Jak ste­ro­wać napę­dami w elek­tryce? Falow­niki – zasada dzia­ła­nia i zabudowa w szafach sterowniczych

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.

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.
0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Powiadom o
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments