Zaawansowane linie technologiczne, urządzenia i maszyny wielu branż przemysłu, przede wszystkim spożywczej, wydobywczej czy też ciepłowniczej, wymagają bardzo precyzyjnego sterowania pracą silników. Pomimo tego, że dostępne na rynku silniki elektryczne charakteryzują się trwałością i nowoczesną konstrukcją, nie są one w stanie samodzielnie sprostać wyzwaniom aplikacji wymagających dokładnej regulacji prędkości napędu.
Właśnie z myślą o tych zadaniach projektowane i produkowane są przemienniki częstotliwości w praktyce nazywane falownikami lub przetwornicami częstotliwości. Mają one na celu poprawę charakterystyk silników i są nieodzownym elementem wentylatorów, pomp, kruszarek, dmuchaw, taśmociągów i wielu innych urządzeń i maszyn. Producenci falowników stale je unowocześniają i wyposażają w coraz więcej funkcji.
Podstawowym zadaniem falowników jest regulowanie prędkości obrotowej silników elektrycznych. Jednak ich rozwój spowodował, że stały się ważnym elementem przemysłowych systemów automatyki. Dzięki wyposażeniu w protokoły komunikacyjne współpracować mogą z innymi podzespołami sterującymi.
Dostępne na rynku falowniki są w wersjach z zasilaniem jedno- oraz trójfazowym, a ich parametry są ściśle dobierane do właściwości silnika, przede wszystkim mocy i maksymalnych obrotów.
Obudowy i chłodzenie
Falowniki FC 100 firmy Danfoss wykorzystują system inteligentnego zarządzania chłodzeniem. W temperaturze otoczenia do 50° C falownik pracuje bez błędów z nominalnymi parametrami, co gwarantuje trwałość oraz niezawodność urządzenia. Alternatywą jest wdmuchiwanie przez wentylator chłodnego powietrza, które przepływa wyłącznie przez radiator, a część elektroniczna jest oddzielona od kanałów wentylacyjnych.
Inny sposób chłodzenia przemiennika to tzw. cold plate. Polega on na tym, że tylna część obudowy falownika wykonana jest z aluminium pełniącego rolę radiatora. Falowniki PowerFlex 700L Allen Bradley chłodzone są cieczą.
Falowniki dostępne są w różnych stopniach ochrony, maksymalnie do IP 66, co gwarantuje zabezpieczenie urządzenia przed kurzem, brudem, substancjami chemicznymi oraz wodą pod niskim ciśnieniem. Przystosowane są one do montażu w szafach elektrycznych i na szynach DIN35. Niektóre modele pracować mogą w temperaturze od 0 do 50° C oraz wilgotności od 20 do 85%. Wielkość obudowy determinowana jest przez moc silnika, z jakim współpracuje przetwornica.
Obudowa przetwornicy Decentral FCD 300 firmy Danfoss pozwala na jej zabudowę w pobliżu silnika lub bezpośrednio na nim. Funkcjonalność instalacji zdecydowanie poprawia ograniczenie do minimum okablowania. Podwyższony stopień ochrony IP 66 pozwala na stosowanie urządzenia w trudnych warunkach. Obudowa jest zwarta i wytrzymała na czynniki mechaniczne.
Sygnalizacja
Nowoczesne technologie mikroprocesorowe pozwalają na wyposażenie falowników w systemy diagnostyki i zabezpieczeń mających na celu ochronę zarówno przemiennika częstotliwości, jak i napędów nim sterowanych. Pozwala to m.in. na stwierdzenie zbyt wysokiego oraz obniżonego napięcia w obwodzie pośredniczącym. Sygnalizowana jest również zbyt wysoka temperatura radiatora, a także przeciążenia i zaniki faz.
Niektóre modele przemienników (np. firmy Omron czy też Invertek Driver) wyposażone są w tryb uśpienia. Dzięki tej funkcji falownik rozpoznaje zmniejszony pobór prądu i przechodzi w tryb oszczędzania energii.
Falowniki serii 584SV firmy Eurotherm Drives wyposażone są w funkcję Autotune, pozwalającą na samostrojenie parametrów PID w stosunku do regulowanego urządzenia. W systemie tym wyjście przemiennika odczytuje parametry Proportional, Integral i Derivative (PID), których zmiany determinują pracę falownika. Procedurę samostrojenia wykonuje się jednorazowo, jednak można ją również przeprowadzić w każdym innym momencie, np. po zmianie warunków pracy.
Interfejsy komunikacyjne
Za względu na to, że przemienniki częstotliwości współpracują z innymi urządzeniami automatyki, muszą być wyposażone w odpowiednie interfejsy komunikacyjne zarówno na wejściu, jak i na wyjściu. Wartość zadana wprowadzana jest sygnałem w postaci pętli napięciowej 0–10 V, pętli prądowej 4–20 mA (0–20 mA) lub wejścia szeregowego RS485. W zależności od modelu i producenta falownika opcjonalnie mogą być one wyposażone w inne systemy transmisji danych.
Falownik G7 firmy Omron wyposażany jest w dodatkowe interfejsy transmisyjne za pomocą kart komunikacyjnych. Pierwsza z nich – DeviceNet – służy do uruchamiania lub zatrzymywania falownika, ustawiania lub wyznaczania parametrów za pomocą sieci DeviceNet. Opcjonalne karty Profibus – DP i CANopen łączą przemiennik z urządzeniami nadrzędnymi, wykorzystując właśnie tego typu protokoły. Inne karty pozwalają na wykorzystanie systemów transmisji danych opartych na LONWORKS. Falownik G7 może być również wyposażony w kartę Ethernet wykorzystującą protokół TCP/IP Modus, a także w magistralę ruchu o dużej szybkości, pozwalającą na łączenie z siecią MECHATROLINK – II.
Przemienniki częstotliwości OPTIDRIVE firmy Intertek Drives mogą być łączone w sieć komunikacyjną dzięki zastosowaniu światłowodów OPTILINK. Soczewki optyczne pracują w paśmie światła podczerwonego. Połączenie wykorzystuje nadawczo-optyczne porty falownika. Technologia światłowodowa oparta na polimerowych przewodach stwarza możliwość łączenia elementów w odległościach od 1 do 3 m. W przypadku transmisji danych na większe odległości zastosowanie znajdują światłowody szklane. Połączenie takie zapewnia galwaniczną izolację między portami komunikacyjnymi oraz wysoką odporność na zakłócenia elekromagnetyczne. Wykorzystanie złączy z zatrzaskami pozwala na szybkie rozpinanie poszczególnych podzespołów sieciowych.
Przeznaczone do urządzeń dźwigowych
Z myślą o urządzeniach dźwigowych produkowane są falowniki PowerFlex 700 marki Allen Bradley firmy Rockwell Automation. Funkcja TorqProve pozwala na sterowanie momentem silnika i hamulcem mechanicznym w urządzeniach dźwigowych. Rozwiązanie to zapewnia sterowanie obciążeniem również w przypadku awarii hamulca mechanicznego. W przypadku jego uszkodzenia falownik tak steruje napędem, aby opuszczał on ciężar stopniowo, z jednoczesnym monitorowaniem poszczególnych etapów włączania hamulca, aż do momentu, gdy ciężar będzie w bezpiecznym miejscu. W zależności od modelu automatyczna kontrola momentu oraz stanu hamulca odbywa się z wykorzystaniem enkodera lub bez jego użycia. Przemiennik jest w stanie zabezpieczyć układ przed niewłaściwą prędkością silnika w zależności od obciążenia, poślizgu hamulca, usterek odchyleń prędkości, a także błędów enkodera i utraty fazy na wyjściu. Istotną kwestię stanowi również możliwość konfiguracji zapewniającej prędkości dojazdowe. Bezpieczeństwo obsługi urządzeń dźwigowych znacząco poprawia również funkcja szybkiego zatrzymania. Wejścia falownika przystosowane są do odbioru sygnałów z krańcówek dojazdowych i granicznych.
Rezystory hamowania
W wielu systemach wykorzystujących falowniki istotną kwestię stanowią rezystory hamowania. W obwodzie przemiennika częstotliwości są one uaktywniane poprzez tranzystor hamowania, tzw. chopper. W przypadku gdy częstotliwość wyjściowa jest obniżana, silnik pracuje jako generator, czego efektem jest wzrost napięcia w pośrednim obwodzie falownika. Chopper uaktywnia rezystor hamujący, kiedy napięcie przekroczy określoną wartość. Wytwarzana energia zostaje wytracona w postaci ciepła na rezystorze. Podzespoły tego typu przejmują dużą energię w krótkim czasie. Dzięki zastosowaniu profili aluminiowych o odpowiednim ukształtowaniu uzyskuje się zwiększenie powierzchni zewnętrznej. Niektóre modele rezystorów (np. REOHM serii BW 150 firmy REO) dostępne są w wersjach z wypełnionym i uszczelnionym obszarem wewnętrznego elementu oporowego, dzięki czemu podzespoły mogą być stosowane w trudnych warunkach, wymagających stopnia ochrony IP 65.
W miejscach o ograniczonej powierzchni z pewnością znajdą zastosowanie rezystory mocowane w bezpośrednim otoczeniu przemiennika częstotliwości, dzięki konstrukcji pozwalającej na bezpośredni montaż pod falownikiem.
Rezystory wykorzystywane zarówno do pracy z falownikiem, jak i innymi systemami stosowanymi w przemyśle i energetyce wykonane są w postaci drutowej. Budowa oporów serii DEZ firmy GINO EZE wykorzystuje ceramiczny wałek wsporczy z uzwojeniem drutowym, które pokryte jest warstwą specjalnego cementu, chroniącego przewód oporowy. Całość zamontowana jest w obudowie z ocynkowanej blachy stalowej. Wyprowadzenia elektryczne przechodzą przez dławik kablowy z gniazdem metrycznym.
Filtry i dławiki
Filtry znajdują zastosowanie w falownikach oraz innych urządzeniach przekształtnikowych, w których duże impulsy oraz duża częstotliwość zmian prądu wywołują pola elektromagnetyczne mogące być przyczyną zakłóceń pracy innych urządzeń. Nowoczesne filtry cechują się przede wszystkim prostym montażem, bowiem mogą być instalowane bezpośrednio pod falownikiem. Podzespoły tego typu dopuszczone do sprzedaży na rynku europejskim spełniają wymagania dyrektyw i norm dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej.
Większość firm produkujących falowniki oferuje również dławiki mające na celu ochronę pracy pozostałych maszyn i urządzeń zasilanych z tej samej sieci przed zakłóceniami. Elementy te ograniczają rozprzestrzenianie się wyższych harmonicznych w obwodach zasilania. Oprócz tego tłumione są przepięcia komutacyjne, które występują najczęściej podczas przełączania tyrystorów, wykorzystywanych w przemiennikach częstotliwości. Podzespoły te produkowane są jako jednofazowe oraz trójfazowe. Dławiki sieciowe instalowane są na wejściu falownika, natomiast dławiki silnikowe znajdują zastosowanie między innymi w przypadku długich połączeń pomiędzy silnikiem a falownikiem. Istotną kwestię stanowi również kompensacja pojemności linii zasilania, poprawa współczynnika mocy, a także ograniczenie wartości prądu zwarciowego, co zyskujemy dzięki zastosowaniu dławików silnikowych.
Akcesoria
Producenci falowników oferują również akcesoria poprawiające komfort obsługi. Przykładem takiego urządzenia może być panel i wyświetlacz ułatwiający obsługę przemiennika częstotliwości w przypadku odległych miejsc jego zainstalowania. Wygląd zdalnego pulpitu Optiport Plus firmy Intertek Drives zbliżony jest do panelu sterującego falownika. Urządzenie to wyposażone jest w czytelny wyświetlacz LED. Zasilanie oraz transmisja danych wykorzystuje wspólny kabel RJ-11. Optiport Plus może współpracować z wieloma napędami. Dwa panele mogą być podłączone do jednego napędu, dzięki czemu uzyskujemy możliwość wyświetlania kilku parametrów jednocześnie, chociażby wartości pobieranego prądu, prędkości czy też mocy. Programowanie oraz wyświetlanie informacji odbywa się w czasie rzeczywistym, a połączenie z napędem przeprowadzane jest automatycznie. Stopień ochrony obudowy wynosi IP 54. Panel wyposażony jest również w blokadę dostępu parametrów. Urządzenie to charakteryzuje się szerokim zakresem napięcia zasilania (od 10 do 36 VDC) oraz niewielkim poborem prądu (ok. 30 mA). Transmisja danych wykorzystuje interfejs RS 485. Panel może pracować w temperaturze od 0 do 50° C.
Funkcje dodatkowe
Przetworniki częstotliwości VLT HVAC Drive firmy Danfoss mogą pracować w tzw. trybie przeciwpożarowym, dzięki któremu możliwe jest utrzymanie podczas pożaru wyjść ewakuacyjnych w stanie wolnym od dymu. Po włączeniu tej funkcji falowniki odpowiedzialne za sterowanie silnikami wentylatorów pomijają wszystkie ograniczenia i limity. Praca wentylatorów trwa do czasu całkowitego zniszczenia układów sterowania. W trybie tym napęd pracuje nawet w przypadku zaniku fazy, przepięcia czy też asymetrii zasilania.
Przemienniki częstotliwości z tej serii wyposażone są również w funkcję Automatycznej Optymalizacji Zużycia Energii (AEO), która pozwala na optymalne magnesowanie silnika napędu przy każdej prędkości i w każdych warunkach obciążeniowych. Dla zapewnienia optymalnego i ekonomicznego użytkowania wentylatora lub pompy, charakterystyka napięcia do częstotliwości dla silnika powinna być ustalona z uwzględnieniem obciążenia, jakie wystąpi przy różnych prędkościach obrotowych. Falowniki VLT HVAC parametr ten nastawiony mają fabrycznie, dlatego też nie jest konieczne dobieranie współczynnika U/f indywidualnie.
Ciekawym rozwiązaniem, mającym na celu zmniejszenie zużycia energii, jest funkcja kompensacji przepływu. Wykorzystuje ona sygnał z czujnika ciśnienia zainstalowanego bezpośrednio za pompą do skompensowania wartości sprzężenia zwrotnego dla regulatora, tak aby ciśnienie w układzie było poprawne we wszystkich obszarach sieci.
Falowniki VLT HVAC Drive mogą być wykorzystywane w układach sterowania systemów BMS (Building Management System) przemiennik ma timer i zegar czasu rzeczywistego, dzięki czemu istnieje możliwość zaprogramowania reakcji napędu na konkretne zdarzenia. Przetwornice te mają również rozbudowane funkcje pozwalające na uzyskanie informacji, takich jak całkowite zużycie energii w przedziałach godzinowych, kolejnych dniach czy tygodniach.
Oprogramowanie
Falowniki, podobnie jak wiele innych urządzeń sterowania i automatyki, mogą być zarówno parametryzowane, jak i diagnozowane za pomocą oprogramowania komputerowego.
Program ProDrive służy do współpracy z falownikami Hitachi serii L i SJ 100, 200 i 300 oraz X200. Po zainstalowaniu i uruchomieniu oprogramowanie pozwala na wprowadzenie wszelkich zmian parametrów falownika, tworzenie i zapamiętywanie wielu ich projektów oraz przenoszenie parametrów do kolejnych falowników. Oprócz tego mamy możliwość sterowania i wizualizacji pracy przemiennika. Parametry falownika zestawiane są w tabeli w głównym oknie programu.
Poszczególne tabele zawierają:
- nazwę parametru,
- rodzaj funkcji,
- opis,
- zakres nastaw,
- aktualną wartość wpisaną w falowniku,
- nastawę użytkownika oraz wartość domyślną tego parametru.
Oprogramowanie może pracować w dwóch trybach on-line oraz off-line. Korzystając z pierwszej możliwości, program współpracuje z podłączonym do komputera falownikiem, zaś tryb off-line umożliwia stworzenie pliku z nastawieniem parametrów przy odłączonym falowniku.
Okno główne programu składa się z paska menu, paska narzędzi, drzewa projektu, tabeli parametrów, legendy, paska statusu oraz panelu sterowania.
Serwonapędy
Urządzenia te znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest precyzja w pracy silnika, w szczególności w obrabiarkach, robotach i maszynach precyzyjnych. Pozwalają one również na pozycjonowanie osi zgodnie z zaprogramowanymi parametrami. W serwonapędach wyróżnić można trzy elementy – silnik, sterownik silnika oraz elektroniczny układ pozycjonujący.
Serwonapęd Unidrive firmy Control Techniques, zasilany napięciem 3×400 VAC z serwosilnikiem UNIMOTOT, tworzy układ napędowy, dzięki któremu można sterować prędkością i położeniem. System ten wyposażony jest standardowo w wejście enkodera inkrementacyjnego. Rozdzielczość zadawania prędkości wynosi 16 bitów, a próbkowanie wejścia pętli prędkości odbywa się co 336 ms, natomiast próbkowanie pętli prądu co 175 ms. Opcjonalnie układ może być wyposażony w wejście z rezolwera i enkodera sin/cos. Urządzenie wyposażono w interfejsy RS232, RS485, Profibus DP, Interbus–S, DeviceNET, Modbus oraz CT Net. Producent udostępnia darmowe oprogramowanie sterujące UniSoft.
Dla serwisu
Ze względu na to, że falowniki są urządzeniami bardzo często wykorzystywanymi w przemyśle, istnieje konieczność przeprowadzania przez serwisantów utrzymania ruchu czynności związanych z regulowaniem oraz serwisowaniem. Przydatne zatem może się okazać bezprzewodowe narzędzie do programowania napędów firmy Intertek Drives. Optiwand Plus CE jest programem wykorzystującym środowisko Windows Compact Edition do palmtopów. Dzięki temu mamy możliwość komunikowania się z falownikami za pomocą portu podczerwieni. Oprogramowanie pracuje zarówno w trybach on-line i off-line. Wprowadzone do programu parametry mogą być przechowywane w postaci plików. Prostą obsługę zapewnia graficzny interfejs programu. Za pomocą palmtopa można również monitorować podstawowe parametry przemiennika w czasie rzeczywistym.
Autor: Damian Żabicki
