Falownik czyli przemiennik częstotliwości.

Falownik jest potoczną nazwą przemiennika częstotliwości lub przetwornicy częstotliwości. Wzięło się to stąd, że falownik jest jednym z elementów przemiennika.

Falownik
Falownik

Falownik (przemiennik częstotliwości lub przetwornica częstotliwości) to urządzenie energoelektroniczne służące do płynnej regulacji obrotów trójfazowych silników asynchronicznych klatkowych lub pierścieniowych (po zwarciu pierścieni). W praktyce spotkałem się z tym, że zwykłym falownikiem można było również sterować silniki synchroniczne – po odpowiednim skonfigurowaniu parametrów.

Falownik
Falownik

Zasilanie

Falowniki zasilane są przeważnie napięciem zmiennym 3 – fazowym 200-240Vac, 380-460Vac, 380-500Vac, 500-600Vac, 575-690Vac oraz 1 – fazowym 200-230V. Możliwe jest również bezpośrednie zasilanie z napięcia stałego: 280-360Vdc, 530-705Vdc, 705-845Vdc, 845-970Vdc. Podane wartości są przykładowymi, mogą się różnić w zależności od danego producenta.

Falownik
Falownik

Budowa

Przemiennik częstotliwości składa się z: układu prostownika – prostuje on napięcie zasilające zmienne na stałe, baterii kondensatorów – gdzie magazynowana jest energia oraz układu wyjściowego składającego się z tranzystora IGBT (ten układ to w rzeczywistości falownik, czyli jeden z elementów przetwornicy częstotliwości). Dodatkowo mamy układ sterowania składający się z procesora sygnałowego oraz wykonawczego. Nie będę szczegółowo „rozkładał” falownika na części pierwsze, bo nie o to tu chodzi żebym prowadził wykład z energo czy klasycznej elektroniki. W postach będę bardziej opisywał konkretne problemy pojawiające się w życiu codziennym inżyniera automatyka lub elektryka.

Przebieg wyjściowy

Ważną informacją jest to, jaki przebieg otrzymujemy na wyjściu, po całym procesie przetworzenia energii. Otóż na wyjściu mamy przebieg sinusoidalny składający się z regulowanych impulsów PWM (ang. pulse-width modulation), czyli modulację szerokości impulsów. Co to dla nas oznacza w praktyce? To, że przebieg który otrzymujemy na wyjściu nie jest idealny. Gdybyśmy podglądnęli go na oscyloskopie, to zauważylibyśmy, że jest on  „poszarpany”. Silnikowi wystarcza to do poprawnej i stabilnej pracy. Pamiętajmy o tym, że falowniki zostały zaprojektowane właśnie do sterowania prędkością obrotową silników. Użycie ich do jakichkolwiek innych urządzeń prawdopodobnie się nie sprawdzi. W swojej praktyce spotkałem się z takimi problemami. Np. klient chciał użyć falownik do sterowania wydajnością grzałek. Oczywiście odradzałem takie rozwiązanie i niestety nie udało mu się tego dokonać. Innym razem ktoś sobie wymyślił, że użyje falownika do podłączenia lodówki pracującej z częstotliwością 60Hz (standard amerykański) poprzez falownik – również takie rozwiązanie nie zdało egzaminu.

Podział falowników:

– ze względu na rodzaj zasilania

W wikipedii możemy odnaleźć punkt o podziale falowników ze względu na rodzaj zasilania: falownik napięcia i prądu. Pytanie o podział falowników ze względu na rodzaj zasilania zadaje się często studentom i uczniom. Zastanawiam się czemu tak jest, gdyż przytłaczająca większość falowników które spotykamy w przemyśle to falowniki napięcia. Falowniki prądu są rzadkością. Informacja o stosowaniu dławika tylko w przemienniku prądu nie jest do końca precyzyjna, ponieważ producenci polecają wręcz dławiki na wejściu falowników napięcia.

– ze względu na rodzaj sterowania

Sterowanie skalarne

Przykładowe oznaczenie: IFD – Inverter Frequency Drive, czyli charakterystyka U/f. Jest to najczęściej używany algorytm. Wraz ze wzrostem częstotliwości wzrasta również proporcjonalnie napięcie. Co raz trudniej jest znaleźć falownik tylko ze sterowaniem skalarnym. Przeważnie klienci szukają „falowników wektorowych”, bo przyjęło się że takie są lepsze.  Z reguły nie wiedzą, że domyślnie ustawiony jest algorytm U/f, czyli wspomniane sterowanie skalarne i przeważnie na takim pracują. Warto takie rzeczy sprawdzać, bo można dzięki temu zaoszczędzić trochę pieniędzy. Falowniki skalarne, jeśli już takie znajdziemy, są z reguły tańsze od wektorowych. Przykładowe aplikacje: pompy, wentylatory, taśmociągi itp.

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe

Przykładowe oznaczenie: VTC – Vector Toque Control – jest to sterowanie, gdzie do określenia prędkości obrotowej nie używa się zewnętrznego czujnika, np. enkodera lub tachoprądnicy. W tego typu sterowaniu najważniejsze jest utrzymanie stałej prędkości obrotowej, niezależnie od obciążenia na wale silnika (sterujemy obrotami silnika). Zaobserwować to można np. gdy do dyspozycji mamy falownik małej mocy, np. 0,4kW, który ma zarówno sterowanie skalarne, jak i bezczujnikowe wektorowe. Gdy falownik pracuje na skalarnym i częstotliwość wyjściową ustawimy na poziomie 1-2Hz, to wał silnika będziemy mogli zatrzymać ręką. Gdy przełączymy na wektorowe, zobaczymy że jest to niemal niemożliwe. Przykładowe aplikacje: kruszarki, młyny, prasy itp.

Sterowanie wektorowe z czujnikiem

Przykładowe oznaczenie: FOC – Field Oriented Control – rodzaj sterowania wektorowego, gdzie do pomiaru prędkości obrotowej (nie kontrolujemy położenia – pozycji wału silnika tylko prędkość!) używa się zewnętrznego czujnika w postaci enkodera lub tachoprądnicy. Jest to bardzo precyzyjne sterowanie obrotami silnika. Np. możemy ustawić prędkość obrotową na poziomie 0,01 obr./min. Aplikacje, w których używa się tego typu falowniki to: wciągarki, windy, wytłaczarki i wszędzie tam, gdzie precyzyjnie musimy kontrolować prędkość obrotową.

Sterowanie momentem

Przykładowe oznaczenie DTC – Direct Torque Control – jest to rodzaj sterowania, gdzie nie liczy się prędkość obrotowa, tylko moment (prąd) z jakim ma pracować silnik. Tego typu sterowanie wykorzystywane jest w aplikacjach, gdzie musimy coś zwijać lub rozwijać z określoną siła np. w maszynach drukarskich – sterowanie rolką na którą nawijany jest papier. Żeby go nie zerwać musimy ustawić odpowiedni moment. Podobne aplikacje to: zwijanie sznurka, nici, drutu lub gdy musimy coś zakręcić, dopchnąć z określoną siłą.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *