CO TO JEST PRZETWORNICA CZĘSTOTLIWOŚCI?

Przetwornica częstotliwości to urządzenie bezpośrednio związane z pracą silnika elektrycznego. Przetwornica częstotliwości składa się w uproszczeniu z następujących podzespołów: prostownika, układu pośredniego (filtr) oraz z falownika DC/AC (stopień końcowy).

Schemat budowy przetwornicy częstotliwości

Napięcie zasilania przetwornicy (jedno lub trójfazowe AC) podłączane jest na wejściu do prostownika, natomiast na wyjściu prostownika napięcie jest generowane jako stałe pulsacyjne (wyprostowane). W stopniu pośrednim (filtr) napięcie wyprostowane jest zamieniane na prąd stały. W stopniu końcowym znajduje się falownik (czyli układ DC/AC), w którym generowana i kształtowana jest częstotliwość napięcia zasilającego silnik. Wygenerowane napięcie na wyjściu przetwornicy steruje prędkością obrotową silników indukcyjnych.

Przetwornice częstotliwości (falowniki) są tak popularne, gdyż ich stosowania posiada wiele zalet, z których najważniejsze to:
• płynna regulacja prędkości obrotowej silnika, w zależności od potrzeb technologicznych
• oszczędność energii w układach o zmiennej wydajności
• elektroniczne termiczne zabezpieczenie silnika
• zmiana kierunku obrotów silnika bez konieczności użycia styczników
• funkcje łagodnego rozruchu (soft-start) i łagodnego zatrzymania (soft-stop)

Ze względu na algorytm sterowania silnikiem rozróżniamy sterowanie skalarne (U/f), oraz sterowanie wektorowe (sterowanie wektorem strumienia).

Wykres charakterystyki pracy przetwornicy skalarnej

PRZETWORNICE SKALARNE

Przetwornice częstotliwości, które sterują silnikiem indukcyjnym w oparciu o algorytm U/f=const. (charakterystyka liniowa) lub U/f2 (charakterystyka kwadratowa) określane są przetwornicami skalarnymi. Algorytm U/f jest zależnością częstotliwości wyjściowej i napięcia wyjściowego. Jest to najprostsza metoda płynnej regulacji prędkości obrotowej silników indukcyjnych.
Działanie przetwornicy skalarnej polega na zmianie częstotliwości, która bezpośrednio wpływa na zmianę wartości prądu wyjściowego, który z kolei wpływa na prędkość obrotową silnika. Regulacja taka odbywa się w oparciu o zależności dotyczące stanu ustalonego. Prędkość obrotowa regulowana jest poprzez zmianę częstotliwości zasilania uzwojeń silnika.
W związku z tym, układ sterowania nie oddziałuje na wzajemne położenie wektorów prądów i strumieni skojarzonych i tym samym nie ma możliwości prawidłowej kontroli procesów przejściowych w takim napędzie. Jest to główna wada sterowania skalarnego – spadek mocy wraz ze spadkiem częstotliwości. Ze względu na występowanie poślizgu (różnicy pomiędzy prędkością wirowania pola w silniku a prędkością obrotów wału), prędkość obrotowa silnika nie jest ściśle proporcjonalna do częstotliwości.
Prędkość mechaniczna oraz częstotliwość poślizgu nie są więc kontrolowane precyzyjnie.

Zastosowanie przetwornic skalarnych (U/f):
• pompy, wentylatory
• dmuchawy i sprężarki
• taśmociągi
• aplikacje, gdzie nie jest wymagana bardzo dokładna regulacja prędkości obrotowej oraz gdzie moment obciążenia maleje wraz z prędkością lub jest względnie stały w całym zakresie jej zmian

Zalety przetwornic skalarnych:
• niska cena oraz prostota konfiguracji
• możliwość podłączenia kilku silników do jednej przetwornicy (pod warunkiem, że suma wszystkich prądów znamionowych poszczególnych silników nie przekracza prądu wyjściowego przetwornicy)

Wady przetwornic skalarnych:
• stany przejściowe o długim czasie trwania, brak kontroli silnika w stanach przejściowych
• niski moment obrotowy przy niskich częstotliwościach
• brak kontroli i regulacji momentu obrotowego
• oscylacje prędkości obrotowej wokół prędkości zadanej

Biorąc pod uwagę powyższe wady, należy podkreślić, że przetwornice skalarne nie mogą być stosowane w aplikacjach, gdzie niezbędne jest precyzyjne utrzymanie zadanej prędkości lub momentu obrotowego.
Problem ten jest istotny w aplikacjach, w których obciążenie wału silnika zmienia się w czasie – w silnikach występują poślizgi, co oznacza, że szybkość wirowania pola elektromagnetycznego w silniku nie jest identyczna z szybkością obrotów wału.
Do przetwornic skalarnych należy ekonomiczna seria przetwornic częstotliwości Teco L510. Przeznaczona jest ona dla silników mocach od 0,2 kW do 2,2 kW. Seria L510 posiada dodatkowo w standardzie filtr RFI oraz panel operatorski z klawiaturą, dzięki czemu w łatwy sposób możemy sterować obrotami silnika.

Przetwornica częstotliwości L510

STEROWANIE WEKTOROWE

W odróżnieniu od przetwornic skalarnych, przetwornice częstotliwości o sterowaniu wektorowym są bardziej zaawansowane i skomplikowane przy konfiguracji. Są one przeznaczone do aplikacji, gdzie wymagana jest wysoka dokładność regulacji obrotów i momentu. Przy sterowaniu wektorowym wartością zadaną są obroty, które przetwornica stabilizuje. Każda przetwornica wektorowa standardowo może pracować również w trybie skalarnym. Sterowanie wektorowe charakteryzuje się tym, że na podstawie zależności obowiązujących dla stanów nieustalonych i przejściowych, nastawiane są nie tylko amplitudy i prędkości kątowe (częstotliwości), ale również fazy wektorów przestrzennych napięć, prądów i strumieni skojarzonych silnika indukcyjnego.
W sterowaniu wektorowym moment i strumień określone są przez prąd stojana i nie mogą być nastawiane w sposób niezależny.
W sterowaniu wektorowym możliwe jest precyzyjne kontrolowanie prędkości obrotowej, oraz kontrola momentu obrotowego silnika. Dokładność regulacji prędkości obrotowej w sterowaniu wektorowym wynosi 0,01%. W sterowaniu wektorem napięcia amplituda napięcia i częstotliwość wektora napięciowego sterowane są w zależności od poślizgu i prądu obciążenia.
Z mierzonych prądów fazowych silnika określane są składowe czynne i bierne, a następnie porównywane są one z wartościami z modelu silnika i odpowiednio korygowane. Amplituda, częstotliwość i kąt wektora napięcia są sterowane w sposób bezpośredni. Umożliwia to pracę przy wartościach granicznych prądu, szerokie zakresy nastaw prędkości obrotowej i dużą jej dokładność. Ma to znaczenie w przypadku niskich prędkości obrotowych, np. podnośniki, nawijarki.

Zalety przetwornic wektorowych:
• wysoka dokładność regulacji prędkości obrotowej silników
• duży moment przy niskich częstotliwościach

Wady przetwornic wektorowych:
• można sterować tylko jednym silnikiem
• wymaga wprowadzenia dodatkowych parametrów i ustawień silnika w celu konfiguracji

Przykłady zastosowań:
• precyzyjna regulacja prędkości, np. przy synchronizacji dwóch taśmociągów

Do przetwornic wektorowych należą przetwornice Teco E510 oraz Teco A510. Posiadają one wbudowany sterownik PLC (umożliwiający wykonanie prostej logiki i sterowania przy użyciu wbudowanych wejść/wyjść), panel operatorski z klawiaturą i komunikację Modbus.
Seria E510 dostępna jest opcjonalnie w obudowach IP66 (pyło- i wodoszczelnych), dzięki czemu można ją stosować w trudnym środowisku. Falowniki serii A510 przeznaczone są dla silników o mocach do 315 kW.

Przetwornica częstotliwości A510

DEDYKOWANE PRZETWORNICE CZĘSTOTLIWOŚCI

Poza standardowymi (uniwersalnymi) przetwornicami skalarnymi i wektorowymi, dostępne na rynku są również przetwornice dedykowane pod aplikacje pompowe i wentylatorowe. W przetwornicach tych wykorzystano charakterystykę obciążenia pomp i wentylatorów, dzięki czemu są one tańsze od standardowych przetwornic wektorowych. W przetwornicach dedykowanych pod aplikacje pompowe i wentylatorowe również istnieje możliwość sterowania skalarnego i wektorowego. Ponadto, przetwornice te posiadają dodatkowe funkcje takie jak np: kontrola kilku pomp/wentylatorów, rotacja pomp, detekcja suchobiegu i funkcja Standby (oszczędność pompy przy braku poboru wody w przepompowni), funkcja automatycznego oszczędzania energii (AES), tryb fi re mode (wyłączenie zabezpieczeń w przypadku pożaru). Przykładem zastosowań takich przetwornic są aplikacje wymagające precyzyjnego dozowania płynu, suszarnie, układy wentylacyjne, przepompownie, automatyka budynkowa itp. Do przetwornic częstotliwości dla aplikacji HVAC, pompowych i wentylatorowych należy Teco F510. Przetwornica ta dostępna jest dla silników o mocach od 4 kW do 600 kW. Oferowana jest również w opcjach obudowy IP20 oraz IP55.

Przetwornica częstotliwości F510

SKALARNE VS WEKTOROWE

Na zakończenie, dla jasności warto w skrócie porównać obie metody sterowania. Główna różnica pomiędzy sterowaniem wektorowym a skalarnym polega na określeniu dokładności prędkości obrotowej silnika. W sterowaniu skalarnym prędkość obrotowa silnika wynika od zadanej częstotliwości (regulujemy częstotliwością), natomiast w sterowaniu wektorowym precyzyjnie określamy interesującą nas prędkość silnika, a przetwornica tą prędkość utrzymuje. Drugą najważniejszą różnicą jest moment obrotowy przy niskich częstotliwościach, który w przetwornicach wektorowych jest dużo wyższy niż przy przetwornicach skalarnych.

autor:
Michał Prynda
mprynda@introl.pl