Jak działa falownik (przemiennik częstotliwości)? Tutaj znajdziesz prostą i zrozumiałą dla każdego odpowiedź. Przez ostatnie lata obserwujemy wzrost popularności przemienników częstotliwości - potocznie zwanymi falownikami.

Wynika to nie tylko z przystępnej ceny tych urządzeń, ale przede wszystkim z poszukiwania oszczędności energii elektrycznej, automatyzowaniu procesów technologicznych oraz z dynamicznego rozwoju techniki napędowej - szczególnie nowych technologii wymagających pracyzyjnego sterowania napędami.

Najczęściej spotykanym zastosowaniem współczesnych przemienników częstotliwości jest regulacja prędkości obrotowej silników prądu przemiennego, przez równoczesną zmianę wartości napięcia i częstotliwości. Falowniki są tak popularne, że można je znaleźć w układach sterowania wentylatorów, pomp ale również automatyce dźwignic, ekstruderów i innych maszyn w których technologia wymaga precyzyjnej regulacji prędkości obrotowej silników prądu przemiennego.

Dynamiczny rozwój przemysłu sprawił, że energia elektryczna dostarczana przez system energetyczny liniami sinusoidalnego napięcia przemiennego o częstotliwości 50Hz (w Europie) coraz częściej jest traktowana jako swoisty półprodukt, który wymaga przekształcenia (przetworzenia) do postaci optymalnej dla odbiornika np. właśnie wspomianego silnika elektrycznego.

W energoelektronice przemienniki częstotliwości dzielimy na dwa rodzaje:

a) bezpośrednie bez obwodu pośredniego
b) pośrednie ze zmiennym lub stałym napięciem (prądem) obwodu pośredniego.

Bezpośrednie przemienniki częstotliwości stosowane są głównie do sterowania układami o dużych mocach, rzędu kilku MW. Dodatkowo przemienniki tego typu posiadają ograniczony zakres regulacji częstotliwości na wyjściu od zera do około 30Hz.

Odrobina teorii

Najczęściej stosowanymi obecnie przemiennikami częstotliwości są przemienniki pośrednie z pośrednim obwodem napięcia stałego.

Silnik zasilany poprzez przemiennik częstotliwości nabiera nowych cech użytkowych, jego charakterystyki mechaniczne są kształtowane przez układ sterowania w obszarze parametrów dopuszczalnych dla silnika, czyli wartości napięcia, prądu, mocy, momentu obrotowego, prędkości obrotowej i energii cieplnej.

Dla użytkowników najważniejszymi parametrami silników są moment obrotowy, prędkość obrotowa i moc.

Prędkość obrotowa silników asynchronicznych zależy od częstotliwości napięcia zasilającego (czynnik zewnętrzny) oraz od liczby par biegunów, czyli w tym przypadku od sposobu, w jaki zaprojektowano i nawinięto uzwojenie stojana.

Wartość napięcia zasilania w praktyce ma nieznaczny wpływ na prędkość obrotową silnika.

O ile na kształt napięcia podanego na silnik możemy mieć wpływ, to z liczbą par biegunów i parametrami uzwojenia trzeba się już tylko pogodzić. Dlatego bardzo ważny jest świadomy dobór silnika do procesu technologicznego już na poziomie jego projektowania. Konstruktor maszyny czy też projektant automatyki muszą przewidzieć wiele czynników, które będą miały wpływ na proces technologiczny a tym samym na zespół napędowy.

Dla przypomienia prędkość obrotową silnika wyliczyć można ze wzoru:

n1 - prędkość obrotowa,
f - częstotliwość napięcia zasilającego [Hz],
p - liczba par biegunów stojana,

Należy jeszcze wziąć pod uwagę poślizg, czyli:

n - prędkość obrotowa silnika,
s - poślizg, wartość poślizgu mieści się w granicach od 0 do 1

Poślizg to nic innego jak różnica pomiędzy szybkością zmian strumienia pola magnetycznego wewnątrz silnika a rzeczywistą prędkością obrotową wirnika. Należy być świadomym, że wartość poślizgu zależy głównie od obciążenia silnika. Oczywiście producenci przemienników częstotliwości o tym doskonale wiedzą i obecnie praktycznie w każdym dostępnym na rynku falowniku udostępniona jest funkcja kompensacji poślizgu. Algorytm ten pozwala wyliczyć wartość poślizgu na podstawie pomiaru prądów fazowych silnika. Działa to w falownikach automatycznie nie wymagając żadnej ingerencji użytkownika, czyli po wzroście poślizgu falownik zwiększa lub zminiejsza częstotliwość napięcia, kompensując tym samym zmiany prędkości obrotowej silnika.

Moment obrotowy, inaczej zwany momentem mechanicznym, wytwarzany przez silnik elektryczny będzie stały, jeśli zachowana zostanie stała wartość prądu w uzwojeniu oraz stała wartość strumienia elektromagnetycznego w pakiecie stojana i wirnika. O ile z pojęciem prądu zwykle nie ma problemu, to pojęcie stałości strumienia elektromagnetycznego już nie jest takie oczywiste. Aby nie wnikać w rozważania akademickie, bo nie o to chodzi w tym artykule, należy uznać za pewnik, że strumień elektromagnetyczny w silniku indukcyjnym zależny jest od trzech czynników: częstotliwości napięcia, wartości skutecznej napięcia oraz parametrów uzwojenia.

Można z góry zakładać, że pozostanie on niezmienny, jeżeli zachowany zostanie stały stosunek wartości skutecznej napięcia zasilania do częstotliwości tego napięcia, czyli:

Φ - strumień elektromagnetyczny,
c - współczynnik proporcjonalności,
U - wartość skuteczna napięcia [V],
f - częstotliwość napięcia [Hz]

Można stwierdzić, że jest to bardzo duże uproszczenie ale to właśnie na nim przemienniki częstotliwości (potocznie nazywane falownikami) odniosły taki sukces w sterowaniu!

Tajemnica sterowania U/f

Od falowników wymagamy umożliwienia nam regulacji prędkości obrotowej silnika przy zachowaniu stałości momentu obrotowego.

Mamy możliwość zmiany prędkości obrotowej silnika indukcyjnego zachowując stały moment obrotowy (inaczej mówiąc moment mechaniczny) jeśli zasilimy ten silnik ze źródła mogącego zmieniać częstotliwość napięcia f ale zawsze proporcjonalnie do wartości skutecznej napięcia U.

Każdy obecnie dostępny na rynku przemiennik częstotliwości daje nam możliwość sterowania U/f.

Po dawce teorii czas na praktyczny przykład zastosowania falownika.

Weźmy standardowy silnik z oferty grupy Cantoni - silnik Sh90-4S. w warunkach znamionowych wymaga on zasilania napieciem 3f ~ 400 V o częstotliwości napięcia rownym 50 Hz, w tych warunkach jego prędkość obrotowa osiągnie 1380 obr/min.

Stsounek U/f w znamionowych warunkach wyniesie: U/f = 400 V / 50 Hz = 8 V/Hz

Jeżeli teraz chcemy zmniejszyć prędkość obrotową pięciokrotnie to pięciokrotnie musi zostać zmniejszona częstotliwość oraz w takim samym stosunku musi zostać zmieniona wartość skuteczna napięcia - pamiętajmy o zachowaniu stosunku U/f - czyli:

f = 50 Hz / 5 = 10 Hz oraz

U = 400 V / 5 = 80 V

Stosunek U/f równać się teraz będzie U/f = 80 V / 10 Hz = 8 V/Hz - czyli warunek został spełniony.

To jest właśnie ta wielka tajemnica działania podstawoej funkcji przemiennika częstotliwości!

Oczywiście dynamiczny rozwój przemysłu wymusza na producentach przetwornic czestotliwości stosowania coraz bardziej zaawansowanych algorytmów sterowania, ale wracając do przykładu.

Użytkownik przemiennika częstotliwości nie musi każdorazowo samodzielnie ustawiać wielkości napięcia oraz częstotliwości. Najczęściej za pomocą wybranego sygnału sterujacego analogowego (np. z potencjometru) lub cyfrowego (np. ze sterownika PLC) zadaje się żądaną wartość częstotliwości lub wręcz wartość wymaganej prędkości obrotowej silnika a pozostałymi parametrami - wartością napięcia, różnego rodzaju kompensacjami, korektami itp. - zajmnie się wspomiany przemiennik częstotliwości samodzielnie.

Dla głębszego zrozumienia zagadnienia zwiazanego z sterowaniem pracą silnika należy przypomnieć sobie charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy zasilaniu bezpośrednio z sieci (wykres po lewej) oraz ze źródła sepłniającego warunek U/f (wykres po prawej).

Moment krytyczny silnika zasilanego ze źródła o stałej wartości napięcia i wzrastającej tylko częstotliwości maleje z kwadratem tej częstotliwości, czyli:

Mk - moment krytyczny silnika,
f - częstotliwość napięcia [Hz],
kk - współczynnik proporcjonalności

Należy pamiętać, że moment znamionowy silnika również nie pozostaje w tym obszarze stały, będzie on malał odwrotnie proporcjonalnie do wzrostu częstotliwości oczywiście do punktu zrównania się z gwałtoniej malejącym momentem krytycznym, czyli:

MN - moment znamionowy silnika,
f - częstotliwość napięcia [Hz],
kN - współczynnik proporcjonalności

Należy jeszcze zdefiniować częstotliwość załomu. Częstotliwością załomu jest częstotliwość, od której npięcie wyjściowe falownika przestaje wzrastać wskutek osiągnięcia wartości napięcia zasilania z sieci. Częstotliwość ta nie zależy od wartości napięcia zasilania.

Uzbrojeni w podstawową wiedzę na temat funkcjonowania przemiennika częstotliwości w dalszej części artykułu prześledzimy trzy typowe układy połączeń z częstotliwością załomu ustawioną na wartość 50Hz, 87Hz (tzw. technika 87Hz) i 100Hz. Częstotliwość załomu ustawiać mozna na dowolna wartość, w zależności od potrzeb technologicznych oraz od możliwości technicznych silnika i falownika. Dowiemy się, jakie są dalsze współzależności pomiędzy mocą, napięciem i momentem w tych przypadkach.

Sterowanie U/f pzy 50Hz

Weźmy silnik przywołany już w tym artykule, czyli Sh90-4S o parametrach znamionowych: moc 1,1 kW, zasialnie 3f ~ 230 V Λ (uzwojenie połączone w trójkąt) / 400 V Y (uzwojenie polączone w gwiazdę), częstotliwość zasilania 50 Hz, prąd 2,9 A.

Łączymy ten silnik w gwiazdę i zasilamy poprzez przemiennik częstotliwości posiadający moc równą mocy silnika (może być wyższa o jeden stopień), załóżmy, że prąd znamionowy silnika równy jest prądowi znamionowemu falownika.

Teraz przy regulacji częstotliwości na wyjściu przemiennika otrzymamy poniższe zależności (wykres poniżej)

Z powyższych wykresów odczytać możemy, że przy obciążeniu silnika stałym momentem obrotowym moc układu będzie rosła podobnie jak napięcie, czyli proporcjonalnie do częstotliwości, natomiast prąd pobierany przez silnik pozostać powinien niezmienny w całym zakresie obrotów. Po załamaniu się proporcji U/f, czyli po osiągnięciu punktu częstotliwości załomu fECK, moc przestaje rosnąć a moment obrotowy silnika zaczyna maleć, w tym punkcie napięcie wyjściowe z falownika osiągnie swój maksymalny poziom i będzie równe napięciu sieci. Oczywiście naszym punktem częstotliwości załomu będzie znamionowa częstotliwość silnika, czyli 50 Hz.

W niektórych modelach przemienników częstotliwości dostępnych na polskim rynku, częstotliwość załomu będzie parametrem, który należy ustawić przy pierwszym uruchomieniu falownika, w innych wystarczy tylko określić znamionową wartość napięcia i częstoliwość silnika dla wybranego sposobu połączeń a falownik sam wyliczy wartość częstotliwości załomu nawet wówczas, gdy nie będzie ona równa częstotliwości znamionowej silnika. Przydatną funkcją dostępną w niektórych przemiennikach, szczególnie nowszych modelach, jest tzw. auto-tuning silnika, w tym przypadku falownik potrafi sam rozpoznać wszystkie parametry znamionowe silnika automatycznie, należy jednak pamiętać, że auto-tuningu silnika należy wykonać zgodnie z instrukcją obsługi falownika.

Jakie są wnioski z tego sposobu podłączenia?

Regulacja obrotów możliwa jest praktycznie w dół, w zakresie od zera do 50 Hz, powyżej częstotliwości 50 Hz moment silnika spada znacząco przez to silnik przestaje być użyteczny.Moc silnika wzrasta liniowo łącznie z obrotami aż do częstotliwości załomu, czyli do częstotliwości znamionowej 50 Hz i dalej pozostaje już na tym poziomie.

Co to oznacza w praktyce? mówiąc wprost - oszczędność energii elektrycznej. A w jaki sposób?

Jeśli obniżymy prędkość silnika, który napędza urządzenie ale napędzamy dalej już ze stałym momentem np. napęd windy - to rzeczywiście obniżamy zużycie energii. Jeżeli obniżamy za pomocą przemiennika częstotliwości obroty silnika pompy wirowej lub wentylatora, to oszczędności są jeszcze większe, ponieważ ze spadkiem obrotów zmniejsza się też moment obciążenia z kwadratem! - czyli pobierany przez silnik prąd.

Inaczej wygląda napęd układu jezdnego, czy też taśmociagu, ponieważ zmieniając prędkość obrotową układy takie potrzebują większość mocy na rozpęd lub wyhamowanie a moc potrzebna na pokrycie oporów tocznych przy stałej prędkości jest procentowo niewielka. W takich przypadkach mamy możliwość regulacji prędkości obrotowej ale oszczędności energii elektrycznej należy szukać w optymalnym doborze silnika elektrycznego, czyli unikać nieuzasadnionego przewymiarowania mocy silnika oraz zastosować falownik z ustawioną rampą łagodnego rozruchu i hamowania, czy też po prostu zastosować softstart jeżeli w procesie technologicznym nie przewiduje się regulacji prędkości obrotowej - a tym samym regulacji prędkości liniowej.

W tym przypadku silnik łączymy w trójkąt. Silnik tak podłączony wymaga większego prądu (najczęściej jest on określony na tabliczce znamionowej przez producenta silnika) dlatego należy dobrać falownik nie do mocy ale do konkretnej wartości prądu, najczęściej będzie to przetwornica częstotliwości o jeden typoszereg mocniejsza.

W samym falowniku trzeba pamiętać o ustawieniu częstotliwości załomu na wartość 87 Hz lub podać (zależnie od producenta falownika) dane dotyczące znamionowej wartości napięcia i częstotliwości silnika, tutaj - 3 x 230V / 50Hz a falownik sam wyliczy częstotliwość załomu.

Prześledźmy wykres poniżej.

Na wykresie zauważalne jest, że przy takim ustawieniu falownika przy częstotliwości równej 50 Hz napięcie wynosi 230V - czyli wartości znamionowe dla silnika połączonego w trójkąt, a zatem zmieniając częstotliwość w zakresie od 0 Hz do 50 Hz osiągamy takie same możliwości regulacyjne jak w pierwszym przypdaku.

Całość wyglada ciekawiej, jeżeli prędkość obrotową regulować będziemy w zakresie powyżej 50 Hz do 87 Hz. Okazuje się, że w tym zakresie zachowujemy stałą proporcję pomiędzy napięciem a częstotliwością, czyli posiadamy możliwość napędu ze stałym momentem aż do 87 Hz!

W tej części artykułu, dla niektórych czytelników, może być przerażająca myśl potraktowania silnika napięciem 400V podawanym na fazę, podczas gdy znamionowa wartość napięcia fazowego wynosi przecież 230V. Ale w tym przypadku wysokość napięcia nie jest groźna - znaczenie ma fakt, że napięcie 400V zostanie podane przy częstotliwości 87 Hz a nie 50 Hz. Akademicko sprawa wyglada tak: silnik jako duża indukcyjność posiada impedancję proporcjonalną do częstotliwości. Jeśli zatem podamy na taką indukcyjność podwyższone napięcie ale przy podwyższonej jednocześnie częstotliwości to nie spowodujemy zwiększenia wartości prądu, zatem jeżeli prąd nie wzrośnie to i o silnik możemy być spokojni.

W tym momencie można by powiedzieć, że osiągnięto stan idealny, mamy szeroki zakres regulacji z zachowaniem proporcji U/f, ale...

Należy zachować umiar z obrotami silnika ponad znamionowe, dlatego nie powinno się stosować techniki 87 Hz do silników o jednej parze biegunów - prędkość w tym przypadku wzrosła by do ok. 5.000 obr/min. Dlatego zalecane są silniki czterobiegunowe, wtedy ich prędkość wzrośnie do ok. 2.800 obr/min, ale trzeba się upewnić, że producent silnika dopuszcza takie obroty. Związane jest to chociażby z wytrzymałością zastosowanych przez producenta silnika łożysk.

Należy jeszcze zwrócić uwagę na chłodzenie silnika. Zaleca się, aby silniki zasilane przez falowniki były wyposażone w układ obcej wentylacji, szczególnie przy zastosowaniu techniki 87 Hz, ewentualnie można przewymiarować silniki o stopień wyżej w typoszeregu.

Wnioski dotyczące techniki 87 Hz.

Większy jest zakres regulacji, w przedziale od 0 Hz do 87 Hz.Utrzymując znamionowy moment obciążenia przy częstotliwości 87 Hz powoduje się pracę silnika przy obciążeniu mocą √3 PN, czyli silnik z przykładu o mocy 1,1 kW osiągnąłby moc około 2 kW - co przy długotrwałym obciążeniu mogłoby okazać się to dla tego silnika zgubne. Producenci silników w tym przypadku przewidują dla swoich silników możliwość długotrwałego obciążenia, ale tylko mocą silnika o stopień wyżej w typoszeregu - dla silnika z przykładu byłaby to moc 1,5 kW a nie 2 kW. W praktyce oznacza to świadome zredukowanie momentu obciążenia przy ponad znamionowych obrotach co jednak i tak jest korzystne, niż przy zakresie regulacji od 0 Hz do 50 Hz. Oczywiście, należy pamiętać, że zawsze jest do dyspozycji krótkotrwała możliwość pracy na pełnej mocy. Zakres regulacji wzrasta, bo wzrasta całkowity obszar pracy ze stałym momentem. W większości jest to zaleta, jednak w układach dynamicznych stanowić może wadę bo przecież wzrasta też czas rozpędu od zera do pełnej prędkości - jeśli pełną prędkość przyjmiemy 87 Hz.Technikę 87 Hz zastosujemy tylko, gdy silnik posiada uzwojenie 230/400V - typowe dla mocy do około 5,5 kW - w zależności od producenta. silniki większej mocy posiadają z reguły uzwojenie 400/690V w celu umożliwienia zastosowania rozruchu gwiazda-trójkąt.

Wyższe częstotliwości pracy

Czy istnieje możliwość pracy w zakresie wyższych częstotliwości? Odpowiedź jest jedna - zdecydowanie tak, ale...

Po pierwsze przetwornica częstotliwości musi nam to umożliwić - te obecnie dostępne na rynku, w zależności od producenta i mocy falownika posiadają zakres od 0 Hz do 650 Hz przy omawianym w tym artykule najprostrzym sterowaniu U/f.

Po drugie, do pracy z wysokimi częstotliwościami musi być przystosowany silnik, najczęściej są to specjalne konstrukcji, np. szybkoobrotowe silniki do pił czy wibratorów lub napędy wrzecion obrabierek CNC. Należy przy tym zaznaczyć, że silniki takie zasilone wprost z sieci o częstotliwości 50 Hz mogą ulec uszkodzeniu lub ich praca będzie znacząco odbiegała od znamionowych warunków. Silniki takie powinny być zasilane z przemienników częstotliwości lub dedykowanego sterownika.

Przykładowo - posiadamy napęd wrzeciona o następujacych znamionowych parametrach: napięcie zasilania 3 x 250V przy częstotliwości 180 Hz.

Korzystając z definicji częstotliwości załomu oraz wykresu układamy proporcje U/f. Z proporcji wynika, że naszą czestotliwością załomu jest punkt 288 Hz. Tą wartość ustawiamy w przemienniku częstoliwości lub wpisujemy znamionowe napięcie silnika i częstotliwości - zleżnie od posiadanego modelu przemiennika częstotliwości. Podanie częstotliwości załomu umożliwia falownikowi ukształtowanie właściwej charakterystyki napięciowo-częstotliwościowej, nie oznacza natomiast, ża na tej częstotliwości musi pracować silnik. Maksymalną częstotliwość pracy można ustawić zarówno powyżej jak i poniżej częstotliwości załomu, należy pamiętać o takim ustawieniu parametrów pracy aby nie narazić napędu (silnika jak i falownika) na uszkodzenie i oczywiście energochłonność układu w stosunku do ptrzeb technologicznych.

Podsumowanie

Rozwój przemysłu, w tym automatyzacji procesów technologicznych spowodował szybki rozwój techniki sterowania napędów. Jeszcze 10 lat temu przemienniki częstotliwości były rzadko spotykanymi układami automatyki przemysłowej, do rozruchu silników stosowano przełączniki gwiazda-trójkąt lub proste softstarty a prędkość obrotową regulowano przy zastosowaniu różnego rodzaju przekładni, od pasowych tzw. chyżozmianów lub wariatorów, poprzez przekładnie planetarne a kończąc na skomplikowanych przekładniach hydrokinetycznych.

Obecnie falowniki są szeroko dostępnymi układami automatyki, wpływ na to ma nie tylko rozwój techniki i technologi ale również przystępna cena przemienników częstotliwości.

Literatura:
Mieczysław Nowak, Roman Barlik "Poradnik inżyniera energoelektronika" WNT 1998r.