Falownik – jak dobrać przemiennik częstotliwości

Jak działa falownik?

Silnik indukcyjny zasilany bezpośrednio z sieci pracuje z niemal stałą prędkością – silnik czterobiegunowy przy 50 Hz z prędkością nieco poniżej 1500 obr./min. Falownik prostuje napięcie sieci na napięcie stałe w obwodzie pośrednim DC. Następnie inwerter z tranzystorami IGBT wytwarza nowe napięcie trójfazowe o dowolnej częstotliwości i wartości. Prędkość silnika można wtedy płynnie regulować, z łagodnym rozruchem i zatrzymaniem. Falownik steruje zarówno silnikami indukcyjnymi, jak i silnikami z magnesami trwałymi (PM), które są sprawniejsze, ale zwykle nie mogą pracować bezpośrednio z sieci.

Dlaczego regulacja prędkości oszczędza energię?

W pompach odśrodkowych i wentylatorach zapotrzebowanie na moc rośnie w przybliżeniu z sześcianem prędkości. Przy 80 procentach prędkości silnik teoretycznie potrzebuje tylko około połowy mocy. Przy regulacji dławieniowej silnik pracuje z pełną prędkością, a energia jest tracona na zaworze lub przepustnicy. Wysokość podnoszenia statycznego lub przeciwciśnienie zmniejszają oszczędność, ale często nadal jest ona duża.

Gdzie stosuje się falowniki?

• Budynki – wentylatory, pompy obiegowe i agregaty chłodnicze w instalacjach wentylacji i ogrzewania.
• Woda i ścieki – przepompownie i dmuchawy w oczyszczalniach. Łagodny rozruch i zatrzymanie ograniczają uderzenia hydrauliczne.
• Fabryki i budowa maszyn – przenośniki, mieszadła, wytłaczarki i sprężarki.
• Dźwignice – suwnice pomostowe, suwnice bramowe i dźwigi osobowe, w których falownik obsługuje sekwencję hamulca.
• Energetyka i żegluga – pompy wody chłodzącej w elektrowniach i wciągarki na statkach.

Sterowanie U/f czy wektorowe?

Silniki PM zasadniczo wymagają sterowania wektorowego. Podczas uruchomienia autotuning mierzy dane silnika. Nie należy go pomijać.

Dobór – prąd, przeciążalność i rodzaj pracy

Punktem wyjścia jest prąd znamionowy silnika. Dwa silniki 15 kW mogą mieć różny prąd w zależności od liczby biegunów i sprawności.

Wiele falowników ma dwie wartości znamionowe: pracę normalną (ND) dla obciążeń o zmiennym momencie, takich jak pompy i wentylatory, oraz pracę ciężką (HD) dla stałego momentu i ciężkich rozruchów, jak w przenośnikach i mieszadłach. Typowo praca normalna dopuszcza przeciążenie 110 % przez 60 sekund, a praca ciężka 150 % przez 60 sekund. Podnoszenie wymaga pełnego momentu na postoju, sterowania hamulcem mechanicznym i często enkodera.

Wartości znamionowe obowiązują przy określonej temperaturze, wysokości i częstotliwości kluczowania. Gorąca szafa, wysokość powyżej 1000 m n.p.m. lub wyższa częstotliwość kluczowania często oznaczają konieczność obniżenia parametrów (derating).

Hamowanie i zwrot energii

Gdy silnik hamuje lub opuszcza ładunek, pracuje jako generator. Energia wraca do obwodu pośredniego DC, a napięcie rośnie, aż falownik wyłączy się z powodu przepięcia.

• Rezystor hamowania – czoper hamowania załącza rezystor, który zamienia energię na ciepło. Proste i tanie rozwiązanie. Mniejsze falowniki często mają wbudowany czoper hamowania.
• Moduł hamowania z odzyskiem energii – oddaje energię do sieci. Opłaca się przy częstym hamowaniu w suwnicach, dźwigach i wirówkach.
• Aktywny prostownik (AFE) lub przemiennik matrycowy – sam falownik oddaje energię do sieci i pobiera z niej prąd niemal sinusoidalny, z bardzo małą zawartością harmonicznych.

EMC, kabel silnikowy i prądy łożyskowe

Szybkie przełączanie w falowniku powoduje zakłócenia wysokiej częstotliwości, a prostownik – harmoniczne w sieci. Norma EN 61800-3 dzieli układy napędowe na kategorie:

• Ekranowany kabel silnikowy – ekran należy podłączyć na całym obwodzie (360°) na obu końcach za pomocą dławików EMC.
• Długie kable – odbicia mogą powodować na silniku szpilki napięcia nawet dwukrotnie wyższe od napięcia obwodu DC. Powyżej limitu producenta trzeba zastosować filtr dU/dt lub filtr sinusoidalny.
• Wyłączniki różnicowoprądowe – filtr EMC powoduje prąd upływu, a usterka może wywołać przepływ prądu stałego do ziemi. Falowniki trójfazowe często wymagają wyłącznika różnicowoprądowego typu B.

Prądy łożyskowe powstają, gdy napięcie wspólne (common mode) z falownika rozładowuje się przez łożyska silnika i wytrawia rowki na bieżniach. Łożysko może wtedy ulec awarii w ciągu kilku miesięcy. Ryzyko rośnie wraz z wielkością silnika. Środki zaradcze to łożyska izolowane, pierścień uziemiający wał, filtry common mode i prawidłowe ekranowanie.

Komunikacja, STO i montaż

Proste układy wykorzystują wejścia cyfrowe i wartość zadaną 0–10 V lub 4–20 mA. W nowoczesnych maszynach zwykle stosuje się sieć: PROFINET w środowiskach Siemens, EtherNet/IP z Rockwell, EtherCAT w maszynach ze sterowaniem ruchem oraz Modbus lub BACnet w przepompowniach i budynkach. System sterowania może wtedy odczytywać także prąd, moment, zużycie energii i alarmy.

STO (Safe Torque Off) odłącza moment silnika dwoma niezależnymi kanałami. Funkcja jest zdefiniowana w IEC 61800-5-2 i odpowiada kategorii zatrzymania 0 według IEC 60204-1. Z kartą bezpieczeństwa dostępna jest też funkcja SS1, czyli kontrolowane zatrzymanie, po którym następuje STO. STO nie zastępuje rozłącznika – kabel silnikowy nadal jest pod napięciem.

Większość falowników ma stopień ochrony IP20 i jest przeznaczona do montażu w szafie, gdzie kilka procent mocy zamienia się w ciepło, które trzeba odprowadzić. Do montażu bezpośrednio w hali dostępne są modele IP55.

Częste błędy

1. Dobór falownika według kW. Silnik o dużej liczbie biegunów lub niskiej sprawności pobiera większy prąd niż silnik czterobiegunowy o tej samej mocy.
2. Stycznik rozłącza obwód silnika podczas pracy. Może to uszkodzić stopień wyjściowy falownika. Najpierw należy zatrzymać silnik przez STO lub polecenie stop.
3. Pominięcie wymagań dotyczących hamowania. Duży wentylator lub przenośnik pracujący w dół może przy każdym zatrzymaniu wyłączać się z powodu przepięcia.
4. Długotrwała praca silnika z niską prędkością i dużym momentem. Silnik z własnym przewietrzaniem przegrzewa się. Rozwiązaniem jest obcy wentylator lub większy silnik.

Falowniki w ofercie SCN

Oferujemy falowniki Yaskawa: modele ogólnego przeznaczenia od 0,1 kW, wysokowydajne falowniki do 630 kW i specjalne modele do budynków, suwnic i dźwigów, a także moduły hamowania z odzyskiem energii i przemiennik matrycowy U1000. Wystarczy opisać silnik, obciążenie i środowisko pracy, a pomożemy dobrać wielkość i opcje.

Przykłady z naszej oferty

Najczęściej zadawane pytania

Czym różni się falownik od softstartu?

Softstart zapewnia tylko łagodny rozruch, a potem silnik pracuje z pełną prędkością. Falownik reguluje prędkość przez cały czas i dzięki temu może oszczędzać energię.

Czy standardowy silnik może pracować z falownikiem?

Tak, większość nowoczesnych silników indukcyjnych może. Przy długich kablach, zasilaniu 690 V i dużych silnikach trzeba sprawdzić izolację silnika i ochronę przed prądami łożyskowymi.

Co oznacza STO w falowniku?

Safe Torque Off, czyli funkcja bezpieczeństwa, która odłącza moment silnika dwoma niezależnymi kanałami. Nie zastępuje rozłącznika przy pracach elektrycznych.

Czy falownik może być zasilany jednofazowo?

Tak, mniejsze falowniki przyjmują zasilanie jednofazowe 230 V i nadal zasilają silnik trójfazowo. Silnik łączy się wtedy zwykle w trójkąt.