1 dzień temu
Przemienniki częstotliwości – podstawy działania
Przemienniki częstotliwości to urządzenia elektryczne, które umożliwiają zmianę częstotliwości napięcia zasilania silnika elektrycznego, a tym samym jego prędkości obrotowej. Typowe rozwiązania tego typu wykorzystywane w przemyśle na wejściu otrzymują napięcie przemienne pochodzące z sieci elektroenergetycznej. Najpierw prąd elektryczny przechodzi przez mostek prostowniczy, który przekształca napięcie przemienne (AC) na stałe (DC). Następnie prąd ten jest poddawany filtracji, aby usunąć zakłócenia i wygładzić przebieg, co zapewnia stabilniejsze napięcie, które jest łatwiejsze w kontrolowaniu. Kolejnym etapem jest przetwornica DC-DC, która – o ile to konieczne w danej aplikacji – obniża lub (zdecydowanie rzadziej) podwyższa napięcie do wymaganej wartości (jest ono ponownie filtrowane). Ostatnim etapem jest mostek tranzystorowy (zwykle zbudowany na bazie tranzystorów IGBT) „falujący” napięciem (stąd nazwa „falownik”), czyli przekształcający prąd na przemienny, ale tym razem już o wymaganej charakterystyce i częstotliwości. Dzięki temu silnik może pracować z różnymi prędkościami i charakterystykami przebiegu momentu obrotowego, w zależności od wymaganej aplikacji.
W taki sposób standardowo pracują przemienniki częstotliwości, jednak należy zaznaczyć, iż w praktyce działanie współczesnych falowników jest o wiele bardziej skomplikowane. Wynika to z potrzeby kontrolowania wielu parametrów pracy silnika oraz konieczności spełniania przeróżnych norm dotyczących m.in. bezpieczeństwa, zakłóceń EMC czy efektywności energetycznej.
fot. Invertek Drives PolskaPrzemienniki częstotliwości w trudnych warunkach środowiskowych
Trudne warunki środowiskowe, w jakich często funkcjonują zakłady przemysłowe, stawiają przed urządzeniami szereg wyzwań. W wielu aplikacjach wykorzystywane przemienniki częstotliwości są narażone na wysoką wilgotność, co może prowadzić do skraplania się wody w ich wnętrzu. Wilgoć sprzyja korozji elementów elektronicznych i mechanicznych, co z kolei może wpływać na niezawodność i trwałość urządzeń. Podobnie jest w przypadku zanieczyszczenia powietrza. Chodzi tu nie tylko o kurz i pył, ale także o agresywne chemicznie substancje, które mogą wchodzić w reakcje z powierzchniami falowników. W takim środowisku urządzenia muszą być wystarczające odporne, a ich konstrukcja umożliwiać łatwe usuwanie zanieczyszczeń.
W doborze odpowiedniego rozwiązania może pomóc popularny parametr określany stopniem ochrony IP, który w prosty sposób charakteryzuje odporność obudowy na czynniki zewnętrzne. Przykładem falownika odpornego na wspomniane czynniki zewnętrzne może być Invertek Drives ODE-3-140041-3F1A (lub B), który charakteryzuje się stopniem ochrony IP66.
Oznaczenie stopnia ochrony IP
Oznaczenie stopnia ochrony IP określa norma PN-EN 60529:2003. Składa się ono z liter „IP” oraz dwóch cyfr i opcjonalnie dwóch liter, np. IP66, IP23CH. Najbardziej znaczące są cyfry, z których pierwsza oznacza:
0 – bez ochrony,
1 – ochrona przed dostępem do części niebezpiecznych wierzchem dłoni oraz ochrona przed obcymi ciałami stałymi o średnicy 50 mm i większej,
2 – ochrona przed dostępem do części niebezpiecznych palcem oraz ochrona przed obcymi ciałami stałymi o średnicy 12,5 mm i większej,
3 – ochrona przed dostępem do części niebezpiecznych narzędziem oraz ochrona przed obcymi ciałami stałymi o średnicy 2,5 mm i większej,
4 – ochrona przed dostępem do części niebezpiecznych drutem oraz ochrona przed obcymi ciałami stałymi o średnicy 1 mm i większej,
5 – ochrona przed dostępem do części niebezpiecznych drutem oraz ochrona przed pyłem,
6 – ochrona przed dostępem do części niebezpiecznych drutem oraz ochrona pyłoszczelna.
Druga cyfra oznacza:
0 – bez ochrony,
1 – ochrona przed padającymi kroplami wody,
2 – ochrona przed padającymi kroplami wody przy wychyleniu obudowy o dowolny kąt do 15° od pionu w każdą stronę,
3 – ochrona przed natryskiwaniem wodą pod dowolnym kątem do 60° od pionu z każdej strony,
4 – ochrona przed bryzgami wody z dowolnego kierunku,
5 – ochrona przed strugą wody (12,5 l/min) laną na obudowę z dowolnej strony,
6 – ochrona przed silną strugą wody (100 l/min) laną na obudowę z dowolnej strony,
7 – ochrona przed skutkami krótkotrwałego zanurzenia w wodzie (30 min na głębokość 0,15 m powyżej wierzchu obudowy lub 1 m powyżej spodu dla obudów niższych niż 0,85 m),
8 – ochrona przed skutkami ciągłego zanurzenia w wodzie (obudowa ciągle zanurzona w wodzie, w warunkach uzgodnionych między producentem i użytkownikiem, ale surowszych niż według cyfry 7),
9 – Ochrona przed zalaniem silną strugą wody pod ciśnieniem (80–100 barów i temp. 80°C) zgodnie z normą DIN 40050.
Inne trudne warunki środowiskowe, z którymi muszą się mierzyć przemienniki częstotliwości to wysoka temperatura, drgania oraz wstrząsy. Wiele procesów przemysłowych, szczególnie w przemyśle ciężkim, odbywa się w przy wysokiej temperaturze, co stanowi wyzwanie dla urządzeń elektronicznych. Nadmierne nagrzewanie może prowadzić do przegrzewania się komponentów i obniżenia ich trwałości. Podobny problem stanowią również wibracje czy wstrząsy. W niektórych zakładach przemysłowych wykorzystuje się maszyny, których działanie opiera się na generowaniu odpowiednich drgań (np. przesiewacze, polerki wibracyjne). Mogą być one przenoszone na falowniki, które często są przymocowane bezpośrednio do takich maszyn, co może prowadzić do obniżenia ich trwałości.
fot. Invertek Drives PolskaPrzemienniki częstotliwości – zastosowanie
Pomimo wspomnianych wyżej wyzwań, przemienniki częstotliwości znajdują szerokie zastosowanie w wielu branżach, w których kluczowym jest precyzyjne sterowanie silnikami elektrycznymi, np. w przemyśle:
- chemicznym i spożywczym – do kontrolowania pomp, wentylatorów, mieszalników czy taśmociągów,
- motoryzacyjnym – w systemach montażowych, tłoczniach i prasach,
- papierniczym – do obsługi walców papierniczych i pomp,
- energetycznym – do kontrolowania silników w systemach wentylacji i chłodzenia,
- górniczym – w wiertnicach i systemach transportowych,
- hutniczym – do obsługi walców i pras wytłaczających oraz do napędu przenośników i suwnic.
Ogólnie przemienniki częstotliwości wykorzystuje się wszystkich branżach, gdzie istnieje potrzeba sterowania prędkością obrotową i/lub przebiegiem charakterystyki momentu obrotowego silnika, szczególnie w trudnych warunkach środowiskowych. Ponadto, dzięki swojej wszechstronności oraz możliwości szerokiej konfiguracji oraz kontroli bieżących parametrów silnika, przemienniki częstotliwości pozwalają na optymalizację procesów produkcyjnych, zwiększenie efektywności czy poprawę niezawodności urządzeń.
fot. Invertek Drives PolskaKorzyści ze stosowanie przemienników
Kluczowymi korzyściami zapewnianymi przez przemienniki częstotliwości są optymalizacja zużycia energii oraz możliwość precyzyjnego sterowania procesami. Ich zdolność do dostosowywania prędkości obrotowej silników do aktualnych potrzeb procesu pozwala na znaczne obniżenie zużycia energii, szczególnie w przypadku, gdy pełna moc silnika nie jest potrzebna przez cały czas. W wielu procesach przemysłowych, takich jak mieszanie, tłoczenie czy dozowanie, precyzyjne sterowanie prędkością obrotową silników jest kluczowe. Przemienniki częstotliwości pozwalają na dokładną regulację, co jest istotne zwłaszcza w przemyśle spożywczym, gdzie kontrola jakości i dokładność procesów są niezbędne.
Innymi znaczącymi korzyściami jest zmniejszenie zużycia mechanicznego maszyn oraz ochrona silników przed przeciążeniami. Przemienniki częstotliwości pozwalają na płynne rozruchy i zatrzymania silników, co redukuje szokowe obciążenia mechaniczne. To z kolei przekłada się na zmniejszenie zużycia oraz poprawę żywotności zarówno silników, jak i innych elementów układu napędowego. Nowoczesne falowniki wyposażone są w zaawansowane systemy ochrony, które umożliwiają monitorowanie i ochronę silników przed przeciążeniami, wahaniami napięcia czy innymi niekorzystnymi zjawiskami, co jest istotne w trudnych warunkach przemysłowych.
Dzięki ciągłemu monitorowaniu wielu parametrów pracy silnika, przemienniki częstotliwości są w stanie ochronić obsługiwane maszyny przed poważnymi awariami. Potrafią porównywać aktualne parametry pracy z nominalnymi i odnieść różnice do zaprogramowanej maksymalnej odchyłki, która może zostać ustawiona pod konkretną aplikację. Przykładem może być sytuacja rozszczelnienia magistrali wodnej zasilanej przez pompę, którą kontroluje falownik. Rozszczelnienie spowoduje spadek ciśnienia, który wpłynie na zmianę obciążenia pompy, co zostanie zarejestrowane przez falownik. W efekcie może on autonomicznie podjąć decyzję o wyłączeniu pompy i powiadomieniu personelu, chroniąc zakład przed zalaniem. Dzięki temu koszty powstałej awarii mogą zostać znacznie ograniczone w stosunku do sytuacji, w której pompa kontynuowałaby swoją pracę, aż do do czasu manualnego jej wyłączenia przez personel.
Przykładem falownika wyposażonego we wspomnianą wyżej funkcjonalność może być Invertek Drives ODV-3-240041-3F1E-MN, przeznaczony do aplikacji HVAC.
