Falownik hamowanie i zwalnianie

Falownik hamowanie

W tym poście opiszę w jaki sposób realizowanie jest poprzez falownik hamowanie silnikiem elektrycznym, jakie są dostępne sposoby zatrzymania silnika i w jaki sposób dobrać dodatkowy osprzęt oraz nastawy falownika.

 

falownik hamowanie
Falownik hamowanie – układ falownika, chopperów i rezystorów hamujących.

Opis problemu

Zapewne niejeden z Was miał już z tym  zagadnieniem do czynieni, albo napotka je w przyszłości. Zatrzymanie rozpędzone silnika może przysporzyć nie lada kłopotu, zwłaszcza gdy napędza on masę o dużej bezwładności lub gdy potrzebujemy zatrzymać układ w „krótkim czasie”. Celowo to napisałem w cudzysłowu, ponieważ jest to pojęcie bardzo względne i zależy od konkretnej aplikacji. Czasami 1 sekunda to bardzo długo i silnika będziemy w stanie zatrzymać nawet szybciej, a czasami 5 minut będzie dużym wyzwaniem dla falownika.

Na początku musimy zrozumieć co się dzieje gdy falownik hamowanie rozpoczyna. Stan pracy z silnikowej przechodzi w prądnicową, tzn. energia z rozpędzonego silnika wraca do falownika, powodując wzrost napięcia na szynach DC. Producenci falowników przewidzieli taką sytuację i przewymiarowali lekko wartości napięć, które mogą pojawić się na kondensatorach. Jednym słowem nie powinno dojść do uszkodzenia napędu, ponieważ gdy napięcie graniczne zostaje przekroczone, falownik rozpina silnik i ten zatrzymuje się wybiegiem. Życie, życiem i doświadczenie podpowiada mi, że do takich sytuacji nie należy za często doprowadzać. Kondensatory w takich sytuacja dostają w kość i po czasie będziemy musieli je wymienić, bo zwyczajnie nam eksplodują. W jaki sposób poprawnie skonfigurować falownik?

Jest klika sposobów w jakich falownik hamowanie i zwalnianie realizuje.

Falownik hamowanie
Falownik hamowanie – rezystory hamujące.

1. Hamowanie po rampach

Jest to najpopularniejszy sposób zatrzymania silnika poprzez falownik. Przeważnie jest to nastawa fabryczna. Falownik zwalnia od prędkości znamionowej do zera w ustalonym czasie. Np. gdy silnik pracuje ze znamionową częstotliwością 50 Hz i rampa hamowania wynosi 10 sekund, to w takim czasie falownik wyhamuje do zera. Gdy pracujemy z częstotliwością 25Hz na zatrzymanie potrzebne będzie 5 sekund. Rampy służą nie tylko do zatrzymania ale również do zwalniania. Jest to najlepsza metoda, gdy w określonym czasie musimy wyhamować lub zwolnić napęd. Problemy pojawiają się, gdy bezwładność układu nie pozwala nam zatrzymać napędu w żądanym czasie. Pojawią nam się wówczas alarmy przekroczenia napięcia na szynach DC. Rozwiązaniem jest wydłużenie czasów hamowania, bądź zakup rezystora hamującego. Aby rezystor podłączyć po falownik musi on być wyposażony w chopper hamowania lub będziemy musieli taki chopper dokupić osobno. No i tu zwracam uwagę, bo tanie falowniki mogą nie być wyposażone w taki chopper. Warto o to zapytać przed zakupem, bo później możemy mieć dodatkowe wydatki. Oczywiście nie zawsze chopper jest potrzebny np. aplikacje pompowe lub wentylatorowe. Spotkałem się też z tym, że falowniki zasilane jednofazowo w ogóle nie miały możliwości podpięcia choppera – wykonanie low cost. Rezystor hamujący powoduje, że energia która wraca podczas hamowania do falownika, odkłada się na rezystorze i ulatnia pod postacią ciepła. W innym poście omówię szerzej kwestię doboru rezystorów.

Falownik hamowanie
Falownik hamowanie – rezystory większych mocy z chopperami hamowania.

2. Hamowania prądem stałym.

Inną metodą hamowania jest hamowanie prądem stałym. Falownik podaje prąd stały na uzwojenia silnika. Jest to także dynamiczna metoda hamowania, z tym że powoduje grzanie się uzwojeń, co w dłużej eksploatacji prowadzić będzie do szybszego zużycia silnika. Jeśli nie potrzebujemy zbyt często hamować i zwalniać, to ta metoda może być dla nas bardzo dobra. Falowniki posiadają szereg nastaw, więc możemy ustawić próg hamowania np. na 10 Hz – poniżej tej częstotliwości zacznie się hamowania prądem stałym. Metoda tania – nie wymaga dodatkowego osprzętu (pod warunkiem że falownik taką funkcje posiada).

 3. Falownik hamowanie „wybiegiem”.

Hamowanie wybiegiem, to najprościej mówiąc zabranie napięcia z uzwojeń silnika. Wirnik zatrzyma się sam. Wadą tej metody jest to, że nie wiemy kiedy to nastąpi. Zaletą natomiast to, że do falownika nie wraca energia z hamowania.

4. Falownik hamowanie ze zwrotem energii do sieci zasilającej.

Ta metoda pozwala nam zaoszczędzić pieniądze, bo możemy oddawać energię do sieci zasilającej. Na pierwszy rzut oka jest to najlepsza metoda z możliwych. Niestety nie wszystko złoto co się świeci. Żebyśmy mogli z tego czerpać korzyści, to muszą być spełnione pewne kryteria. Na pewno nie jest to metoda dla każdej aplikacji. Weźmy np. windę, która wydaje się być idealnym rozwiązaniem. Otóż tak nie jest. Windy posiadają przeciwwagę, czyli ciężar który równoważy obciążenie. Pustej windzie lepiej jest jechać do góry niż na dół, ponieważ przeciwwaga to połowa obciążenia windy. Odzysk energii, gdyby był, to byłby znikomy. Żeby falownik zaczął oddawać energię do sieci, to jej wartość musi być na pewnym poziomie, np. powyżej 50% mocy falownika. Warto o to zapytać firmę, która takie systemy oferuje. Odzysk musi też trwać jakiś czas. Idealną aplikacją jest np. wciągarka na kopalni.

 Szybkie zatrzymanie.

Co zrobić, gdy musimy zatrzymać szybko układ o dużej bezwładności, a dostępne rezystory hamujące – nawet te najbardziej wydajne nie dają rady? Wyobraźmy sobie sytuację z życia. Chcemy zatrzymać rozpędzony czołg niemal w miejscu. Czy da się to zrobić? Oczywiście, że się da. Problemem jest tylko odpowiednio duży hamulec. Tak samo jest z napędami elektrycznymi. Jeśli wszystko zawodzi, a wy musicie zatrzymać silnik użyjcie większego falownika z większym rezystorem, na pewno pomoże. Jak bardzo większego? To już kwestia odpowiednich wyliczeń lub prób praktycznych. Powodzenia.

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.