Przemiennik częstotliwości to mechanizm, który służy do regulacji prędkości obrotowej silników. Jaka jest zasada jego działania oraz możliwości zastosowania przemiennika? Czy przemiennik częstotliwości oraz falownik jest tym samym rodzajem urządzenia? W tym artykule udzielimy odpowiedzi na najważniejsze pytania związane z przemiennikami częstotliwości i ich zabudową w sterowniczych obudowach hermetycznych.
Spis treści
Kilka słów o nazewnictwie
Falownik (inwerter) jest urządzeniem przeznaczonym do zamiany prądu stałego na prąd przemienny o regulowanej częstotliwości wyjściowej – znajdziemy go w różnego rodzaju przetwornicach samochodowych (pozwoli na przykład podłączyć golarkę do gniazda zapalniczki) a także w systemach fotowoltaicznych, gdzie zamienia prąd stały wyprodukowany przez ogniwa na prąd przemienny, którym zasilać można elektryczne urządzenia domowe.
Przemiennik częstotliwości z kolei, przekształca napięcie zmienne z sieci o stałej częstotliwości na napięcie o regulowanej częstotliwości (również zmienne). Żeby było to możliwe, najpierw napięcie zmienne o stałej częstotliwości zamieniane jest na napięcie stałe (co realizuje właśnie falownik) a następnie na napięcie zmienne o częstotliwości regulowanej.
Z powodu użycia falownika w urządzeniu, jakim jest przemiennik częstotliwości, powszechnie stosuje się zamiennie pojęcie falownika oraz przemiennika częstotliwości. Bywa to mylące, jednak tak bardzo przyjęło się wśród specjalistów, że w przypadku wątpliwości pozostaje jedynie doprecyzowanie, czy falownik to inwerter czy przemiennik częstotliwości. W tym artykule również posługiwać się będziemy określeniem „falownik” w kontekście przemiennika częstotliwości.
Do czego stosuje się przemienniki częstotliwości?
Przemienniki częstotliwości to urządzenia, które zmieniają częstotliwość prądu przemiennego w celu regulacji prędkości obrotowej oraz momentu obrotowego silnika napędzającego maszynę. Przemienniki częstotliwości powszechnie wykorzystuje się w silnikach sprężarek oraz pomp. Znajdują się również w zaawansowanych technicznie wentylatorach domowych a niekiedy także w systemach automatyki bram garażowych i ogrodzeniowych.
Przemienniki częstotliwości mają szerokie zastosowanie w przedsiębiorstwach produkcyjnych w szafach sterowniczych, gdzie są istotnym elementem napędu ciągów taśmowych, podajników oraz przenośników. Rozbudowane modele przemienników częstotliwości zapewniają również pełną kontrolę regulacji momentu obrotowego oraz prędkości obrotowej, dlatego są również istotnym elementem wyposażenia silników napędzających różnego rodzaju maszyny.
Jak działa falownik?
Żeby zrozumieć zasadę działania przemiennika częstotliwości, trzeba wiedzieć, jak działają silniki elektryczne. Doskonałym przykładem obrazującym działanie falownika jest praca silnika sterującego bębnem pralki. Silnik przyłączony do sieci elektroenergetycznej pracuje z określoną liczbą obrotów na minutę (częstotliwością wynoszącą 50 Hz), a w przypadku, kiedy niezbędna jest regulacja prędkości obrotowej, potrzebna jest zmiana częstotliwości. Chcąc zmienić prędkość obrotową urządzenia, musimy zmienić częstotliwość prądu, czemu służą właśnie przemienniki częstotliwości. Zmniejszając częstotliwość zmniejszamy szybkość obrotów silnika elektrycznego, natomiast zwiększając ją, analogicznie zwiększamy prędkość obrotów silnika.
Budowa przemiennika częstotliwości
Mimo że falowniki to urządzenia, które mają już kilkadziesiąt lat, nie tylko ich schemat blokowy nie uległ zmianie, ale również niezależnie od producenta czy typu, każdy przemiennik częstotliwości zawsze składa się z czterech elementów: prostownika, stopnia pośredniego, stopnia końcowego oraz układu sterowania i zabezpieczeń.
Prostownik. Zasilany jest z jednej lub trzech faz napięcia przemiennego (AC), natomiast na jego wyjściu generowane jest pulsujące napięcie stałe (DC). Prostowniki znajdujące się w falownikach mogą występować jako niesterowalne oraz sterowalne.
Stopień pośredni. Rozróżnia się trzy rodzaje stopni pośrednich:
- 1 – zamienia napięcie wyprostowane na prąd stały,
- 2 – stabilizuje i wygładza pulsujące napięcie stałe (odfiltrowując składową przemienną z napięcia wyprostowanego),
- 3 – zamienia stałe napięcie na napięcie stałe o wartości regulowanej.
W stopniu pośrednim znajdują się również kondensatory elektrolityczne w których magazynowana jest energia prądu stałego.
Stopień końcowy. W stopniu końcowym generowana oraz kształtowana jest częstotliwość napięcia zasilającego silnik. Tu znajdują się tranzystory mocy przełączane przez sygnały sterujące pochodzące z obwodu sterowania i zabezpieczeń przemiennika częstotliwości.
Układ sterowania i zabezpieczeń. Układ sterowania i zabezpieczeń realizuje:
- sterowanie tranzystorami w stopniu końcowym falownika,
- sterowanie czasem obwodu pośredniego lub prostownika,
- wymianę danych między przemiennikiem, a urządzeniami zewnętrznymi,
- komunikację sieciową – czyli zbieranie i sygnalizowanie błędów i awarii,
- funkcję ochronną dla obwodu mocy przemiennika i silnika.
Systematyka dostępnych na rynku falowników do obudów sterowniczych
Przemienniki częstotliwości to elementy szaf elektrycznych niezbędne do napędu maszyny, której zadaniem jest praca z precyzyjnie określonymi parametrami. Dlatego wybierając przemiennik częstotliwości do konkretnego zastosowania, warto zapoznać się z ich dostępnymi na rynku rodzajami. Podziału falowników dokonuje się w odniesieniu do źródła oraz sposobu ich zasilania, jak również zgodnie z metodami sterowania.
Podział ze względu na źródło zasilania. W zależności od rodzaju źródła zasilania przemiennika częstotliwości wyróżnia się:
- przemienniki częstotliwości zasilane ze źródła prądowego o regulowanej wartości,
- przemienniki częstotliwości zasilane ze źródła napięciowego o regulowanej wartości,
- przemienniki częstotliwości zasilane ze źródła prądowego o nieregulowanej wartości.
Podział falowników według metod sterowania.
Przy wyborze przemiennika częstotliwości trzeba wziąć pod uwagę również sposób sterowania. Dostępne w ofertach sprzedaży falowniki posiadają sterowanie skalarne (skalarne przemienniki częstotliwości) oraz wektorowe (wektorowe przemienniki częstotliwości).
Falownik ze sterowaniem skalarnym stosuje się w układach, gdzie nie jest wymagana dokładna regulacja prędkości obrotowej oraz nie występuje tzw. ciężki rozruch. Falownik umożliwia dostarczenie do silnika minimalnej ilości energii elektrycznej, która nie obniży wartości wyjściowej poniżej wartości zadanej. Falownik skalarny stosuje się głównie w urządzeniach takich jak pompy i wentylatory. Można też wykorzystywać je w układach wielosilnikowych, w których do jednego przemiennika podłącza się kilka silników.
Falowniki ze sterowaniem wektorowym dzieli się na sterowane bezczujnikowo i ze sprzężeniem zwrotnym. W sterowaniu bezczujnikowym prędkość obrotową oblicza się na podstawie modelu matematycznego silnika elektrycznego, bez dodatkowego czujnika. W przypadku falowników ze sprzężeniem zwrotnym, sterowanie realizowane jest na podstawie pomiaru wartości prędkości mierzonej przez enkoder inkrementalny (rodzaj czujnika) zamontowany na wale silnika. Wektorowa budowa falownika zapewnia wysoką skuteczność regulacji momentu obrotowego i prędkości obrotowej.
Istotne, że wszystkie przemienniki częstotliwości ze sterowaniem wektorowym mogą pracować w trybie skalarnym, co jest zwykle domyślnym trybem sterowania.
- Podział przemienników częstotliwości ze względu na sposób zasilania. Rozpatrując budowę przemienników od strony zasilania, rozróżnia się trzy typy urządzeń:
- zasilane jednofazowo z wyjściem do silników jednofazowych – najrzadziej produkowane ze względu na małą ilość silników jednofazowych, które wykorzystuje się w przemyśle,
- zasilane jednofazowo z wyjściem do silników trójfazowych (wyjście trójfazowe 3x230V) – często wykorzystuje się je do napędzania małych silników o mocy od 0,18 kW do 3 kW,
- zasilane trójfazowo z wyjściem do silników trójfazowych – przemienniki częstotliwości z zasilaniem 400 V najczęściej wykorzystywane do napędu silników elektrycznych asynchronicznych o mocach od 0,18 kW do kilkuset kilowatów.