Podstawowe informacje na temat przemiennika częstotliwości

Jeśli chodzi o dokładność regulacji prędkości obrotowej w silniku elektrycznym to nic nie sprawdzi się tak dobrze jak przemiennik częstotliwości. To właśnie on zapewni nam jakość sterowania na najwyższym poziomie w układach automatyki i nie tylko. W tym artykule zostaną poruszone najbardziej podstawowe kwestie związane z przemiennikami częstotliwości - od definicji poprzez budowę zewnętrzną, wewnętrzną aż po sposób połączenia z silnikiem.

Powrót do Akademii falowników Unitronics

Co to falownik?

Falownik jest to urządzenie elektryczne, które zamienia prąd stały DC na prąd zmienny AC o regulowanej częstotliwości wyjściowej.

Co to przemiennik częstotliwości?

Przemiennik częstotliwości jest to urządzenie elektroniczne, które pozwala na regulację prędkości silników przy pomocy zmiany częstotliwości prądu.

Budowa zewnętrzna przemienników częstotliwości

Panel sterowania

W zależności od modelu falownika panele sterowania mogą się od siebie różnić wyglądem, lecz ich funkcjonalność zostaje taka sama. W falownikach dedykowanych do większych mocy spotkamy się z panelem, który możemy oddalić od samego przemiennika i umieścić go, np.: na zewnątrz szafy sterowniczej.

Jak wygląda taki panel w przemiennikach częstotliwości Unitronics?

Panel przemiennika częstotliwości UMI-0015BE-B1 prezentuje się następująco:

W górnej części (nad wyświetlaczem) znajdują się diody kontrolne mówiące o stanie w jakim znajduje się falownik, np.: czy jest w trybie „stop” lub czy wystąpił alarm. W centralnej części znajduje się wyświetlacz, na którym podczas pracy wyświetlana jest generowana częstotliwość lub kod błędu. Poniżej znajduje się klawiatura do obsługi przemiennika częstotliwości oraz wbudowany potencjometr do ustawienia żądanej wartości obrotów silnika.

Obwód siłowy

Obwód siłowy służy głównie do zasilenia przemiennika częstotliwości oraz połączenia silnika. Dodatkowo mamy możliwość podłączenia filtru EMC czy rezystora hamowania.

Wygląd obwodu siłowego może różnić się od posiadanego rodzaju przemiennika częstotliwości, który zależy od rodzaju zasilania 1x230V lub 3x400V oraz mocy danego urządzenia. Dla przemienników o zasilaniu 1x230V obwód siłowy będzie wyglądał następująco:

Obwód sterowniczy

W obwodzie sterowniczym znajdziemy wszystkie wejścia/wyjścia znane nam głównie ze sterowników PLC: analogowe oraz cyfrowe. Ich ilość zależy od mocy danego przemiennika czy rodzaju. Przemienniki częstotliwości Unitronics w swoim obwodzie sterowania posiadają:

• 5 wejść cyfrowych (w tym jedno wysokiej częstotliwości);
• 2 wejścia analogowe (napięciowe lub prądowe);
• 2 wyjścia bezpiecznego wyłączenia momentu (STO);
• 1 wejście cyfrowe;
• 1 wyjście analogowe cyfrowe lub napięciowe ( 2 wyjścia w przemienniku od mocy 22kW);
• Port RS485;
• 1 wyjście przekaźnikowe (2 wyjścia w przemienniku od mocy 22kW).

Obecność wejść analogowych (napięciowych lub prądowych) pozwala na podłączenie czujników zewnętrznych, a wyjścia przekaźnikowe pozwolą na podłączenie lamp kontrolnych. Przykładowy schemat wejść dla falowników Unitronics wygląda następująco:

Poniżej przedstawiono dokładny opis każdego wejścia/wyjścia przemiennika częstotliwości dostępny w instrukcji użytkownika.

Jakie funkcje mogą pełnić wejścia cyfrowe przemiennika częstotliwości?

Wejścia i wyjścia w przemienniku częstotliwości mogą pełnić kilka różnych funkcji. Wszystko zależy od konfiguracji danego wejścia/wyjścia oraz ilości wbudowanych tych funkcji w przemiennik. Na przykładzie falowników Unitronics, funkcję wejść konfiguruje się w parametrze P05, a wyjść w P06. Wejścia S1 do S4 oraz HDI (jeśli ustawimy je jako cyfrowe) możemy skonfigurować na wiele, wiele sposobów: Start do przodu, Start do tyłu, Sterowanie 3-przewodowe, JOG do przodu, JOG do tyłu, Zatrzymanie z wolnym wybiegiem, Resetowanie błędu, Zatrzymanie silnika, Wejście błędu zewnętrznego, Inkrementacja cyfrowego potencjometru (UP), Dekremenacja cyfrowego potencjometru (DOWN), Reset ustawień cyfrowego potencjometru, Przełączanie między częstotliwością A a częstotliwością B, Przełączanie między częstotliwością A a kombinacją częstotliwości A+B, Przełączanie między częstotliwością B a kombinacją częstotliwości A+B, Prędkość krokowa terminal 1, Prędkość krokowa terminal 2, Prędkość krokowa terminal 3, Prędkość krokowa terminal 4, Zatrzymanie trybu prędkości krokowej, Czas przyspieszania/hamowania 1, Czas przyspieszania/hamowania 2, Reset wbudowanego PLC przy zatrzymaniu, Pauza pracy wbudowanego PLC, Zatrzymanie sterowania PID, Zatrzymanie trybu oscylacyjnego, Reset częstotliwości trybu oscylacyjnego, Reset wbudowanego licznika, Blokada kontroli momentu obrotowego, Blokada zmiany prędkości, Wejście licznika, Blokada zmiany częstotliwości, Hamowanie DC, Sterowanie z poziomu panelu sterowania, Sterowanie z poziomu terminala wejść/wyjść, Sterowanie po Modbus RTU, Wstępne namagnesowanie, Ograniczenie zużycia energii, Zachowanie zużycia energii, Przełączanie biegunów PID.

Ilość funkcji i ich jakość mówi nam o jakości danego falownika. Sprawia, że jest on bardzo uniwersalny i nadaje się do nawet bardzo zaawansowanych aplikacji. Dzięki komunikacji Modbus RTU przemiennik możemy szybko skonfigurować poprzez UniLogic.

Budowa wewnętrzna przemiennika częstotliwości

Każdy przemiennik częstotliwości dostępny na rynku będzie składał się z 4 elementów składowych: prostownika, układu pośredniego, falownika oraz układu sterowania i zabezpieczeń.

Prostownik zasilany jest poprzez jedną lub trzy fazy napięcia przemiennego o stałej amplitudzie i częstotliwości. Na wyjściu generuje on pulsacyjne napięcie stałe.  Prostowniki mogą być sterowalne lub niesterowalne.

W zależności od przemiennika częstotliwości mogą wystąpić 3 rodzaje układów pośrednich:

• układ zmieniający napięcie wyprostowane na prąd stały;
• układ przekształcający stałe napięcie na takie o regulowanej wartości;
• układ stabilizujący i wygładzający pulsujące napięcie stałe.

Ostatnim elementem jest wcześniej zdefiniowany falownik. Generuje i kształtuje on częstotliwość napięcia, które zasili silnik. Zbudowany jest on z tranzystorów mocy, które są przełączane przez sygnały sterujące wytwarzane z terminala wejść i wyjść.

Nad całym procesem czuwa układ sterowania i zabezpieczeń. To on steruje tranzystorami mocy, komunikuje się z urządzeniami zewnętrznymi, sygnalizuje błędy i awarie czy ochrania silnik oraz sam przemiennik częstotliwości.

Ciekawostka!

Po przeanalizowaniu budowy falownika można stwierdzić, że to nic innego jak układ AC/DC - DC/AC. I tak się dzieje. Dlaczego? Zmiana częstotliwości prądu przemiennego jest na tyle skomplikowana, że jest łatwiej (i taniej) zbudować układ prostujący, a następnie “falujący” prąd. Daje nam to dużą swobodę i stabilność podczas sterowania częstotliwością prądu.

Jak prawidłowo podłączyć przemienniki częstotliwości z silnikiem?

Pierwszą istotną kwestią przy podłączaniu silnika do falownika jest sprawdzenie tabliczki znamionowej silnika. Przykładowa została przedstawiona poniżej:

Przyjmujemy, że falownik zasilany będzie napięciem równym 230 V o częstotliwości 50 Hz. Według tabliczki znamionowej silnika należy go podłączyć w trójkąt. Jeśli zasilalibyśmy falownik napięciem trójfazowym 400V to musielibyśmy połączyć silnik w gwiazdę.

Schemat połączeń zawsze znajduje się na klapie osłony zacisków silnika. Różnica w połączeniach polega na poprawnym zastosowaniu schematu ułożenia specjalnych „blaszek”, które odpowiednio złączą uzwojenia silnika. 

Po poprawnie połączonych zaciskach silnika należy podłączyć silnik do falownika. Odpowiednie wyprowadzenia (U,V,W) należy analogicznie połączyć je do wejść siłowych falownika oznaczonymi tymi samymi literami (U, V, W).

Uwaga!

Do zasilana silnika zalecane jest używanie kabli ekranowanych, aby zniwelować zakłócenia generowane przez tranzystory wyjściowe falownika. Podczas przepływu prądu kabel zamienia się w silną „antenę”, która mogłaby zakłócić działanie np. przewodów sterowniczych falownika. 

Kolejnym krokiem jest podłączenie zasilania falownika. W pierwszej kolejności należy zwrócić uwagę na rodzaj falownika jaki mamy – czy jest to jednofazowy czy 3-fazowy. Taka informacja jest  dostępna nie tylko w instrukcji urządzenia. Często zaraz obok modelu i mocy przemiennika częstotliwości pojawia się informacja o rodzaju zasilania. Na zdjęciu poniżej możemy zauważyć, że falownik 1,5KW zasilimy trójfazowo napięciem 400 V, a falownik o mocy 2,2KW zasilimy napięciem jednofazowym 230 V.

Uwaga!

Przemienników częstotliwości trójfazowych nie można zasilać jednofazowo i na odwrót.

W naszym przypadku falownik zasilany jest 1x230V, czyli podłączamy przewód fazowy do zacisku L, a przewód neutralny do zacisku N.

Falownik dobrze jest zabezpieczyć wyłącznikiem nadprądowym, który umieszczamy w obwodzie zasilającym. Uchroni nas on przez niechcianymi skutkami zwarcia. U nas jest to B10.

Następnie przechodzimy do uziemienia urządzeń. Przewód ochronny z silnika podpinamy do wejścia uziemienia falownika. Do tego samego zacisku podłączamy przewód ochronny, który przymocowujemy do płyty, na której znajduje się falownik. Całość łączymy z przewodem ochronnym zasilania.

Dodatkowo powinniśmy uziemić przewód silnikowy. W tym celu zdejmujemy kawałek izolacji i metalowym zaciskiem łączymy z wcześniej wspomnianą płytą.

W tym momencie nasz przemiennik częstotliwości jest poprawnie przygotowany do sterowania silnikiem elektrycznym. Schemat poprawnego połączenia zawsze znajdziemy w manualu falownika. Przykładowy wygląda następująco:

Na schemacie można dostrzec jak prawidłowo podłączyć rezystory hamowania do przemiennika czy filtry EMC.

Kolejność podłączania przewodów do przemiennika częstotliwości - skrót

Tak przedstawia się prawidłowa kolejność podłączania przewodów do przemiennika częstotliwości w krótkim skrócie:

1. Podłącz przewód uziemiający bezpośrednio do zacisku PE przemiennika częstotliwości, a następnie podłącz przewód zasilający przemiennik. W przypadku zasilania jednofazowego będą to zacisku L i N. Dla zasilania trójfazowego zacisku R, S, T. Po dokręceniu sprawdź czy przewody nie wypadają z zacisków.
2. Podłącz przewód uziemiający pochodzący od silnika do zacisku PE przemiennika, a następnie podłącz kable zasilające silnik trójfazowy U, V, W. Również tutaj sprawdź, czy przewody nie wypadają z zacisków.
3. Podłącz rezystor hamowania (jeśli używasz go w swojej aplikacji) do odpowiednich zacisków.
4. Sprawdź poprawność połączenia zacisków.  Jeśli masz możliwość zainstaluj wszystkie przewody na zewnątrz przemiennika.

Metody sterowania

Na rynku spotkamy głównie dwie metody sterowania, skalarną oraz wektorową. Sterowniki Unitronics dedykowane są do metody wektorowej jednak są w stanie obsługiwać również sterowanie skalarne.

Sterowanie skalarne

W układach regulacji sterowania skalarnego zmianom amplitudy i częstotliwości podlegają tylko dane zmienne. Metoda skalarna opiera się na utrzymywaniu stałej zależności U/f=const., czyli wykorzystywane są zależności, które obowiązują w stanie ustalonym pracy maszyny. Metoda ta jest stosowana do kierowania „lekkimi” obciążeniami tj.: wentylatory, pompy, kondensatory, czy niewielkie transportery i przenośniki lub tam gdzie występuje niski moment startowy.

W sterowaniu skalarnym wyróżnia się dwie charakterystyki: liniową oraz kwadratową.

Charakterystyka liniowa (U/f = const.) to zależność między napięciem wyjściowym, a częstotliwością wyjściową. Niektóre nowsze przemienniki częstotliwości dają możliwość kształtowania krzywej punktowo lub całkowicie.

Charakterystyka kwadratowa (U/f²=const.) to ta, gdzie wzrost częstotliwości sprawia, że napięcie rośnie do kwadratu.  

Stabilizacja strumienia magnetycznego w silniku indukcyjnym utrzymywania jest na stałym poziomie dzięki proporcjonalnej zmianie napięcia i częstotliwości zasilania.

Minusem stosowania metody skalarnej jest brak kontroli nad wielkościami silnika w stanach pośrednich t.j. prąd, moment elektromagnetyczny, strumień magnetyczny. Do zmniejszenia skutków działania niepożądanych zjawisk stosuje się stopniową zmianę zadanej częstotliwości napięcia stojana oraz zmianę napięcia zasilającego silnik. Jednak brak precyzyjnej kontroli nad prędkością obrotową oraz poślizgiem może powodować przeciążenia silnika oraz falownika, a to może doprowadzić do powstania błędów. Również wadą metody U/f jest fakt, że przy niskich częstotliwościach moment jest bardzo niski.

Sterowanie wektorowe

Znajdzie swoje zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagane jest precyzyjne sterowanie silnikiem. Ta metoda posiada możliwość utrzymania niskiej częstotliwości (niskiej prędkości obrotowej) przy dużym momencie.

Sterowanie wektorowe opiera się na modelu matematycznym silnika, który zaprogramowany jest w przemienniku częstotliwości. Na wyjściu zacisków siłowych podpiętych do silnika jest mierzona wartość prądu podawana na silnik. Dzięki temu falownik ma możliwość porównania zmierzonych wartości z obliczonymi na podstawie modelu matematycznego silnika i skorygowania ich. Sprowadzenie różnicy wartości zmierzonej i zadanej (uchyb w stanie ustalonym) do 0 jest możliwe dzięki przejściu z układów ABC do dq. Operowanie odbywanie się na macierzach stanu, dlatego wartości wprowadzane są wektorowe poprzez translację w przestrzeń wirującą. Częstotliwość wektora napięciowego oraz amplitudy są odpowiednio sterowane w zależności od poślizgu oraz prądu obciążenia. Takie sterowanie umożliwia ustawienie szerokiego zakresu nastaw prędkości obrotowej.

Całość sterowania opiera się na danych wprowadzonych w przemiennik częstotliwości. Dlatego przy tej metodzie niezwykle istotne jest poprawne wprowadzenie wszystkich danych znamionowych z tabliczki silnika do przemiennika oraz wykonanie autotuningu.

Sterowanie wektorowe sprawdzi się tam gdzie jest potrzebny wysoki moment obrotowy oraz występuje zmienny moment obrotowy, np. transportery, walcarki, młyny, kruszarki, podnośniki, nawijarki. Dodatkowo ten rodzaj sterowania zapewnia dokładną regulację prędkości obrotowej.

Podsumowanie

Podstawowe informacje na temat przemienników częstotliwości są dosyć proste i niekiedy oczywiste. Problem zaczyna się w momencie, gdy trzeba zabrać się za dobór przemiennika częstotliwości do aplikacji. Jednak podstawowa wiedza na temat tego jak zbudoway jest falownik lub jakie metody sterowania w nim jest niezbędna przy wyborze takiego urządzenia do tworzonego układu napędowego.

Powrót do Akademii falowników Unitronics