Dobór przetwornicy częstotliwości w pięciu krokach

Udostępnij:

Postępująca miniaturyzacja, rozwój układów półprzewodnikowych i coraz szersze zastosowanie przemienników częstotliwości sprawiają, że spotyka się je w zasadzie w każdej gałęzi przemysłu. Podstawowym kryterium decydującym o poprawności działania układu napędowego jest odpowiedni dobór urządzenia.

Przemiennik częstotliwości (tzw. falownik) to układ elektroniczny, który pozwala na płynną regulację prędkości obrotowej trójfazowych silników prądu przemiennego poprzez zmianę częstotliwości napięcia zasilania. Od czasów pierwszych przetwornic, zbudowanych na bazie tyrystorów, minęło wiele lat i wprowadzono wiele zmian konstrukcyjnych, lecz główna zasada działania pozostała ta sama. W związku ze wzrostem automatyzacji w przemyśle i udoskonalaniem procesów produkcyjnych dąży się do jak największej ich efektywności i niezawodności. We wszystkich zautomatyzowanych procesach przemysłowych podstawowym elementem są przemienniki częstotliwości – płynna regulacja prędkości pozwala bowiem na oszczędność energii elektrycznej, płynną pracę urządzeń czy zmniejszenie kosztu ich eksploatacji.

Kluczową sprawą jest dobór urządzenia do danej aplikacji napędowej, uwzględniający wiele czynników i zmiennych. Prawidłowy dobór pozwala czerpać korzyści z pracy przemiennika, zły może przynieść odwrotny skutek: wadliwą pracę urządzenia, nieprawidłową regulację, przestoje, awarie i usterki.

 


Krok 1: Charakter obciążenia silnika elektrycznego

Istotne jest określenie, jak wygląda charakterystyka momentu (tj. siły wytwarzanej na wale silnika) w funkcji prędkości dla danej maszyny. Zasadniczo wyróżnia się dwa rodzaje takich obciążeń: zmienno- i stałomomentowe. Należy rozważyć, która z tych dwóch najczęściej występujących charakterystyk obciążenia występuje w danym przypadku.

Obciążenia zmiennomomentowe to takie, w których charakterystyka momentu zmienia się w funkcji prędkości. Zalicza się do nich 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 poprzez regulację prędkości pompy lub 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 według tzw. dual ratingu (np. przemiennik serii IS7 o mocy 0,75 KW z oferty LSIS firmy ANIRO może być użyty do pompy lub wentylatora o mocy 1,5 KW; dobiera się o typoszereg niżej, niż wskazuje tabliczka znamionowa silnika). Dla obciążeń zmiennomomentowych wymaga się przeważnie przeciążenia nie większego niż 120% In przez okres 60 sekund (niedociążone).


TOP w kategorii




Obciążenia stałomomentowe to takie, dla których wartość momentu pozostaje stała w czasie. Jeżeli obciążenie silnika jest stałe, musi on być zdolny do wytworzenia większego momentu niż moment obciążający. Nadwyżka momentu zużywana jest do zapewnienia odpowiedniego rozpędzenia wału silnika. Przemiennik dla takiego 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.

Obciążenia stałomomentowe występują w długich przenośnikach taśmowych, rębakach, walcarkach, młynach, mieszalnikach, kru szarkach itd. Są bardziej wymagające, dlatego – w przeciwieństwie do obciążeń zmiennomomentowych – dobiera się przemiennik o typoszereg wyżej, niż wskazuje tabliczka znamionowa silnika.

Gdy charakterystyka obciążenia jest już znana, można przejść do kroku drugiego.

 

Krok 2: Wielkości elektryczne opisujące silnik

Kluczowym czynnikiem przy doborze przemiennika jest charakterystyka elektryczna napędzanego silnika. Dane przemiennika zawsze należy skonfrontować z danymi znajdującymi się na tabliczce znamionowej silnika. Falownik można dobierać na podstawie prądu znamionowego silnika (nigdy nie na podstawie mocy) albo mocy pozornej pobieranej przez silnik (nie mocy czynnej).

Przede wszystkim należy sprawdzić prąd znamionowy silnika i jego napięcie zasilania. Przeważnie użytkownik ma tu do wyboru dwa standardy zasilania, zależne od połączeń wewnętrznych stojana: połączenie w gwiazdę i trójkąt. Silniki do mocy ok. 4 KW produkowane są w taki sposób, że połączone w trójkąt pracują na napięcie 3 × 230 VAC, a połączone w gwiazdę – na napięcie 3 × 400 VAC. Użytkownik musi więc zdecydować, w jaki sposób chce połączyć silnik, bo od tego zależy, jakiego typu przemiennika użyje (jednofazowego czy trójfazowego).

Po tej analizie wiadomo już, jaki charakter obciążenia mamy oraz jakie jest napięcie silnika i jego prąd znamionowy.

 

Krok 3: Dynamika układu (start i stop)

Następnie należy sobie odpowiedzieć na pytania, 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 i praca z dużymi inercjami. Jeżeli tak, dobierany przemiennik powinien być wyposażony w odpowiednie układy hamujące lub regeneratywne. W zastosowaniach, w których bardzo często następuje hamowanie, wskazane jest użycie przemiennika z możliwością regeneracji, czyli zwrotu energii elektrycznej 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. Na tym etapie należy więc określić, czy przemiennik powinien być wyposażony w moduł hamujący i rezystor, czy też może wymagany jest moduł regeneratywny. Przeważnie w aplikacjach wymagających szybkiego i kontrolowanego zatrzymywania lub podczas pracy przy dużej inercji (wentylator z dużymi łopatkami) należy użyć odpowiedniego układu wspomagającego hamowanie.

 

Krok 4: Miejsce instalacji, warunki środowiskowe

Po analizie dotyczącej silnika i jego zastosowań należy zastanowić się nad miejscem instalacji: jaki stopień IP (ang. Ingress Protection) powinno posiadać urządzenie, czy będzie narażone na wilgoć, zapylenie i drgania, jaka będzie temperatura otoczenia, czy ma być zainstalowane w środowisku przemysłowym czy innym. W przemyśle spożywczym wymaga się stopnia IP66 ze względu na częste mycie urządzeń po skończonej produkcji.

Jeżeli urządzenie ma być zamontowane w szafie sterowniczej o odpowiednim stopniu IP, nie ma potrzeby przepłacania za zwiększony stopień ochrony obudowy – wystarczy typowe IP20.

W zależności od miejsca instalacji przemiennik powinien być wyposażony również w odpowiedniej klasy filtr EMC. Dla środowiska przemysłowego powinien mieć klasę C3. Najlepiej zaopatrywać się w przemienniki z wbudowanym filtrem EMC i dławikiem w obwodzie DC (mniejsza generacja zakłóceń, mniejsze odkształcenia prądu, lepszy współczynnik mocy).

 

Krok 5: Akcesoria, filtry, dławiki, karty opcjonalne, komunikacja

Na samym końcu należy zadać sobie pytanie o niezbędne akcesoria dodatkowe, takie jak: dławiki wejściowe/wyjściowe, liczne opcjonalne karty 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 i miejsca instalacji gwarantuje dobór prawidłowego przemiennika częstotliwości. Opisane pięć kroków doboru przemiennika pozwala na bezawaryjną i długotrwałą pracę układu napędowego. Zawsze należy pamiętać, że źle lub nieprawidłowo dobrany przemiennik częstotliwości może wyrządzić więcej szkody niż pożytku.

Udostępnij:

Drukuj





MM



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również