Główną funkcją napędu o zmiennej częstotliwości (Variable Frequency Driver – VFD) – falownikowego, jest zmiana prędkości trójfazowego silnika indukcyjnego. Układ VFD daje także możliwość kontroli funkcji start/stop, przyspieszania i zwalniania oraz jest zabezpieczeniem przed przeciążeniem. Dodatkowo taki napęd może zmniejszyć maksymalny prąd rozruchowy silnika przez jego stopniowe rozpędzanie.
Układ VFD konwertuje wejściowy prąd zmienny na prąd stały, który następnie jest konwertowany na prąd trójfazowy na wyjściu. Bazując na indykatorach prędkości, układ bezpośrednio zmienia napięcie oraz częstotliwość prądu wyjściowego tak, aby kontrolować prędkość silnika.
Jest jedno zastrzeżenie: proces konwersji prądu zmiennego do stałego, a następnie do symulowanego prądu sinusoidalnego może zużywać do 4% mocy, która w przypadku bezczynności VFD będzie dostarczana do silnika. Z tego powodu układ falownikowy nie jest dobrym rozwiązaniem dla silników, które najczęściej pracują z pełną nominalną prędkością. Jeśli jednak napęd musi pracować ze zmienną prędkością, a tylko czasami z pełną mocą, zastosowanie układu falownikowego VFD może zwiększyć wydajność takiego napędu.
Argumenty za wyborem napędu o zmiennej częstotliwości
Typowe argumenty przemawiające za stosowaniem układów falownikowych VFD to: oszczędność energii, możliwość ustawienia prędkości i momentu obrotowego silnika, kontrola prądu rozruchowego i procedury hamowania oraz biegu wstecznego. Takie napędy zmniejszają zużycie energii, szczególnie w użyciu z wentylatorami odśrodkowymi oraz pompami. Zmniejszenie o połowę prędkości wirnika za pomocą VFD obniża zapotrzebowanie na moc ośmiokrotnie, ponieważ moc wentylatora jest proporcjonalna do sześcianu jego prędkości. W zależności od rozmiaru silnika oszczędności w wydatkach na energię elektryczną mogą pokryć koszt napędu falownikowego VFD w czasie krótszym niż dwa lata.
Załączenie silnika zmiennoprądowego wymaga prądu rozruchowego, którego wartość może być ponad ośmiokrotnie większa niż prąd potrzebny do pracy pod pełnym, nominalnym obciążeniem. W zależności od wielkości silnika może to być znaczące obciążenie dla systemu dystrybucji energii i zasilania, skutkując spadkami mocy, które z kolei mogą mieć wpływ na czułą aparaturę. Użycie napędu o zmiennej częstotliwości może się przyczynić do wyeliminowania nadmiernych spadków napięcia związanych z uruchomieniem silnika oraz zmniejszyć prąd rozruchowy i tym samym zredukować koszty operacyjne.
Kontrola prądu rozruchowego może także zwiększyć trwałość silnika, ponieważ nadmierne natężenia prądu skracają przewidywany czas życia silników zmiennoprądowych. Zmniejszona trwałość jest problemem szczególnie w zastosowaniach, które wymagają częstego rozruchu i zatrzymywania silnika. Układ VFD znacząco zmniejsza wartość prądu rozruchowego.
Możliwość zmiany prędkości pozwala optymalizować procesy wymagające ścisłej kontroli. Wiele napędów falownikowych VFD umożliwia zdalną regulację prędkości z wykorzystaniem potencjometru, klawiatury lub sterowników PLC. Takie układy mogą także ograniczyć stosowany moment obrotowy, by chronić maszyny oraz ostateczny produkt przed zniszczeniem. Kontrolowane zatrzymywanie silnika minimalizuje liczbę produktów wybrakowanych, a także zużycie wyposażenia.
Wybór właściwych parametrów
Podczas wyboru specyfikacji napędu o zmiennej częstotliwości – wielkości oraz mocy – należy rozważyć sposób użytkowania, aplikację, w której będzie użytkowany, oraz obciążenie, pod jakim będzie pracował. Czy obciążenie będzie stałe, czy zmienne? Czy czynności rozruch/zatrzymanie będą wykonywane często, czy układ będzie pracował na stałe?
Trzeba wziąć pod uwagę moment obrotowy oraz prąd szczytowy. Należy uwzględnić wartość tzw. piku prądowego w najgorszych warunkach pracy. Konieczne jest sprawdzenie wartości prądu pod pełnym, nominalnym obciążeniem (FLA), które podane jest na tabliczce znamionowej. Uwaga: jeśli silnik był przezwajany, wartość ta może być większa niż nominalna.
Nie należy dobierać wielkości napędu falownikowego VFD pod kątem wartości mocy. Zamiast tego powinno się dobrać moc układu względem maksimum zapotrzebowania prądu przy szczytowym momencie obrotowym silnika. Napęd VFD musi spełniać maksymalne wymagania zainstalowanego silnika.
Trzeba również wziąć pod uwagę to, że może być konieczne przewymiarowanie VFD. W niektórych zastosowaniach występuje chwilowe przeciążenie układu napędowego ze względu na obciążenie udarowe lub parametry związane z uruchomieniem silnika. Wydajność silnika jest uzależniona od tego, jaki prąd jest w stanie dostarczyć układ VFD. Na przykład w pełni obciążony przenośnik może wymagać ponadnormatywnego momentu obrotowego potrzebnego do wystartowania, a co za tym idzie – większej mocy z napędu VFD.
Wiele napędów falownikowych VFD jest zaprojektowanych tak, by mogły pracować przy 150-proc. przeciążeniu przez 60 sekund. W aplikacjach, które wymagają większych wartości, konieczne jest stosowanie przewymiarowanego układu.
Lokalizacja zakładu i wysokość nad poziomem morza również może mieć wpływ na poprawność działania napędów falownikowych VFD, ponieważ są one chłodzone powietrzem. Na dużych wysokościach powietrze jest rozrzedzone, co pogarsza wydajność chłodzenia. Większość napędów jest projektowanych do pracy przy 100% mocy do wysokości 1000 m n.p.m. Powyżej napęd musi być także nadwymiarowy.
Uwaga na obciążenie podczas hamowania
Przy średnich wartościach obciążenia związanego z siłą bezwładności zwykle nie występuje ryzyko przepięcia podczas zwalniania silnika. W zastosowaniach, w których pojawia się duża bezwładność, falownik VFD automatycznie wydłuża czas hamowania. Jeśli jednak wymagane jest szybkie wyhamowanie przy znacznym obciążeniu, konieczne jest zastosowanie hamulca elektrodynamicznego.
Gdy silnik zwalnia, działa jak prądnica, a hamulec elektrodynamiczny pozwala układowi VFD wytwarzać dodatkowy moment hamujący. Zwykle napęd falownikowy VFD może wytwarzać bez zewnętrznych urządzeń od 15 do 20% momentu hamującego. Jeśli istnieje taka konieczność, dodatkowy rezystor hamowania może zwiększyć moment wytwarzany przez układ VFD – pozwala to na szybsze wyhamowanie silników z dużą bezwładnością, a co za tym idzie – zwiększenie częstotliwości cykli start/stop.
Określenie wymagań I/O
Większość napędów falownikowych VFD można zintegrować z systemem sterowania istniejącym w zakładach przemysłowych. Prędkość silnika można ustawić manualnie za pomocą potencjometru lub z poziomu klawiatury. Dodatkowo praktycznie każdy układ VFD ma przynajmniej jedno gniazdo wejścia/wyjścia, a te z wyższej półki mają ich kilka, wraz z innymi portami komunikacyjnymi pozwalającymi na podłączenie do sterowników, a tym samym automatyczną zmianę prędkości silnika.
Większość napędów VFD ma kilka wejść i wyjść impulsowych oraz przynajmniej jedno wejście analogowe i jedno tego samego typu wyjście. Wejście impulsowe pozwala sparować układ VFD z modułami sterowania, takimi jak włączniki, przełączniki, czy wyjściami impulsowymi sterowników PLC. Takie sygnały są używane zwykle w celu wprowadzenia komend typu start/stop, przód/tył, zgłaszania błędu, wyboru zaprogramowanej prędkości, kasowania błędów, aktywacji/dezaktywacji regulatora PID.
Wyjściem impulsowym może być tranzystor, przekaźnik lub pulsator częstotliwości. Tranzystor zwykle łączy się ze sterownikami PLC lub ruchu, lampkami kontrolnymi oraz pomocniczymi przekaźnikami.
Wyjścia przekaźnikowe zazwyczaj sterują urządzeniami prądu zmiennego oraz innymi urządzeniami ze swoim własnym uziemieniem, ponieważ styki przekaźnika izolują od uziemienia urządzeń zewnętrznych. Wyjście pulsatora służy zwykle do wysyłania sygnału odniesienia o prędkości do analogowego wejścia sterowników PLC lub do innych napędów VFD. Zwykle uniwersalne wyjścia układów VFD to wyjścia typu tranzystor. Czasami napęd ma wbudowane jedno wyjście (lub więcej) typu przekaźnik, by odizolować urządzenia wysokoprądowe. Pulsatory częstotliwości występują najczęściej w układach VFD wyższej klasy.
Wejścia analogowe są wykorzystywane do sygnałów stałoprądowych (od 0 do 10 V) lub niskoprądowych (od 4 do 20 mA). Sygnały te mogą odpowiadać za nastawy prędkości i/lub obsługę pętli sprzężenia zwrotnego. Wyjścia analogowe mogą być użyte jako sygnały sprzężeń „w przód”, do dostarczania nastawów dla innych układów VFD, by reszta napędów pracowała z taką samą prędkością jak napęd główny. W innych przypadkach takie wyjścia mogą wysyłać informacje o prędkości, momencie obrotowym lub aktualnych sygnałach pomiarowych do systemu sterowania lub sterowników PLC.
Autor: Joe Kimbrell, tłum. Dawid Miś
