Falowniki 3 fazowe - geneza systemu

Silniki elektryczne są podstawowym elementem wykonawczym w układach automatyki przemysłowej. Do projektów wykorzystuje się małe silniki kilku aż po silniki kilkuset watowe o ogromnej mocy. Wszystkie napędy łączy wspólna cecha. Do pracy wymagają energii elektrycznej. Aby silniki mogły pracować z odpowiednio zadaną prędkością lub momentem, potrzebna jest odpowiednia ilość energii. Do sterowania motorami wykorzystuje się falowniki. Rynek światowy oferuje ogromną gamę falowników jedno oraz trójfazowych, gdzie każdy posiada maksymalną moc znamionową. Wiodący producenci falowników to m.in. Delta Electronics, Yaskawa, Siemens, Schneider Electric, LG, Omron czy Eura Drivers. Dzięki parametrowi wielkości mocy, jesteśmy w stanie dobrać falownik który w odpowiedni sposób zasili nasz silnik, tak aby nie brakowało mu mocy. Dzisiejszy artykuł zajmie się opisem tych drugich falowników tj. trójfazowych.

Falowniki trójfazowe, służą do sterowania oraz zasilania silników trójfazowych, wykorzystując napięcie 400 V AC. Rynek oferuje przemienniki częstotliwości do motorów od 0,2 kW do ogromnych o mocy 800 kW.

Trójfazowe falowniki w znacznym uproszczeniu zmieniają napięcie i prąd AC o ustalonej częstotliwości, którym są zasilane, na moc o regularnej częstotliwości i napięciu wyjściowym. Znajdują one zastosowanie w wielu dziedzinach tj. samochodach elektrycznych, gdzie sterują silnikiem, w fotowoltaice, gdzie stanowią serce układu i służą do przekształcenia napięcia stałego, wygenerowanego przez panel na napięcie zmienne o określonej fazie. Falowniki trójfazowe stanowią również podstawę szaf sterowniczych dla linii produkcyjnych gdzie zasilają przeróżne napędy.

Podstawą odpowiedniego działania falownika trójfazowego, jest jego dobór do konkretnego napędu. Generowana przez niego moc nie może być zbyt wielka jak i zbyt mała. Kolejnym ważnym elementem który jest niezbędny do poprawnego działania jest odpowiednia konfiguracja parametrów. Wymagane jest wprowadzenie do falownika podstawowych parametrów silnika tj. moc, napięcie oraz ilość obrotów na minutę. Nowoczesne falowniki posiadają opcję automatycznego strojenia. Po wybraniu tej funkcji silnik wykonuje symulację po której samodzielnie wpisuje do pamięci potrzebne parametry. Po odpowiedniej konfiguracji, za pomocą falownika możemy dokonywać zmianę obrotów silnika poprzez zmianę częstotliwości wyjściowej. Dodatkowo falowniki posiadają wiele rozmaitych parametrów, tj. czas rozruchu, czas hamowania czy rodzaj sterowania.

Rodzaj sterowania silnika falownikiem

Falowniki trójfazowe dysponują sterowaniem wektorowym oraz skalarnym.

Falownik w trybie wektorowym jest w stanie utrzymać stałą wartość momentu prędkości w całym zakresie regulacji prędkości obrotowej silnika. W praktyce sterowanie wektorowe stosuje się w maszynach gdzie dokładność obrotowa ma wielkie znaczenie np. windy transportowe.

Sterowanie skalarne – jest to sterowanie wykorzystujące algorytm U/f. Stosuje się je w prostych aplikacjach, gdzie nie jest wymagana bardzo dokładna regulacja prędkości obrotowej oraz gdzie moment obciążenia maleje proporcjonalnie do wzrastającej prędkości. W praktyce sterowanie takie stosuje się do wentylatorów, pomp głębinowych, sprężarek czy taśm transportowych.

Sterowanie falownika trójfazowego

Sterowanie falowników trójfazowych dostępne jest z kilku źródeł. Główne parametry sterowania to zadawanie prędkości oraz start rozruchu. Dokonać tego możemy zarówno z pozycji programatora który możemy zamontować na obudowie przemiennika częstotliwości jak i z komputera za pomocą wbudowanego protokołu komunikacyjnego. Nowe modele falowników trójfazowych np. produkcji Delta Electronics, posiadają własny sterownik PLC, za pomocą którego dostępne jest wgranie programu sterującego do urządzenia bez korzystania z dodatkowego sterownika. Jedyną wadą takiego rozwiązania jest ilość kroków, który posiada każdy model. Falowniki o mniejszych mocach są w stanie obsłużyć niewielką ilość kroków (np. Delta Electronics VFD004E43T o mocy 0,4 kW – 500 kroków). Przemienniki o większej mocy posiadają większy zasób pamięci (np. Delta Electronics VFD550CP43S-21 o mocy 55 kW – 10000 kroków).

Jeśli projekt który jest wykonywany, wymaga bardziej skomplikowanego sterowania, falowniki posiadają porty komunikacyjne wraz z najpopularniejszymi protokołami (modbus, ethernet, CAN itp.) dzięki którym możemy połączyć urządzenie z falownikiem. Komunikacja falownika z panelem operatorskim również nie stanowi szczególnego problemu.

Dodatkowo falowniki trójfazowe posiadają specjalne gniazdo do którego możemy podłączyć rozmaite moduły rozszerzające np. karty enkoderowe, kartę wejść / wyjść cyfrowych, kartę wyjść przekaźnikowych czy karty komunikacyjne. Producenci również dostarczają rezystory hamujące, które odbierają oraz rozpraszają energię powstałą w procesie hamowania. Zamieniają one tą energię w ciepło. Rezystory hamujące pozwalają na zachowanie dynamicznego hamowania nawet w przypadku maszyn o dużym momencie bezwładności. Niektóre falowniki dostępne na rynku posiadają własny wbudowany rezystor. 

Podsumowując

Falowniki zarówno jedno jak i trójfazowe, są jednym z podstawowych elementów automatyki jak i nowoczesnych technologi tj. napędzanie samochodów elektrycznych czy odzyskiwanie energii ze źródeł naturalnych. Rynek oferuje ogromną ilość przemienników od różnych producentów o wielkiej gamie dostępnych mocy. Za pomocą falowników jesteśmy w stanie wyregulować pracę silników w celu otrzymania najkorzystniejszych warunków pracy. Do poprawnej konfiguracji wystarczy instrukcja dołączona z urządzeniem oraz trochę zaangażowania i chęci.