Właściwe zrozumienie zasad funkcjonowania nowoczesnych układów napędowych z regulowaną prędkością pomaga w podjęciu właściwej decyzji przy wyborze napędu dla konkretnej aplikacji.
Nowoczesne układy regulacji prędkości napędów elektrycznych prądu przemiennego sterują jej wartością poprzez zmianę częstotliwości zasilania silnika. Zwykle taki klasyczny układ regulacji składa się z trzech podstawowych elementów: silnika trójfazowego prądu przemiennego, przemiennika częstotliwości i pulpitu operatorskiego.
Silnik to zazwyczaj indukcyjny silnik klatkowy na napięcie 240 lub 415 V, trójfazowy i o częstotliwości znamionowej 50 lub 60 Hz. Przemiennik częstotliwości to jednolity układ, o parametrach zasilania na wejściu identycznych jak opisany wcześniej silnik, umożliwiający regulację częstotliwości na wyjściu w zakresie od 2 Hz do 60 Hz i więcej. Przemiennik pozwala także na regulację poziomu napięcia wyjściowego, proporcjonalnie do zmian częstotliwości, zapewniając stały współczynnik zależności napięcia i częstotliwości, jak tego wymagają charakterystyki pracy w silnikach prądu stałego. Operator napędu ma możliwość jego uruchomienia, zatrzymania i zadawania prędkości obrotowej w czasie jego pracy, a może tego dokonywać przez dedykowany pulpit czy klawiaturę lub stosując standardowe urządzenia systemów automatyki przemysłowej i inne.
Podstawowe elementy ochrony silnika
W układach napędowych zawsze należy pamiętać o ochronie silnika przed przeciążeniem, zwłaszcza że nie jest ona zapewniana fabrycznie na etapie produkcji silników. Dostępne na rynku przemienniki częstotliwości wyposażone są w elektroniczne układy zabezpieczające z charakterystykami I2T lub zwłocznymi, zgodnymi z parametrami pracy klasycznych przekaźników nadmiarowych. Przekaźniki te są również używane w przemiennikach z tzw. by-pasem. Jeżeli tego typu urządzenia zabezpieczające są stosowane dla silników z obciążeniem ciągłym, powinny one pracować z minimalną prędkością obrotową, tak by zapobiec ruchowi silnika z prędkościami mogącymi spowodować jego przegranie, chyba że obwody zabezpieczeń przed przeciążeniem automatycznie uniemożliwiają osiągnięcie niebezpiecznych parametrów pracy maszyny. Najlepszym jednak zabezpieczeniem silnika przed przeciążeniem i nadmiernym nagrzewaniem jest zainstalowanie odpowiednich czujników temperatury (np. termistorów, wyłączników temperaturowych) wbudowanych w uzwojenia takiej maszyny. Wspomniane wyłączniki są dogodniejsze, ze względu na fakt ich bezpośredniego włączenia w obwód sterowania prądem silnika, podczas gdy termistory wymagają zwykle współpracy z dodatkowym, czułym przekaźnikiem. W układach napędowych preferuje się stosowanie ochrony przed przegrzaniem, niż ochrony przed przeciążeniem prądowym, ponieważ nadmierny wzrost temperatury, zmniejszający żywotność maszyny, może się pojawić także w warunkach jej normalnej pracy, przy prądach nominalnych.
Przepięcia w łożyskach silników i ochrona przed nimi
Bardzo szybkie częstotliwości przełączania elementów energoelektronicznych w nowoczesnych sterownikach z modulacją szerokości impulsów PWM mogą
spowodować przepływ prądów przez łożyska silnika, będących skutkiem powstawania tzw. napięć wspólnych na pojemnościach sprzęgających wału silnika. Prądy te mogą doprowadzić do powstawania w łożyskach niepożądanych wyładowań elektrycznych, przyspieszających ich zużycie.
Istnieje kilka technik pozwalających na redukcję tego zjawiska:
- Jeśli to możliwe, warto zastosować silnik na niższe napięcie zasilania – 230 V zamiast 415 V.
- Uruchomić przemiennik częstotliwości na najniższej z możliwych częstotliwości naośnych, zapewniającej niską hałaśliwość i spełniającej wymogi temperaturowe pracy napędu.
- Dołączyć do napędu dodatkowe uziemienia wału silnika. Uziemienie takie to zwykle szczotka, ślizgająca się po powierzchni wału, ze zwodem uziemiającym, dzięki któremu prądy nie przedostają się do łożysk, ale bezpośrednio do ziemi. Szczotki do takich uziemień są specjalnie dobierane, tak by zapewniały stały kontakt z powierzchnią wału w czasie całego cyklu życia maszyny.
- Stosowanie silników z dwoma izolowanymi łożyskami, zapobiegającymi powstawaniu wyładowań. UWAGA: Jeżeli na wale silnika będą się znajdować inne, nieizolowane łożyska mechaniczne, mogą one ulegać destrukcji, na skutek napięcia powstającego na wale maszyny.
- Stosowanie nieprzewodzących połączeń w układach mechanicznych, pomiędzy wałem i obciążeniem i innymi urządzeniami.
- Zapewnienie prawidłowego uziemienia współpracującego z silnikiem przemiennika częstotliwości, wg zaleceń producenta.
- Stosowanie filtrów redukujących powstawanie tzw. napięć wspólnych.
Wysokie częstotliwości przełączania elementów energoelektronicznych mogą powodować również duże przepięcia na stykach łączeniowych silników.
Przepięcia na wyjściu przemiennika i w terminalu łączeniowym silnika
W sterownikach z modulacją PWM znajdują się szybkie elementy półprzewodnikowe – tranzystory z izolowaną bramką IGBT, generujące odpowiednie impulsy do sterowania napięciem i częstotliwością zasilania silnika. Tranzystory te mogą bardzo szybko przechodzić w stan załączenia i wyłączenia, co prowadzi do powstawania znacznych zmian wartości napięcia w krótkich chwilach czasowych (duże dV/dt). Szybkie zmiany wartości napięcia w połączeniu z długimi przewodami zasilającymi generują duże wartości szczytowe napięć na stykach łączeniowych silnika. Te z kolei stanowią potencjalnie duże zagrożenie dla izolacji silnikowych. Dlatego też jednym z istotnych parametrów silników zmiennoprądowych podawanych przez producentów powinna być ogólna wytrzymałość napięciowa izolacji i odporność na krótkotrwałe przepięcia. Dla silników zasilanych przez długie linie kablowe dostępne są również specjalne filtry, zawierające układy tłumienia energii przepięć i fal odbitych w linii długiej oraz specjalne dławiki, ograniczające zmiany prądów.
Moment hamujący – silnik jako generator energii
Silniki prądu przemiennego samoczynnie wytwarzają moment hamujący po zmniejszeniu częstotliwości zasilania w celu redukcji prędkości obrotowej lub na
skutek oddziaływania specjalnego ciężaru ciągnącego jako obciążenia. W tym momencie silnik zaczyna pracować jako generator, a więc energię mechaniczną
związaną z jego ruchem przetwarza na energię elektryczną, oddawaną do sieci zasilającej. Sterownik (przemiennik częstotliwości), odbierając tę energię z
silnika, postrzega ją jako energię o znaku przeciwnym do wytwarzanej na obwodzie stałoprądowym w przemienniku. Ponieważ standardowy układ przemiennika nie akceptuje prądów skierowanych przeciwnie do wytwarzanych przez siebie, zaczynają one płynąć poprzez kondensatory filtrujące, zwiększając w rezultacie napięcie w obwodzie stałoprądowym przemiennika. Jeżeli dopuści się do dłuższego trwania tego procesu, napęd zmiennoprądowy ulegnie uszkodzeniu na skutek przepięcia w obwodzie stałoprądowym przemiennika, dlatego też przemiennik częstotliwości powinien być odpowiednio zabezpieczony przed tego typu zjawiskami. Najprostsza metoda to zastosowanie samoczynnego wyłącznika przepięciowego. Jeżeli napęd wyposażony jest w układ ograniczający odzyskiwanie energii w czasie hamowania w przypadku wystąpienia nadmiernego wzrostu napięcia w obwodzie stałoprądowym przemiennika, układ automatyki sterujący parametrami pracy napędu odstąpi od zaprogramowanej wartości współczynnika hamowania, dostosowując szybkość hamowania tak, by zniwelować zjawisko narastania tego napięcia. Jeżeli natomiast odzyskiwanie energii rozpocznie się na skutek oddziaływania masy ciągnącej, wyhamowującej napęd, przemiennik automatycznie zezwoli silnikowi na większą prędkość obrotową, tak by zminimalizować wspomniane już zjawisko narastania napięcia stałego.
Układ automatycznego ograniczania odzysku energii z hamującego napędu zabezpiecza silnik przed wytworzeniem zbyt dużego momentu hamującego. Wyjątkiem są napędy wyposażone w tzw. układ dynamicznego hamowania, gdzie dopuszcza się powstawanie w silniku większych momentów hamujących, a wydzielająca się wówczas nadmierna energia elektryczna jest rozpraszana na specjalnych rezystorach hamujących. Istnieją również napędy z pełną funkcją odzyskiwania energii, wyposażone w dodatkowe obwody, dzięki którym przekazywana jest ona bezpośrednio do sieci zasilającej prądu przemiennego, z pominięciem przemiennika.
Kompensacja IR
W przypadku rozruchu silnika z dużym obciążeniem przy bardzo małych prędkościach obrotowych można zwiększyć wartość momentu obrotowego poprzez chwilowe zwiększenie napięcia zasilania silnika z przemiennika częstotliwości. Funkcja taka, pojawiająca się w większości nowoczesnych napędów, nosi nazwę kompensacji IR. Bez tej funkcji bardzo trudne jest osiągnięcie maksymalnego momentu obrotowego silnika z dużym obciążeniem. Jeżeli jednak nastąpi zmiana obciążenia na niewielkie, ta sama funkcja, analizując wartość obciążenia silnika, redukuje poziom wzrostu napięcia zasilania, tak by ograniczyć nadmierny wzrost jego prądu zasilania. Podobne zadanie spełnia układ ciągłego monitoringu strumienia w silniku, którego dane umożliwiają układom sterowania regulację chwilowych wartości napięcia i częstotliwości zasilania tak, by silnik mógł wytworzyć odpowiedni dla danej chwili moment obrotowy.
Kontrola szumów i hałasu
W niektórych aplikacjach napędowych niezbędne może się okazać użycie mierników hałasu i szumów w celu zapobieżenia nadmiernej ich generacji przez działające silniki. Hałas taki nie powinien być raczej kwestią problematyczną w środowisku przemysłowym, jeżeli silniki pracują z prędkościami mniejszymi lub równymi znamionowej. Zupełnie jednak inaczej ma się sprawa z aplikacjami napędów elektrycznych np. w biurach, gdzie nawet niewielkie szumy mogą negatywnie wpływać na samopoczucie ludzi. Napędy pracujące w reżimie modulacji szerokości impulsów zasilających PWM są raczej hałaśliwe ze względu na częste i znaczne zmiany wartości napięć/prądów, a tym samym momentów mechanicznych. Dlatego zaleca się używanie częstotliwości przełączania na poziomie 6 kHz i więcej, kiedy to szumy silnika porównywalne są z zasilaniem go bezpośrednio z sieci energetycznej. Szumy silnika można ograniczyć również przez dołączenie na jego wyjściu 3% dławików. Łagodzą one zmiany napięć/prądów w silniku, tym samym redukując jego szumy i hałas. Jeszcze inną metodą jest minimalna redukcja wartości napięcia wyjściowego przemiennika w zasilaniu silników nie w pełni obciążonych. Zabieg ten zmniejsza wartość strumienia w szczelinach silnika, co również przyczynia się do redukcji hałasu w trakcie jego pracy.
Sanjay Kallianpur, Eaton Corp.
Sanjay Kallianpur jest menedżerem produktów automatyki i sterowania w firmie Eaton Corp. w Australii. Ma ponad 20-letnie doświadczenie w realizacji układów elektrycznych w przemyśle australijskim, nowozelandzkim i indyjskim. Cieszy się uznaniem znanych firm branżowych, takich jak Schneider Electric i ABB.
Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza
