Falowniki

Falowniki - przemienniki częstotliwości

Współczesne technologie napędowe nie mogą obejść się bez falowników, które umożliwiają precyzyjne sterowanie silnikami elektrycznymi. Odkryj, jak falowniki (przemienniki częstotliwości) przyczyniają się do zwiększenia wydajności i oszczędności energetycznych i jak wybór odpowiedniego przemiennika częstotliwości wpłynie na twoje procesy operacyjne.

Przemienniki częstotliwości umożliwiają regulację prędkości i momentu obrotowego silników elektrycznych, są stosowane w różnorodnych branżach przemysłowych i przyczyniają się do oszczędności energii.

Różne typy falowników (jednofazowe i trójfazowe) mają zastosowania i charakterystyki dopasowane do wymagań aplikacji, od prostych domowych do zaawansowanych przemysłowych z wymogami wysokiej mocy.

Technologie sterowania w falownikach, w tym sterowanie wektorowe i skalarne, oferują różne poziomy kontroli momentu obrotowego i prędkości obrotowej, co jest istotne dla specyficznych aplikacji przemysłowych.

Przegląd i zastosowanie falowników

Przemiennik częstotliwości to układ AC/DC - DC/AC wykorzystywany w różnych aplikacjach przemysłowych. W skład falownika, będącego przemiennikiem częstotliwości, wchodzą cztery główne komponenty:

1. prostownik - zamienia prąd przemienny na prąd stały,
2. układ pośredni - przekształca prąd stały na prąd zmienny o stałej częstotliwości,
3. falownik - zmiana częstotliwości prądu przemiennego o stałej częstotliwości na prąd zmienny o regulowanej częstotliwości,
4. układ sterowania i zabezpieczeń - kontroluje działanie przemiennika częstotliwości i zapewnia jego bezpieczne działanie.

Dzięki falownikowi możliwe jest regulowanie prędkości i momentu obrotowego silnika, co znajduje zastosowanie w wielu branżach przemysłowych. Wykorzystanie regulacji prędkości obrotowej pozwala na jeszcze lepsze dostosowanie pracy silnika do konkretnych potrzeb.

Trójfazowe falowniki pozwalają na konwersję prądu zmiennego o ustalonej częstotliwości i uzyskanie regulowanej częstotliwości wyjściowej.

Tego rodzaju urządzenia są kluczowe dla wielu zastosowań, zarówno w prostych aplikacjach domowych, jak i zaawansowanych systemach przemysłowych.

Dlaczego falowniki są kluczowe dla silników elektrycznych?

Falowniki wektorowe umożliwiają pełny moment obrotowy przy częstotliwościach już od 0,5 Hz, co jest kluczowe dla aplikacji wymagających precyzyjnej kontroli momentu siły i prędkości obrotowej. Dzięki falownikom możliwa jest efektywna kompensacja poślizgu, co przekłada się na płynniejszą i bardziej niezawodną pracę silników na różnych prędkościach.

Zaawansowane zastosowania przemysłowe, takie jak:

• napędy elektryczne,
• wciągarki,
• mieszalniki,
• wirówki,
• przenośniki,
• nawijarki,

korzystają z falowników wektorowych ze względu na ich zdolność do precyzyjnego sterowania silnikami. Dlatego bardzo ważne jest, aby pamiętać o odpowiednim przemienniku częstotliwości podczas projektowania nowoczesnych rozwiązań napędowych, gdzie wymagana jest płynna kontrola i wysoka niezawodność pracy silników.

Falowniki, które posiadają wbudowany potencjometr służą do regulacji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego. Potencjometr pozwala na ręczne sterowanie częstotliwością wyjściową falownika, co z kolei wpływa na prędkość obrotową silnika.

Jak sam przemiennik częstotliwości wpływa na oszczędność energii?

Przemienniki częstotliwości przyczyniają się do oszczędności energii, optymalizując dopasowanie napięcia i częstotliwości w zależności od warunków pracy silnika. Dzięki temu, zoptymalizowane przez przemienniki częstotliwości działanie silników przekłada się na:

• zmniejszone zużycie energii elektrycznej,
• ograniczanie prądu przez falowniki,
• zapobieganie nadmiernemu marnotrawieniu energii,
• redukcję kosztów operacyjnych.

Warto zauważyć, że istnieje możliwość odzyskania energii z hamowania poprzez wprowadzenie jej na szynę wspólną DC przemienników częstotliwości, co umożliwia wykorzystanie tej energii do napędu innych urządzeń.

Rodzaje falowników - charakterystyka i przeznaczenie

Falowniki można podzielić na dwa główne typy: falowniki jednofazowe i trójfazowe. Każdy z nich ma swoje specyficzne zastosowania i charakterystyki, które decydują o ich wyborze w zależności od wymagań aplikacji.

Falownik jednofazowy przekształca prąd stały w prąd przemienny o napięciu 230 V i są stosowane do zasilania większości urządzeń i systemów domowych.

Z kolei, trójfazowego falownika nie można zasilać jednofazowo i na odwrót ze względu na jego konstrukcję i działanie. Zrozumienie różnic między tymi dwoma typami falowników jest kluczowe dla wyboru odpowiedniego rozwiązania do konkretnego zastosowania.

Falownik jednofazowy zasilany – kiedy warto go wybrać?

Falowniki jednofazowe mają ograniczoną zdolność mocy i z reguły wybiera się je do prostych zastosowań, takich jak napędzanie silników jednofazowych. Są one zasilane z sieci 230 VAC i pracują w określonym zakresie częstotliwości, zapewniając trzy wyjściowe terminale o napięciu 230 VAC.

Dlatego falownik jednofazowy jest doskonałym wyborem do zastosowań domowych lub komercyjnych, które nie wymagają dużej mocy, takich jak małe systemy oświetleniowe, urządzenia biurowe czy sprzęt AGD.

Falowniki trójfazowe – moc i wydajność dla większych zastosowań

Falowniki trójfazowe z drugiej strony, są konstruowane do obsługi aplikacji wymagających większej mocy. Generują prąd przemienny o napięciu 400 V i są stosowane w instalacjach, gdzie jest wymagana moc powyżej 3,68 kWp. Dzięki temu są one idealne do zastosowań przemysłowych, takich jak kontrola silników trójfazowych.

Aby falowniki trójfazowe prawidłowo funkcjonowały, muszą być poprawnie dopasowane do napędów, które zasilają, zapewniając odpowiednią ilość mocy.

Kluczowe parametry falowników

Kluczowe parametry przemienników częstotliwości obejmują między innymi:

• moc,
• napięcie wejściowe i wyjściowe,
• maksymalny prąd wyjściowy,
• częstotliwość wyjściową,
• rodzaj sterowania.

Cyfrowe przemienniki częstotliwości oferują lepszą precyzję sterowania, stabilność parametrów i elastyczność dla niestandardowych aplikacji.

Każde analogowe i cyfrowe wejście oraz wyjście falownika jest programowalne i testowane, co zapewnia precyzyjną i niezawodną kontrolę silnika.

Modbus RTU i inne protokoły komunikacyjne w falownikach

Modbus RTU to popularny protokół komunikacyjny, wykorzystywany w automatyce przemysłowej, który przesyła bajty jako 8-bitowe znaki i stosuje sumę kontrolną CRC w celu wykrycia błędów transmisji. Protokół ten działa na zasadzie połączenia dwuprzewodowego zgodnie ze standardem RS-485, wymagając ustalenia określonych parametrów transmisji, takich jak:

• szybkość,
• bity na znak,
• parzystość,
• bity stopu.

W sieci Modbus tylko jedno urządzenie, Master, może nadawać w danym czasie, podczas gdy inne nasłuchują, a porty są skonstruowane tak, aby zapobiegać uszkodzeniom, nawet jeśli dwa urządzenia przypadkowo nadadzą jednocześnie. Komunikacja odbywa się według schematu zapytanie-odpowiedź, gdzie Master wysyła żądanie do określonego urządzenia Slave, które następnie odpowiada sprzężeniem zwrotnym informacji lub kodem błędu.

Protokół komunikacyjny Profibus

Profibus to protokół komunikacji szeregowej, który został rozwinięty przez firmę Siemens. Jest szeroko stosowany w automatyce przemysłowej i charakteryzuje się wysoką szybkością transmisji danych oraz integracją z systemami sterowania Siemens.

Technologie sterowania w falownikach

Na rynku dostępne są różne technologie sterowania falownikami, które różnią się między sobą w zależności od zastosowania. Najpopularniejszymi są sterowanie wektorowe i skalarne. Sterowanie skalarne, znane również jako kontrola U/f, reguluje prędkość silnika poprzez zmiany częstotliwości zasilania i utrzymuje stosunkowo stały moment obrotowy przez zmiany wartości napięcia proporcjonalnie do zmian częstotliwości.

Z drugiej strony, wektorowe sterowanie pozwala na:

• precyzyjną kontrolę prędkości obrotowej,
• pełną kontrolę momentu obrotowego,
• utrzymywanie stałego momentu w przedziale częstotliwości od około 0,5Hz do nominalnej częstotliwości silnika.

Sterowanie skalarne – prostota dla lekkich zastosowań

Zastosowanie sterowania skalarnego to najprostsza metoda sterowania falownikiem i jest często używana dla lekkich zastosowań, gdzie precyzyjna regulacja prędkości nie jest kluczowa.

Dzięki sterowaniu skalarnemu, takie urządzenia jak wentylatory, pompy, kondensatory czy niewielkie transportery i przenośniki mogą być efektywnie kontrolowane.

Relacja U/f=const. w sterowaniu skalarnym oznacza utrzymanie stałego stosunku między napięciem wyjściowym, a częstotliwością wyjściową, co jest podstawą dla tego rodzaju sterowania.

Sterowanie wektorowe – precyzja i kontrola dla wymagających aplikacji

Dla wymagających aplikacji, takich jak napędy o dużej mocy czy aplikacje wymagające dużej precyzji, preferowane jest wektorowe sterowanie. Rozdziela ono kontrolę nad momentem obrotowym i strumieniem w uzwojeniach silnika, co umożliwia precyzyjną regulację szybkości obrotowej.

Za pomocą sterowania wektorowego możliwe jest utrzymanie niskiej częstotliwości przy jednoczesnym zachowaniu dużego momentu obrotowego, co jest istotne dla wymagających aplikacji napędowych gdzie wymagana jest precyzja.

Dokładność regulacji prędkości obrotowej silnika przy użyciu sterowania wektorowego może osiągnąć wartość do 0,01%.

Integracja falowników z systemami automatyki

Przemienniki częstotliwości mogą być zintegrowane z programowalnymi sterownikami logicznymi (PLC) i innymi komponentami szaf sterowniczych, tworząc spójne i wydajne systemy automatyki.

Szafy sterownicze mogą obejmować projektowanie wizualizacji procesów przemysłowych prezentowanych na panelach operatorskich, które pozwalają na monitorowanie i konfigurację pracy przemienników częstotliwości.

Konfiguracja falownika poprzez panel sterowania

Konfiguracja falownika może być realizowana za pomocą wbudowanego panelu sterowania, co daje możliwość wyboru między konfiguracją ręczną, korzystaniem z gotowych ustawień z pliku lub użyciem asystenta instalacji. Panel sterowania falownika oferuje opcję eksportowania aktualnych ustawień do pliku, co umożliwia łatwe kopiowanie konfiguracji i jej aplikowanie na inne urządzenia.

Bezpieczeństwo i ochrona w użyciu przemienników częstotliwości

Bezpieczeństwo i ochrona są kluczowymi aspektami w użytkowaniu falowników. Rezystory hamowania w falownikach przekształcają energię elektryczną wygenerowaną podczas hamowania silnika w ciepło, umożliwiając bezpieczne i szybkie zatrzymanie.

Rezystory hamowania mogą posiadać zabezpieczenia termiczne, które informują przemiennik częstotliwości o osiągnięciu maksymalnej temperatury, uniemożliwiając oddanie większej ilości energii, co zwiększa bezpieczeństwo.

Przemienniki częstotliwości są zdolne do ograniczania prądu do silnika, aby zapobiec uszkodzeniom, co umożliwia bezpieczną pracę nawet podczas chwilowych przeciążeń.

Dobór przemiennika częstotliwości do zastosowań specjalistycznych

Dobór odpowiedniego przemiennika częstotliwości do konkretnego zastosowania jest kluczowym krokiem w procesie projektowania systemu napędowego. Moc falownika powinna być ściśle dopasowana do zdolności instalacji, z zaleceniem, aby moc instalacji wynosiła 80-120% mocy falownika dla optymalnej efektywności.

Falowniki skalarne, działające na algorytmie U/f, są stosowane w aplikacjach, w których precyzyjna regulacja prędkości nie jest wymagana, jak np. w:

• pompach,
• wentylatorach,
• sprężarkach,
• przenośnikach.

Podczas wyboru odpowiedniego falownika kluczowe parametry to:

• maksymalne napięcie wejściowe,
• moc,
• liczba wejść,
• maksymalny prąd na wejście.

Te parametry określają liczbę i moc paneli bądź zestawów, które można podłączyć.

Falowniki od Aserto

Z powyższego przeglądu wynika, że falowniki są kluczowym elementem wielu systemów napędowych od prostych aplikacji domowych po zaawansowane systemy przemysłowe, gdzie występują silniki elektryczne. Dzięki nim możemy kontrolować prędkość obrotową silników, oszczędzać energię i poprawiać efektywność systemów. 

Wybór odpowiedniego falownika zależy od wielu czynników, takich jak moc instalacji, wymagania dotyczące precyzji sterowania czy rodzaj zastosowań. Mamy nadzieję, że ten wpis na temat przemienników częstotliwości był pomocny zarówno dla naszych nowych jak i stałych klientów, jeśli jednak po jego przeczytaniu dalej masz jakieś pytania, to z chęcią na nie odpowiemy. Zachęcamy do skorzystania z szerokiej oferty automatyki przemysłowej od Aserto, w tym do wyboru falowników od renomowanych producentów.