Użytkownicy, którzy chcą wybrać właściwy napęd o zmiennej częstotliwości (variable frequency drive, VFD), powinni wziąć pod uwagę jego aplikację, charakterystyki źródła zasilania oraz inne aspekty, dotyczące BHP i utrzymania ruchu, aby zapewnić zakładowi produkcyjnemu pracę przebiegającą bez zakłóceń i przy ograniczonych do minimum czasach przestoju.
Współczesne zakłady produkcyjne wymagają coraz więcej zautomatyzowanych układów sterowania oraz zwiększenia prędkości produkcji. Powszechnie wykorzystuje się napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) do sterowania pracą silników trójfazowych zarówno w zautomatyzowanych zakładach przemysłu przetwórczego, jak i obiektach handlowych. Ważne jest jednak, aby użytkownik wybrał taki napęd VFD, który będzie dopasowany do specyficznych potrzeb aplikacji. Zalety napędów VFD to:
- możliwość regulacji prędkości obrotowej silników
- ulepszone sterowanie procesem technologicznym i zwiększona wydajność produkcji
- regulacja przyśpieszania i hamowania
- zmniejszone zapotrzebowanie na moc i koszty energii elektrycznej
- wyposażenie w elektroniczne układy rozruchu i zmiany kierunku wirowania silników
- możliwość konwersji zasilania 1-fazowego na 3-fazowe
Nabywcy i projektanci sporządzający specyfikacje napędów VFD powinni przed wyborem napędu dla danej aplikacji odpowiedzieć sobie na pięć następujących pytań:
1. Jaka jest aplikacja napędu?
Aplikacje napędów VFD można podzielić na trzy typy:
- ze zmiennym momentem obrotowym
- ze stałym momentem obrotowym
- ze stałą mocą mechaniczną
Tabele referencyjne podane w katalogach producentów napędów oraz w licznych, branżowych serwisach internetowych, mogą dostarczyć użytkownikom wskazówek dotyczących momentu napędowego i charakterystyk mocy, wymaganych dla specyficznych aplikacji. W tabeli 1 podano kilka przykładów każdego z tych typów.
Najbardziej znaczącym czynnikiem w tym etapie procesu decyzyjnego jest dopasowanie charakterystyki obciążenia do napędu. Należy wybrać taki napęd, który będzie spełniał lub przewyższał zapotrzebowanie prądowe silnika w przeciętnym stanie ustalonym jego pracy i podczas przeciążenia, które jest typowe dla rozruchu ciężkiego silników.
2. Jakie są charakterystyki źródła zasilania napędu VFD?
Po zdefiniowaniu aplikacji napędu VFD następnym etapem jest określenie napięcia i częstotliwości zasilania oraz konfiguracji rozdziału energii. W Ameryce Północnej częściej wykorzystuje się napięcie zasilające AC, jednak istnieją aplikacje wymagające zasilania DC. Typowe zasilanie niskonapięciowe to: 115 V AC, 208÷230 V AC, 380÷480 V AC, lub 575÷600 V AC, a nawet 690 V AC.
Typowe częstotliwości napięcia zasilającego to 50 lub 60 Hz. Ponieważ ten parametr nie jest taki sam w różnych krajach, napędy AC mogą być zasilane ze źródeł DC, co rozszerza zakres ich wykorzystania dla różnych technologii i bardziej wymagających aplikacji systemowych.
3. Jaka obudowa jest wymagana dla napędu?
Zapewnienie prawidłowej obudowy dla napędu VFD jest sprawą kluczową, ponieważ zwiększa ona trwałość urządzenia i zapewnia mu ochronę przed czynnikami zewnętrznymi. Wiele napędów jest częścią większych platform automatyki i posiada zarezerwowaną przestrzeń w czystych, klimatyzowanych sterowniach. Warunki tam panujące są mniej stresujące dla sprzętu. Większość producentów posiada w ofercie napędy zamontowane na ramie montażowej (chassis) lub w obudowie o minimalnym stopniu ochrony, przeznaczone do pracy w takich właśnie warunkach.
Jednak większość indywidualnych sterowników silników, zainstalowanych przy obiektach, podlega zmiennym warunkom otoczenia. Poznanie warunków otoczenia miejsca zainstalowania napędu jest sprawą kluczową dla zapewnienia długiej eksploatacji takiego urządzenia. Najczęściej mogą być wymagane obudowy o stopniu ochrony wg standardu UL lub NEMA: 1, 12 i 4. Należy rozważyć parametry obudów wg tabeli 2.
Działanie napędów VFD poza tymi zakresami jest możliwe i każdy ich producent może dostarczyć współczynniki obniżenia parametrów znamionowych, aby pozwolić na prawidłowy wybór większego produktu dla bardziej wymagających aplikacji. W zależności od aplikacji mogą być też dostępne opcje opracowane na zamówienie klienta.
4. Czy napęd jest kompatybilny z procesem technologicznym
Na tym etapie procesu selekcji producenci maszyn oraz integratorzy systemów powinni zadać sobie dwa specyficzne pytania, dotyczące procesu technologicznego:
Czy jest wymagana regulacja automatyczna? Należy zdefiniować potrzeby i oczekiwania dla silników wykorzystywanych w danej aplikacji. Wiele aplikacji napędów związanych jest raczej ze sterowaniem procesem technologicznym, niż z regulacją prędkości obrotowej. Wbudowana pamięć, szybsze procesory oraz zainstalowane moduły wejść/wyjść (I/O), pozwalają napędom na sterowanie wieloma procesami. Może to być np. regulacja PID poziomu cieczy w zbiorniku za pomocą przetwornika podłączonego przewodowo do napędu, albo sterowanie pracą nawijarki uzwojeń, przy wykorzystaniu kilku enkoderów, sterujących wieloma napędami i wykorzystywanych do obliczania poprawnych wartości średnic oraz prędkości. Niezależnie od typu procesu, czy mierzonych sygnałów: ciśnienia, przepływu czy temperatury, czujniki pomiarowe są wykorzystywane do sterowania napięciem wyjściowym z modułu napędu, zasilającym silnik.
Jaki rodzaj komunikacji jest wymagany? Komunikacja jest kluczową częścią wielu aplikacji. W niektórych przypadkach wymagany jest tylko wyświetlacz, który podaje operatorowi użyteczne informacje, dotyczące realizacji procesu technologicznego. Inne typowe rodzaje komunikacji napędu to komunikacja za pomocą wyjść analogowych i cyfrowych. Użytkownik może też potrzebować danych statystycznych lub dotyczących parametrów regulowanych przez napęd, a dla takich celów dobrą opcją jest wykorzystanie magistrali polowej. Możliwe jest także sterowanie we współpracy z systemem zbierania danych (w przypadku aplikacji automatyki budynkowej).
5. Jakiego rodzaju serwisu i wsparcia ze strony producenta można oczekiwać?
Po pierwsze należy zapoznać się z warunkami gwarancji, aby wiedzieć, jakiego poziomu niezawodności pracy urządzenia można oczekiwać. Powszechne są okresy gwarancji wynoszące od 18 miesięcy do dwóch lat, ale mogą one być przedłużone do pięciu lat i więcej. Ważne jest, aby pamiętać że rynek elektroniki jest zmienny i nie ma żadnej pewności, że dziś zakupiony produkt będzie dostępny w niezmienionej formie za pięć lat. Pewne jest tylko to, że nadal będzie rozwijał się postęp technologiczny, zaś funkcjonalność produktów będzie coraz większa. Przy instalowaniu i uruchamianiu napędów cenna jest pomoc ekspertów z tej dziedziny. Dobra sieć wsparcia telefonicznego oraz serwisy lokalne/regionalne są sprawą podstawową w utrzymaniu ruchu linii produkcyjnych, zapewnieniu zajęcia pracownikom i tworzeniu dla nich dobrych warunków pracy. Łatwe serwisowanie i wsparcie ze strony producenta, może oznaczać mniejsze straty produkcji oraz krótsze czasy przestojów.
Opisane w artykule aplikacje napędów VFD są w pewien sposób znormalizowane czysto teoretycznie. W niektórych przypadkach mogą być zastosowane alternatywne kryteria wyboru tych urządzeń. Większość producentów napędów może pomóc klientom w zidentyfikowaniu tych przypadków specjalnych i w razie potrzeby wyprodukować specjalny napęd na zamówienie. Jednak nawet wtedy odpowiedzi na zaprezentowane tu pięć pytań mogą dać nabywcom i projektantom napędów VFD solidne podstawy dla wyboru tych urządzeń.
Autor: Tim Park, starszy inżynier aplikacji, firma Danfoss.
