy pozornej pobieranej przez silnik (nie mocy czynnej). Na jakie parametry należy zwrócić uwagę? Przede wszystkim sprawdzamy prąd znamionowy silnika oraz jego napięcie zasilania. Silniki przeważnie produkowane są w taki sposób, że użytkownik ma do wyboru dwa standardy zasilania, zależne od połączeń wewnętrznych stojana (połączenie w gwiazdę i trójkąt). I tak, silniki do mocy około 4 KW produkowane są w taki sposób, iż połączone w trójkąt pracują na napięcie 3x230VAC, połączone w gwiazdę zaś, na napięcie 3x400VAC. W tym momencie użytkownik musi zdecydować w jaki sposób chce połączyć silnik, gdyż od tego zależy jaki typ przemiennika należy użyć (jednofazowy lub trójfazowy). Po tym procesie wiemy już jaki charakter obciążenia posiadamy, oraz mamy dane na temat napięcia silnika oraz jego prądu znamionowego.
Krok nr 3 – Jaka jest/ma być dynamika układu (start i stop)?
Czy nasza aplikacja napędowa wymaga bardzo dużej dynamiki? Czy występuje częste i nagłe kontrolowane hamowanie silnika? Czy wymagana jest nagła zmiana prędkości przy dużym obciążeniu? Pracy z dużymi inercjami? Jeżeli tak, nasz przemiennik powinien być wyposażony w odpowiednie układy hamujące lub regeneratywne. W aplikacjach, gdzie bardzo często dokonywane jest hamowanie, wskazane jest użycie przemiennika z możliwością regeneracji, czyli zwrotu energii elektrycznej z powrotem do sieci. Podczas hamowania silnik staje się generatorem i energia wraca do przemiennika częstotliwości. Konieczne jest odebranie tej energii za pomocą modułu hamującego i rezystora hamującego lub przesył energii do sieci elektrycznej. Należy juz na tym etapie określić czy przemiennik powinien być wyposażony w moduł hamujący i rezystor czy może wymagamy modułu regeneratywnego. Przeważnie w aplikacjach , gdzie wymagany jest szybki i kontrolowany stop lub podczas pracy z wymagającymi inercjami (wentylator z dużymi łopatkami) zachodzi potrzeba użycia odpowiedniego układu wspomagającego hamowanie.
Krok nr 4 – Miejsce instalacji, warunki środowiskowe?
Po wykonaniu jakże szerokiego wywiadu dotyczącego naszej aplikacji oraz silnika, nastał czas by zastanowić się nad miejscem instalacji. Jest to dosyć ważne z co najmniej kilku powodów: jaki stopień IP powinno posiadać urządzenie? Czy jest narażone na wilgoć? Zapylenie? Drgania? Jaka panuje temperatura otoczenia? Czy miejsce instalacji jest środowisko przemysłowe czy mieszkalne? W przemyśle spożywczym wymaga się stopnia IP 66 ze względu na częste mycie urządzeń po skończonej produkcji. Jeżeli urządzenie ma być zamontowane w szafie sterowniczej, która już posiada odpowiedni stopień IP, nie ma potrzeby przepłacać za zwiększony stopień ochrony obudowy – wystarczy zwykłe, typowe IP20. W zależności od miejsca instalacji, nasz przemiennik powinien być wyposażony również w odpowiedniej klasy filtr EMC. Dla środowiska mieszkalnego restrykcje są większe i filtr powinien mieć klasę C2. Dla środowiska przemysłowego, klasy C3. Najlepiej zaopatrywać się w przemienniki z wbudowanym filtrem EMC oraz dławikiem w obwodzie DC (mniejsza generacja zakłóceń, mniejsze odkształcenia prądu, lepszy współczynnik mocy).
Krok nr 5 – Niezbędne akcesoria, filtry, dławiki, karty opcyjne, komunikacja?
Na samym końcu należy zadać sobie pytanie o niezbędne akcesoria dodatkowe, takie jak: dławiki wejściowo/wyjściowe, liczne karty opcyjne rozszerzeń (dodatkowe wejścia/wyjścia, wejście safe stop, PTC, awaryjne zasilanie, karta PLC), lub karty komunikacyjne (profibus, modbus, ethernet, profinet, ethercat).
Poprawna analiza układu napędowego, silnika oraz miejsca instalacji gwarantuje dobór prawidłowego przemiennika częstotliwości. Opisane wyżej pięć kroków przy doborze przemiennika pozwala na bezawaryjną i długotrwałą pracę naszego układu napędowego. Należy pamiętać, że źle lub nieprawidłowo dobrany przemiennik częstotliwości, może wyrządzić więcej szkody niż pożytku.
