Technika napędowa – dobór mocy do falowników

 

Przed wyborem falownika do konkretnego napędu elektrycznego należy uwzględnić przynajmniej kilka czynników. Przede wszystkim trzeba odczytać z tabliczki znamionowej dane techniczne dotyczące silnika. Chodzi o obroty silnika, pobór prądu, konfigurację uzwojenia (napięcie), napięcie zasilające oraz częstotliwość zasilania.

Kluczową rolę odgrywa rodzaj aplikacji, w jakiej falownik będzie pracował, bowiem warunkuje to rodzaj sterowania. Falownik skalarny sprawdzi się zwłaszcza w aplikacjach obejmujących napędy chłodnicy, systemy transportowe, a także pompy i wentylatory. Jeżeli jednak napęd wymaga odporności na przeciążalność i wysoki moment rozruchowy, należy zastosować przemiennik wektorowy. W takich aplikacjach ważna jest bowiem szybka reakcja dynamiczna momentu obrotowego, skuteczne działanie przy niskich obrotach oraz zaawansowane możliwości w zakresie autoregulacji. Są to głównie napędy maszyn, maszyny o ciężkich rozruchach, obrotnice, a także napędy pił, frezów i głowic oraz napędy posuwów i wrzeciona wiertarskie i frezarskie.

Jako najważniejszy parametr silnika elektrycznego należy wymienić prąd przy znamionowym napięciu. Silniki mogą mieć również podane dwa różne napięcia i dwa różne prądy znamionowe. Wynika to z możliwości łączenia uzwojeń silnika w trójkąt lub w gwiazdę. Należy pamiętać, że w tylnej części silnika znajduje się przewietrznik zamontowany na wale silnika, a co za tym idzie – obracający się zgodnie z obrotami wału zdawczego. W efekcie zasilając silnik za pomocą falownika, zmniejszają się obroty oraz wydajność chłodzenia silnika. Tym sposobem niejednokrotnie zastosowanie znajdują silniki z obcym chłodzeniem. Chłodzenie tego typu powinno być zastosowane, jeżeli silnik będzie pracował na częstotliwości nieprzekraczającej 35 Hz. Istotne jest jednak, że wraz ze spadkiem obrotów zmniejsza się również moc silnika.

Metody otrzymywania napięcia wyjściowego

Biorąc pod uwagę układ wytwarzający sygnały kształtujące przebiegi wyjściowe, wyróżnia się metody otrzymywania napięcia wyjściowego. W przypadku falowników ze źródłem prądowym CSI źródłem energii wejściowej jest dławik. Tym sposobem prąd wyjściowy stanowi ciąg impulsów prostokątnych o regulowanej szerokości. Napięcie wyjściowe dla obciążenia rezystancyjno-indukcyjnego jest quasi-sinusoidalne. W falownikach prądowych zastosowanie znajdują tyrystory SCR oraz elementy w pełni sterowalne. Należy podkreślić, że falowniki tego typu mają wąskie spektrum zastosowania, bowiem obejmuje ono jedynie pewną grupę napędów elektrycznych średniej mocy.

W napięciowych przetwornicach częstotliwości (VSI) źródłem energii wejściowej jest naładowany kondensator. Tyn sposobem napięcie wyjściowe stanowi ciąg impulsów prostokątnych o regulowanej szerokości. Prąd wyjściowy w przypadku obciążenia typu RL ma kształt quasi-sinusoidalny. W takich falownikach uwzględnia się urządzenia energoelektroniczne całkowicie sterowalne.

Nowoczesne falowniki bazują na modulacji szerokości impulsu PWM (Pulse Width Modulation). Metoda ta jest oparta na regulowaniu sygnału prądowego lub napięciowego o stałej amplitudzie i częstotliwości. Odbywa się to poprzez zmianę wypełnienia sygnału. Układ PWM zasila urządzenie bezpośrednio za pomocą filtra dolnoprzepustowego, który wygładza zmiany napięcia i natężenia prądu elektrycznego.

Modulacja szerokości impulsu najczęściej realizuje przełączenie tranzystorów lub tyrystorów pomiędzy stanem przewodzenia a stanem zaporowym. W stanie zaporowym praktycznie nie ma przepływu prądu, a więc nie występują straty mocy. Z kolei przy stanie przewodzenia następuje niewielki spadek napięcia w układzie sterującym. Jest on jednak minimalny w stosunku do mocy przekazywanej, co gwarantuje największą sprawność energetyczną układu regulacyjnego. Zasilanie w oparciu metodę PWM zapewnia dużą dokładność i łatwe sterowanie urządzeniem. Długości impulsów w tej metodzie oblicza się lub wykonuje to mikroprocesor. Mogą być one również otrzymywane analogowo w efekcie porównywania sygnału modulowanego (np. sinusoidy) z sygnałem modulującym o większej częstotliwości, którym może być np. przebieg piłokształtny. Porównanie odbywa się w komparatorze z wyjściem używanym do sterowania odpowiednimi elementami przełączającymi.

Funkcje sterowania

Na etapie wyboru przetwornicy częstotliwości trzeba wziąć pod uwagę odpowiednie funkcje sterowania. Ważne są więc metody sterowania (np. PWM fali sinusoidalnej, sterowanie wektorem prądu w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, sterowanie U/f), zakres częstotliwości wyjściowej (np. 0,1–400 Hz) oraz tolerancja częstotliwości. Kluczową rolę odgrywa rozdzielczość częstotliwości zadanej. Wartości te mogą być zadawane cyfrowo lub analogowo. Nie mniej ważna jest również rozdzielczość częstotliwości wyjściowej. Na etapie wyboru falownika trzeba wziąć pod uwagę tolerancję przeciążenia, która np. może wynosić 150% wyjściowego prądu znamionowego przez 1 minutę. Ważna jest zadawana wartość częstotliwości. W tym przypadku do dyspozycji mogą być np. interfejsy analogowe 0–10 V, 4–20 mA, 0–20 mA. Sterowanie może odbywać się również za pomocą cyfrowych standardów komunikacyjnych, np. Modbus. Wraz z rozwojem falowników należy mieć na uwadze komunikację opartą o sieć Ethernet. Na rynku dostępne są falowniki, które mogą pełnić funkcję mastera sieci CanOpen. Tym sposobem jest możliwe odgrywanie przez przetwornice częstotliwości roli głównego sterownika układu automatyki. W zakresie funkcji sterowania należy uwzględnić moment obrotowy hamowania oraz charakterystykę U/f.

W razie potrzeby warto zadbać o urządzenia, które można łatwo rozbudować. Stąd też przydatne rozwiązanie stanowi możliwość zastosowania dodatkowych rozszerzeń obejmujących np. dodatkowe wejścia/wyjścia binarne i analogowe, kartę do współpracy z enkoderami oraz dodatkową sieć przemysłową.

Dla zapewnienia komfortowej obsługi falownika zastosowanie znajdują wyświetlacze w postaci programowalnych paneli LCD. Na takim ekranie projektuje się interfejs używany przez końcowego użytkownika. Jest przy tym możliwe ograniczenie dostępu do wybranych parametrów.

Szereg falowników oferuje się z myślą o pracy w konkretnych aplikach. Na przykład nabyć można specjalne falowniki przeznaczone do napędów wind. Falowniki tego typu obsługują pełną sekwencję windy z regulacją statyczną wysokiej dokładności i automatyczną regulacją obrotów. Ważna jest przy tym możliwość sterowania silnikami indukcyjnymi i synchronicznymi oraz opcja podwójnego enkodera. Warto zwrócić uwagę na funkcję automatycznej nauki położenia pięter (maksymalnie 40). Przewiduje się przy tym parametry typowe dla wind (Hz, m/s, obr./min). Kluczową rolę odgrywa sterowanie wektorem prądu lub bez PG. Istotny jest wysoki początkowy moment obrotowy.

Funkcjonalność

Funkcje standardowe falownika zależą od jego możliwości i przeznaczenia. Może to być np. sterowanie wektorowe w otwartej pętli, automatyczne wzmacnianie momentu w pełnym zakresie, kompensacja poślizgu, regulacja prędkości, a także ponowny rozruch po chwilowym zaniku zasilania. Oprócz tego warto zwrócić uwagę na dodawanie składowej stałej prądu przy zatrzymaniu/rozruchu, skalowanie częstotliwości zadanej, automatyczne kasowanie błędu, wyszukiwanie prędkości, zadawanie górnego i dolnego limitu częstotliwości oraz wykrywanie nadmiernego momentu obrotowego. Ważne jest pomijanie częstotliwości, przełączanie czasu przyspieszania/hamowania i zablokowanie zmiany czasu przyspieszenia/hamowania. Trzeba zwrócić uwagę na przyspieszanie/hamowanie według krzywej S, regulację PID oraz kopiowanie stałych i sterowanie z funkcją oszczędzania energii. W niektórych falownikach zastosowano funkcję bezpiecznego wyłączania momentu silnika i monitorowania prędkości bezpiecznej. Tym sposobem zyskuje się możliwość dostosowania do poziomu bezpieczeństwa przyjętego przez użytkownika.

W niektórych falownikach zastosowano tzw. tryb pozycyjny. Podczas pracy w tym trybie z poziomu tradycyjnego sterowania prędkością silnika można sterować pozycją poprzez uzyskanie informacji o rzeczywistej pozycji za pomocą kart enkoderowych. Jest to więc zbliżenie funkcjonalności falowników do serwonapędów. Korzyści ekonomiczne są widoczne zwłaszcza przy dużych mocach napędów. Poza tradycyjnymi silnikami asynchronicznymi jest możliwa praca z silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi. Stanowi to optymalne rozwiązanie dla poprawy parametrów ruchowych.

Funkcje zabezpieczeń i warunki otoczenia

W zakresie funkcji zabezpieczeń ważne jest zabezpieczenie przeciwprzeciążeniowe silnika. Zazwyczaj realizuje się je poprzez elektroniczny przekaźnik termiczny. Kluczową rolę odgrywa reakcja falownika na przeciążenie, przepięcie, niepełne napięcie, chwilowy zanik zasilania oraz przegrzanie radiatora chłodzącego. Istotna jest skuteczność zapobiegania blokowaniu się silnika i odporność na błędy uziemienia.

Pamiętać należy o dopasowaniu falownika do środowiska, w jakim będzie on pracował. Ważną rolę odgrywa zatem stopień ochrony, sposób chłodzenia, wilgotność otoczenia, odporność na drgania, a także wymiary.

Wybór rezystorów hamowania

Podczas hamowania napędu odbywa się praca generatorowa. Silnik zatem przekazuje energię do obwodu pośredniego regulatora. W efekcie dochodzi do wzrostu napięcia, a jeżeli przekroczy ono wartość dopuszczalną, następuje zablokowanie impulsów przez regulator i zgłoszenie stanu przepięcia. W momencie, gdy napięcie w obwodzie pośrednim osiągnie wartość dopuszczalną, zostaną automatycznie odblokowane impulsy przez regulator. Do przepięć tego typu dochodzi, gdy wyhamowywania są duże lub czasy wybiegu są krótkie. W celu wyeliminowania przepięć podczas hamowania zastosowanie znajduje czoper hamowania bazujący na tranzystorze hamowania umieszczonym w urządzeniu oraz rezystor hamowania podłączany do odpowiednich zacisków. Stąd też wraz z pojawieniem się w obwodzie pośrednim napięcia o określonej wartości zostaje wysterowany wewnętrzny tranzystor hamowania, przez co do obwodu pośredniego zostaje podłączony rezystor hamowania. Energia hamowania jest więc zamieniona na ciepło, a napięcie nie wzrasta ponad dopuszczalną wartość.

Rezystory współpracujące z falownikiem zazwyczaj wykonuje się w postaci drutowej. Niejednokrotnie zastosowanie znajdują konstrukcje rezystorów oparte na wałku wsporczym z uzwojeniem drutowym z pokryciem za pomocą warstwy specjalnego cementu. Ma on zapewnić ochronę przewodu oporowego. Obudowa jest wykonana ze stalowej blachy ocynkowanej.

 

Podsumowanie

Zwraca się uwagę, że wraz z miniaturyzacją elektroniki i stosowania coraz szybszych procesorów zwiększają się możliwości obliczeniowe. Tym sposobem niejednokrotnie w falownikach integrowane są funkcje sterujące i kontrolne. Bardzo często dobierany jest falownik zaprojektowany z myślą o pracy w konkretnej aplikacji.

Jeżeli nie jest możliwe odczytanie parametrów z tabliczki znamionowej silnika elektrycznego, konieczny jest pomiar prądu pobieranego przez silnik. Kluczową rolę odgrywa informacja na temat konfiguracji uzwojeń silnika. W aplikacjach, gdzie nie ma dużych przeciążeń, uwzględniane są falowniki o prądzie nieprzekraczającym 120% wartości znamionowej. Większość aplikacji bazuje na falownikach o przeciążalności wynoszącej 140–150%. Z kolei w aplikacjach, gdzie mogą wystąpić duże przeciążenia i ciężkie rozruchy, zastosowanie znajdują przemienniki z przeciążalnością.

 

Damian Żabicki

Oferta: automatyka magazynowa, case study, centrum logistyczne, dystrybucja, logistyka, magazyn, magazynier, operator logistyczny, palety, regały, studia przypadków, system wms, wózek widłowy, wózki widłowe

Background Image

Header Color

:

Content Color

:

Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług zgodnie z Polityką prywatności. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do cookie w Twojej przeglądarce lub w konfiguracji usługi. Polityka prywatności.