Jak działa falownik i czym różni się od softstartu? Przemiennik częstotliwości od podstaw, sterowanie silnikiem cz. 3

W artykule wyjaśniam

Czym w praktyce różnią się pojęcia falownik, inwerter i przemiennik częstotliwości oraz dlaczego falownik silnikowy nie jest tym samym urządzeniem co falownik fotowoltaiczny. Pokazuję również, z jakich podstawowych bloków składa się przemiennik częstotliwości i jak współpracują ze sobą prostownik, obwód pośredni napięcia stałego oraz stopień falownikowy.

W dalszej części omawiam, w jaki sposób tranzystory mocy pozwalają wytworzyć napięcie przemienne o regulowanej częstotliwości i dlaczego falownik działa inaczej niż softstart. Dzięki temu łatwiej zrozumieć, skąd bierze się możliwość regulacji prędkości silnika asynchronicznego oraz dlaczego wraz ze zmianą częstotliwości trzeba kontrolować również napięcie podawane na uzwojenia.

Osobną część poświęcam sterowaniu skalarnemu U/f i sterowaniu wektorowemu. Wyjaśniam, czym różnią się te metody, po co w sterowaniu wektorowym wykorzystywany jest model matematyczny silnika oraz dlaczego poprawne dane z tabliczki znamionowej są tak ważne przy uruchamianiu falownika.

Na końcu przechodzę do zagadnień praktycznych związanych z doborem przemiennika częstotliwości. Pokazuję, dlaczego falownika nie powinno się dobierać wyłącznie na podstawie mocy silnika, kiedy napęd może nie zapewnić pełnego momentu oraz co trzeba sprawdzić przed podłączeniem silnika. Omawiam także częsty błąd związany z falownikami zasilanymi z 230 V, które typowo nie wytwarzają automatycznie napięcia 3 × 400 V, oraz wyjaśniam, na co uważać przy silnikach jednofazowych.

W artykule świadomie pomijam część szczegółów i przyjmuję uproszczenia stosowane powszechnie w materiałach szkoleniowych. Dzięki temu łatwiej zrozumieć zasadę działania przemiennika częstotliwości, pamiętając jednocześnie, że rzeczywiste zjawiska zachodzące w silniku i falowniku są bardziej złożone niż przedstawione tu modele poglądowe.

Dla kogo jest ten artykuł?

Artykuł przygotowałem z myślą o osobach, które pracują z układami napędowymi albo zaczynają świadomie dobierać falowniki do silników i maszyn. Będzie przydatny dla elektryków, elektromonterów, automatyków, pracowników utrzymania ruchu oraz projektantów instalacji elektrycznych, automatyki i szaf sterowniczych.

Poniższe opracowanie może pomóc szczególnie tym instalatorom, którzy do tej pory najczęściej stosowali styczniki, układy gwiazda, trójkąt lub softstarty, a teraz chcą lepiej zrozumieć, kiedy warto zastosować przemiennik częstotliwości. Przyda się również osobom dobierającym falowniki do pomp, wentylatorów, przenośników, mieszadeł, maszyn warsztatowych i innych napędów, w których sama informacja o mocy silnika nie wystarcza do poprawnego wyboru urządzenia.

Z artykułu skorzystają także studenci oraz osoby uczące się podstaw sterowania silnikami indukcyjnymi. Celem nie jest jednak akademicki wykład z energoelektroniki, lecz praktyczne wyjaśnienie, dlaczego falownik nie jest tylko urządzeniem do „zmiany obrotów” i dlaczego jego dobór wymaga zrozumienia silnika, maszyny oraz warunków pracy.

Ten poradnik nie zastępuje dokumentacji producenta ani projektu układu napędowego. Ma pomóc zrozumieć zasadę działania falownika, sens podstawowych parametrów oraz ograniczenia, które trzeba uwzględnić przed zakupem, podłączeniem i uruchomieniem napędu.

Słowem wstępu

Energoelektronika jest jedną z tych dziedzin techniki, z której korzystamy codziennie, często nawet o tym nie wiedząc. Nowoczesna pralka, suszarka, pompa ciepła, klimatyzator, zmywarka, wentylator, sprężarka, suwnica, linia produkcyjna albo pociąg, w wielu z tych urządzeń pracuje przekształtnik częstotliwości.

Dla użytkownika końcowego efekt jest prosty: urządzenie działa płynniej, ciszej, oszczędniej albo z większą precyzją. Dla elektryka i automatyka ważniejsze jest jednak to, że za tym efektem stoi układ, który najpierw przekształca energię z sieci, a później ponownie wytwarza napięcie zasilające silnik.

W poprzednich częściach cyklu pokazałem, że silnik asynchroniczny zasilany bezpośrednio z sieci pracuje z prędkością wynikającą głównie z częstotliwości zasilania oraz liczby par biegunów. Wyjaśniłem również, że softstart może ograniczyć prąd rozruchowy i złagodzić narastanie momentu, ale po zakończeniu rozruchu nie zmienia zasadniczo sposobu pracy silnika.

Dlatego falownik należy traktować jako element kompletnego układu napędowego. Musi współpracować z konkretnym silnikiem, konkretną maszyną i konkretnym sposobem sterowania.

Falownik, inwerter czy przemiennik częstotliwości?

W języku branżowym bardzo często używa się zamiennie trzech określeń:

• falownik,
• inwerter,
• przemiennik częstotliwości.

W rozmowach instalatorów, automatyków i pracowników utrzymania ruchu najczęściej usłyszymy po prostu: „falownik do pompy”, „falownik do wentylatora”, „falownik do przenośnika” albo „falownik do silnika”. Zwykle wszyscy wiedzą, że chodzi o kompletne urządzenie do regulacji prędkości silnika.

Warto jednak doprecyzować jedną rzecz.

Technicznie falownik jest częścią układu energoelektronicznego, której zadaniem jest zamiana energii prądu stałego na energię prądu przemiennego. Typowy przemiennik częstotliwości zawiera jednak więcej elementów. W środku znajdziemy między innymi prostownik, obwód pośredni napięcia stałego, stopień falownikowy, układ sterowania, pomiary, wejścia, wyjścia oraz zabezpieczenia.

Dlatego poprawnym określeniem kompletnego urządzenia do regulacji prędkości silnika jest przemiennik częstotliwości. W dalszej części artykułu będę jednak używał również słowa falownik, ponieważ jest krótsze, powszechnie stosowane i dobrze zakorzenione w języku technicznym.

Nie należy także mylić falownika silnikowego z falownikiem fotowoltaicznym. Oba urządzenia wykorzystują elementy półprzewodnikowe i oba przekształcają energię elektryczną, ale ich zadania są inne. Falownik fotowoltaiczny współpracuje z panelami PV i siecią elektroenergetyczną, natomiast przemiennik częstotliwości do silnika ma sterować napędem. Inne są algorytmy pracy, wymagania po stronie wejściowej i wyjściowej oraz sposób kontroli energii.

Jak działa falownik jako przemiennik częstotliwości?

Najprościej mówiąc, przemiennik częstotliwości pobiera energię z sieci zasilającej i przygotowuje dla silnika nowe napięcie o takich parametrach, jakie są w danym momencie potrzebne.

Jeżeli silnik podłączymy bezpośrednio do sieci 50 Hz, jego prędkość będzie związana właśnie z tą częstotliwością. Jeżeli chcemy, aby ten sam silnik pracował wolniej albo szybciej, musimy zmienić częstotliwość napięcia zasilającego uzwojenia. Tego nie zrobi zwykły stycznik ani softstart.

Falownik może zasilać silnik częstotliwością na przykład 10 Hz, 25 Hz, 50 Hz albo inną wartością, o ile pozwala na to konstrukcja silnika i napędzanej maszyny. W praktyce oznacza to możliwość płynnej regulacji prędkości obrotowej.

Dla uproszczenia spójrzmy najpierw na ideę jednofazowego układu falownikowego. Wyobraźmy sobie urządzenie, które na wejściu otrzymuje napięcie sieciowe, a na wyjściu ma wytworzyć napięcie o innej wartości i innej częstotliwości.

Na tym etapie możemy potraktować przemiennik częstotliwości jak „czarną skrzynkę”. Wiemy, że z jednej strony doprowadzamy zasilanie, a z drugiej chcemy uzyskać przebieg pozwalający sterować silnikiem. Pytanie brzmi: co dzieje się w środku?

Co znajduje się wewnątrz falownika?

Aby zrozumieć zasadę działania przemiennika częstotliwości, warto rozłożyć go na kilka podstawowych bloków. W dużym uproszczeniu typowy przemiennik częstotliwości zawiera:

• prostownik,
• obwód pośredni napięcia stałego,
• stopień falownikowy,
• układ sterowania,
• układy pomiarowe i zabezpieczające.

Prostownik zamienia napięcie przemienne z sieci na napięcie stałe. Obwód pośredni, wyposażony najczęściej w kondensatory, wygładza napięcie stałe i krótkotrwale gromadzi energię. Stopień falownikowy, zbudowany z tranzystorów mocy, ponownie wytwarza napięcie przemienne, którego parametry zależą od algorytmu sterowania.

To właśnie stopień falownikowy jest tym fragmentem urządzenia, który najłatwiej skojarzyć ze słowem „falownik”. Jego zadaniem jest takie przełączanie elementów półprzewodnikowych, aby na wyjściu uzyskać przebieg przemienny o parametrach wymaganych przez napęd.

Tranzystor jako klucz elektroniczny

W przekształtnikach częstotliwości wykorzystuje się elementy półprzewodnikowe pracujące jako szybkie klucze elektroniczne. W praktycznych urządzeniach są to najczęściej tranzystory mocy, dobrane do napięcia, prądu, częstotliwości przełączeń i sposobu chłodzenia.

Na potrzeby zrozumienia zasady działania falownika wystarczy potraktować tranzystor jak bardzo szybki łącznik. Jeżeli zostanie wysterowany, przewodzi prąd. Jeżeli nie zostanie wysterowany, blokuje przepływ prądu.

W dużym uproszczeniu tranzystor można więc przedstawić jako element, którym układ sterowania może bardzo szybko załączać i wyłączać przepływ prądu w wybranej gałęzi obwodu.

W takim podejściu nie interesuje nas jeszcze pełna fizyka półprzewodnika. Ważne jest to, że układ sterowania może decydować, kiedy dany tranzystor ma przewodzić, a kiedy ma zostać wyłączony. Dzięki temu można z napięcia stałego utworzyć przebieg, którego kierunek i wartość zmieniają się w czasie.

Mostek tranzystorowy i zmiana kierunku napięcia

Wyobraźmy sobie układ składający się z czterech tranzystorów pracujących jako klucze. Takie rozwiązanie pozwala zmieniać kierunek napięcia przyłożonego do odbiornika.

Jeżeli załączymy jedną parę tranzystorów, prąd popłynie przez odbiornik w jednym kierunku.

Jeżeli załączymy drugą parę tranzystorów, kierunek prądu w odbiorniku będzie przeciwny.

W efekcie na zaciskach odbiornika pojawia się napięcie przemienne, którego kierunek zmienia się zgodnie z pracą tranzystorów.

W tym miejscu pojawia się bardzo ważny wniosek: stopień falownikowy może wytwarzać napięcie przemienne z napięcia stałego dzięki odpowiedniemu sterowaniu tranzystorami mocy.

Trzeba jednak uważać na jedno uproszczenie. W rzeczywistym przemienniku częstotliwości nie należy mylić częstotliwości przełączania tranzystorów z częstotliwością podstawową napięcia wyjściowego dla silnika.

Tranzystory mogą przełączać się z częstotliwością liczonych w kilohercach impulsów PWM, natomiast silnik może być w tym samym czasie zasilany napięciem o częstotliwości podstawowej na przykład 10 Hz, 25 Hz albo 50 Hz. Szybkie przełączanie tranzystorów służy modulacji przebiegu, a częstotliwość pracy silnika wynika z tego, jaki przebieg podstawowy kształtuje algorytm sterowania falownika.

To nadal duże uproszczenie, ponieważ rzeczywisty przemiennik częstotliwości nie podaje na silnik idealnej sinusoidy wytworzonej w prosty mechaniczny sposób. Stopień mocy pracuje impulsowo, a kształt napięcia i prądu zależy od algorytmu sterowania, indukcyjności silnika i sposobu modulacji.

Dla zrozumienia zasady wystarczy jednak zapamiętać, że falownik wykorzystuje szybkie przełączanie tranzystorów mocy do wytwarzania napięcia przemiennego o regulowanej częstotliwości podstawowej.

Dlaczego w przemienniku częstotliwości potrzebny jest prostownik?

Skoro stopień falownikowy wytwarza napięcie przemienne z napięcia stałego, to w typowym przemienniku częstotliwości najpierw trzeba takie napięcie stałe uzyskać. Dlatego na wejściu urządzenia pracuje prostownik.

Prostownik pobiera napięcie przemienne z sieci i przekształca je w napięcie stałe obwodu pośredniego. Następnie energia trafia do obwodu pośredniego, w którym znajdują się elementy magazynujące i wygładzające, najczęściej kondensatory, a w wybranych konstrukcjach również dławiki.

Dopiero z tego pośredniego obwodu zasilany jest stopień falownikowy.

W uproszczeniu można więc powiedzieć, że przemiennik częstotliwości wykonuje dwa główne kroki:

1. zamienia napięcie przemienne z sieci na napięcie stałe,
2. z napięcia stałego wytwarza nowe napięcie przemienne do zasilenia silnika.

Dzięki temu silnik nie jest już bezpośrednio uzależniony od parametrów sieci zasilającej. To przemiennik częstotliwości decyduje, jaką częstotliwość, wartość napięcia i charakterystykę pracy otrzyma napęd.

Dlaczego falownik nie jest softstartem?

W tym miejscu warto wrócić do porównania z softstartem, ponieważ oba urządzenia bywają mylone, szczególnie wtedy, gdy ktoś patrzy wyłącznie na efekt łagodnego uruchamiania silnika.

Softstart steruje przede wszystkim napięciem podawanym na silnik podczas rozruchu i ewentualnie podczas łagodnego zatrzymania. Częstotliwość napięcia pozostaje taka sama jak częstotliwość sieci, czyli zwykle 50 Hz. Po zakończeniu rozruchu silnik pracuje praktycznie tak, jakby został podłączony bezpośrednio do sieci.

Falownik działa inaczej. Przez cały czas pracy wytwarza napięcie zasilające silnik o parametrach wynikających z algorytmu sterowania. Najpierw prostuje napięcie sieciowe, później magazynuje energię w obwodzie pośrednim, a następnie za pomocą tranzystorów mocy tworzy nowe napięcie przemienne o regulowanej częstotliwości i wartości skutecznej.

Dlatego softstart rozwiązuje głównie problem rozruchu, natomiast falownik przejmuje kontrolę nad całym przebiegiem pracy napędu.

Kiedy wystarczy softstart?

Softstart będzie dobrym wyborem wtedy, gdy:

• silnik ma po rozruchu pracować z pełną prędkością,
• potrzebne jest ograniczenie prądu rozruchowego,
• chcemy zmniejszyć udary mechaniczne podczas startu,
• nie potrzebujemy płynnej regulacji prędkości podczas normalnej pracy,
• wystarczy łagodne uruchomienie lub łagodne zatrzymanie.

W takich aplikacjach softstart może być rozwiązaniem prostszym i tańszym niż falownik. Nie ma sensu stosować przemiennika częstotliwości tylko dlatego, że jest bardziej zaawansowany, jeżeli maszyna i tak zawsze pracuje z jedną prędkością, a jedynym problemem jest zbyt gwałtowny rozruch.

Kiedy warto zastosować falownik?

Falownik warto rozważyć wtedy, gdy:

• prędkość silnika ma być regulowana,
• potrzebna jest zmiana kierunku obrotów,
• maszyna wymaga dużego momentu przy małej prędkości,
• rozruch i zatrzymanie mają być dokładniej kontrolowane,
• prędkość ma zależeć od sygnału analogowego, wejść cyfrowych albo komunikacji,
• układ ma utrzymywać ciśnienie, przepływ, poziom lub inną wielkość procesową,
• potrzebne są zaprogramowane sekwencje pracy,
• napęd ma współpracować z automatyką nadrzędną.

Przykładem może być pompa utrzymująca zadane ciśnienie w instalacji, wentylator regulujący wydajność wyciągu, przenośnik zmieniający prędkość w zależności od procesu albo maszyna wymagająca łagodnego ruszania, hamowania i kontroli momentu.

W takich przypadkach falownik nie jest dodatkiem. Jest właściwym elementem układu sterowania napędem.

Jak częstotliwość wpływa na prędkość silnika?

Aby zrozumieć, dlaczego falownik pozwala regulować prędkość silnika asynchronicznego, musimy wrócić do jednej z podstawowych zależności omawianych przy zasadzie działania silnika.

Prędkość synchroniczna wirującego pola magnetycznego zależy od częstotliwości napięcia zasilającego oraz liczby par biegunów silnika:

nₛ = 60 × f / p

gdzie:

nₛ – oznacza prędkość synchroniczną w obr./min,
f – oznacza częstotliwość w hercach,
p – oznacza liczbę par biegunów.

Zależność jest prosta: jeżeli zmieniamy częstotliwość zasilania, zmieniamy prędkość wirującego pola magnetycznego. A skoro wirnik silnika asynchronicznego podąża za tym polem z pewnym poślizgiem, to zmiana częstotliwości pozwala wpływać na prędkość obrotową wału.

Dla silnika dwubiegunowego, czyli mającego jedną parę biegunów, prędkość synchroniczna wynosi w przybliżeniu:

• 3 000 obr./min przy 50 Hz,
• 1 500 obr./min przy 25 Hz,
• 600 obr./min przy 10 Hz.

Dla popularnego silnika czterobiegunowego, czyli mającego dwie pary biegunów, prędkość synchroniczna wynosi w przybliżeniu:

• 1 500 obr./min przy 50 Hz,
• 750 obr./min przy 25 Hz,
• 300 obr./min przy 10 Hz.

W rzeczywistym silniku asynchronicznym wirnik obraca się nieco wolniej niż pole magnetyczne. Wynika to z poślizgu, który jest konieczny do wytworzenia momentu elektromagnetycznego. Dlatego na tabliczce znamionowej silnika czterobiegunowego można zobaczyć na przykład 1430 obr./min, a nie dokładnie 1500 obr./min.

Falownik zmienia więc prędkość silnika przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego uzwojenia. To podstawowa różnica względem softstartu, który podczas rozruchu ogranicza napięcie, ale nie zmienia częstotliwości zasilania.

Dlaczego falownik musi sterować także napięciem?

Na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać, że skoro prędkość silnika zależy od częstotliwości, to wystarczy zmieniać tylko częstotliwość. W praktyce sprawa jest bardziej złożona.

Silnik asynchroniczny jest maszyną elektromagnetyczną. Do poprawnej pracy potrzebuje odpowiedniego strumienia magnetycznego w obwodzie magnetycznym. Ten strumień zależy między innymi od napięcia i częstotliwości zasilania.

Jeżeli zmniejszylibyśmy częstotliwość, ale pozostawili pełne napięcie znamionowe, strumień magnetyczny w silniku nadmiernie by wzrósł. Mogłoby to doprowadzić do nasycenia obwodu magnetycznego, wzrostu prądu, przegrzewania uzwojeń i nieprawidłowej pracy napędu.

Jeżeli natomiast obniżylibyśmy napięcie zbyt mocno w stosunku do częstotliwości, silnik nie byłby w stanie wytworzyć odpowiedniego momentu. Wtedy napęd mógłby nie ruszyć, zatrzymać się pod obciążeniem albo pracować niestabilnie.

Dlatego falownik musi kontrolować nie tylko częstotliwość, ale również wartość napięcia podawanego na silnik. Właśnie w tym miejscu pojawia się najprostszy sposób sterowania silnikiem z falownika, czyli sterowanie skalarne U/f.

Na czym polega sterowanie skalarne U/f?

Sterowanie skalarne U/f, spotykane również jako V/f, polega na utrzymywaniu odpowiedniej proporcji napięcia (U) do częstotliwości (f).

W dużym uproszczeniu algorytm falownika dobiera napięcie wyjściowe tak, aby wraz ze zmianą częstotliwości zachować warunki umożliwiające poprawną pracę silnika.

Przykładowo silnik znamionowo zasilany napięciem 400 V przy 50 Hz może w uproszczeniu otrzymywać:

• około 400 V przy 50 Hz,
• około 200 V przy 25 Hz,
• około 80 V przy 10 Hz.

Nie należy traktować tych wartości jako uniwersalnych nastaw dla każdego napędu. W rzeczywistym przemienniku częstotliwości charakterystyka może być modyfikowana. Producent może przewidzieć podbicie napięcia przy małych częstotliwościach, kompensację poślizgu, ograniczenia prądowe albo specjalne charakterystyki dla pomp i wentylatorów.

Najważniejsza zasada jest jednak prosta: falownik nie może bezrefleksyjnie zmieniać częstotliwości. Musi jednocześnie kontrolować napięcie, ponieważ od proporcji napięcia i częstotliwości zależą warunki magnetyczne w silniku oraz zdolność napędu do wytworzenia momentu.

Charakterystyka liniowa U/f

Charakterystyka liniowa U/f jest najprostszym sposobem sterowania silnikiem. Falownik zwiększa napięcie mniej więcej proporcjonalnie do częstotliwości.

Taki sposób sterowania sprawdza się w wielu prostych aplikacjach, szczególnie tam, gdzie obciążenie nie wymaga bardzo dokładnej kontroli momentu przy małej prędkości.

Można go spotkać między innymi w prostych napędach maszyn, przenośnikach, wentylatorach, pompach i układach, w których nie jest wymagana bardzo wysoka dynamika regulacji.

Zaletą sterowania liniowego U/f jest prostota. Do uruchomienia napędu zwykle wystarczy wprowadzić podstawowe dane silnika, ustawić zakres częstotliwości, czas przyspieszania i hamowania oraz sposób zadawania prędkości.

Charakterystyka kwadratowa U/f

W części aplikacji, szczególnie przy pompach i wentylatorach, stosuje się charakterystykę kwadratową. Wynika to z charakteru takich obciążeń.

W układach wentylatorowych i pompowych zapotrzebowanie na moment nie rośnie zwykle liniowo wraz z prędkością. Przy niższych prędkościach obciążenie może być znacznie mniejsze, dlatego nie zawsze trzeba utrzymywać liniową zależność napięcia od częstotliwości.

Charakterystyka kwadratowa pozwala lepiej dopasować pracę napędu do obciążenia o takim charakterze. W praktyce może to ograniczyć pobór energii, zmniejszyć nagrzewanie silnika i poprawić kulturę pracy układu.

Nie oznacza to jednak, że charakterystykę kwadratową należy stosować zawsze. Jeżeli napęd wymaga dużego momentu przy małej prędkości, zbyt mocne obniżenie napięcia może spowodować problemy z rozruchem lub utrzymaniem pracy pod obciążeniem.

Ograniczenia sterowania skalarnego

Sterowanie skalarne jest proste, praktyczne i bardzo często wystarczające. Ma jednak swoje ograniczenia.

Falownik pracujący w trybie U/f nie kontroluje bezpośrednio momentu elektromagnetycznego. Dobiera napięcie do częstotliwości zgodnie z zaprogramowaną charakterystyką, ale nie rozdziela precyzyjnie zjawisk związanych ze strumieniem i momentem.

W wielu aplikacjach nie stanowi to problemu. Pompa, wentylator lub prosty przenośnik mogą działać poprawnie przy sterowaniu skalarnym, jeżeli falownik został dobrze dobrany i skonfigurowany.

Problem może pojawić się wtedy, gdy:

• silnik ma pracować z dużym momentem przy bardzo małej częstotliwości,
• obciążenie gwałtownie się zmienia,
• napęd wymaga dokładnego utrzymania prędkości,
• potrzebna jest szybka reakcja na wzrost obciążenia,
• maszyna wymaga bardziej dynamicznego przyspieszania lub hamowania,
• istotna jest kontrola momentu.

W takich przypadkach sterowanie U/f może okazać się niewystarczające. Falownik będzie regulował częstotliwość i napięcie, ale nie będzie miał tak dobrego obrazu stanu elektromagnetycznego silnika jak w sterowaniu wektorowym.

Dlaczego zakres nastaw falownika nie oznacza bezpiecznego zakresu pracy maszyny?

W menu falownika można często ustawić szeroki zakres częstotliwości. Nie oznacza to jednak, że każdy silnik i każdą maszynę można bezpiecznie rozpędzić do dowolnej wartości dostępnej w parametrach.

To bardzo ważna zasada praktyczna: Zakres nastaw falownika nie jest tym samym co dopuszczalny zakres pracy napędu.

Ograniczenia mogą wynikać między innymi z:

• konstrukcji wirnika,
• stanu i typu łożysk,
• wyważenia elementów wirujących,
• dopuszczalnej prędkości pompy, wentylatora, przekładni lub wrzeciona,
• wytrzymałości sprzęgieł, pasów, kół, łańcuchów i wałów,
• sposobu chłodzenia silnika,
• temperatury otoczenia,
• miejsca montażu,
• charakteru pracy maszyny.

Przykładowo wentylator, pompa lub przekładnia mogą mieć własne ograniczenia prędkości, niezależne od samego silnika. To, że falownik pozwala ustawić 70 Hz, 80 Hz albo 100 Hz, nie oznacza automatycznie, że cała maszyna może bezpiecznie pracować z taką częstotliwością.

Podobnie jest przy niskich prędkościach. Silnik może wciąż wytwarzać moment, ale wentylator osadzony na jego wale obraca się wolniej, przez co chłodzenie własne silnika jest gorsze. Jeżeli napęd długo pracuje z dużym obciążeniem przy małej prędkości, może dojść do przegrzewania, mimo że prąd nie wydaje się na pierwszy rzut oka skrajnie wysoki.

Falownik może ograniczać prąd, wykrywać przeciążenia i reagować na błędy, ale nie zastępuje prawidłowego doboru silnika, chłodzenia i całej mechaniki napędu.

Sterowanie skalarne i wektorowe, czym się różnią?

W falownikach spotykamy dwa podstawowe sposoby sterowania silnikiem asynchronicznym:

• sterowanie skalarne U/f,
• sterowanie wektorowe.

Sterowanie skalarne U/f omówiłem wcześniej. Warto jedynie przypomnieć, że jest to metoda prosta, praktyczna i wystarczająca w wielu aplikacjach, szczególnie przy pompach, wentylatorach oraz napędach, które nie wymagają bardzo dokładnej kontroli momentu.

W sterowaniu skalarnym falownik działa według uproszczonej zasady: „Przy tej częstotliwości podam takie napięcie”.

Sterowanie wektorowe idzie dalej. Falownik nie patrzy już wyłącznie na częstotliwość i napięcie. Wykorzystuje model matematyczny silnika, mierzy prądy, analizuje stan elektromagnetyczny maszyny i próbuje oddzielnie kontrolować zjawiska związane ze strumieniem magnetycznym oraz momentem elektromagnetycznym.

Brzmi poważnie, bo temat rzeczywiście jest bardziej zaawansowany. Nie musimy jednak wchodzić w pełną teorię maszyn elektrycznych, aby zrozumieć najważniejszą praktyczną różnicę.

W sterowaniu wektorowym falownik próbuje odpowiedzieć na bardziej szczegółowe pytania:

• „Jaki jest aktualny stan silnika?”
• „Jaka część prądu odpowiada za strumień?”
• „Jaka część prądu odpowiada za moment?”
• „Jak zmienić napięcia fazowe, aby silnik szybciej i dokładniej zareagował na obciążenie?”

Dlatego sterowanie wektorowe może zapewnić lepszą dynamikę, dokładniejszą regulację prędkości i większy moment przy małej prędkości. Nie dzieje się to jednak samo. Falownik musi mieć poprawnie wprowadzone dane silnika, a w wielu przypadkach powinien również wykonać procedurę identyfikacji parametrów silnika, czyli autotuning.

Sterowanie wektorowe

Sterowanie wektorowe wykorzystuje model matematyczny silnika. Na podstawie zmierzonych prądów, napięć, częstotliwości oraz danych wprowadzonych przez użytkownika falownik szacuje wielkości związane ze strumieniem magnetycznym i momentem.

Dla przypomnienia, silnik asynchroniczny można opisywać za pomocą schematu zastępczego oraz równań opisujących zależności między napięciami, prądami i strumieniami.

W praktyce nie chodzi o to, aby instalator podczas uruchomienia falownika sam liczył równania maszyny. To zadanie procesora sterującego pracą przemiennika częstotliwości. Warto natomiast rozumieć, dlaczego falownik wektorowy potrzebuje danych silnika i dlaczego nie powinno się ich wpisywać przypadkowo.

Jeżeli falownik ma korzystać z modelu matematycznego silnika, musi wiedzieć, z jaką maszyną współpracuje. Parametry z tabliczki znamionowej, takie jak napięcie, prąd, moc, częstotliwość, prędkość obrotowa i współczynnik mocy, nie są formalnością. Są punktem wyjścia do poprawnego sterowania.

Po co falownikowi transformacje matematyczne?

W silniku trójfazowym mamy trzy prądy fazowe. Są one przesunięte względem siebie w czasie i związane z uzwojeniami rozmieszczonymi w stojanie. Bezpośrednie sterowanie trzema szybkozmiennymi przebiegami sinusoidalnymi byłoby niewygodne.

Sterowanie wektorowe upraszcza ten problem. Prądy trzech faz można potraktować jako składowe jednego wypadkowego wektora prądu stojana. Zamiast analizować osobno każdą fazę, układ sterowania może przeliczyć je do innego układu współrzędnych.

Pierwszym krokiem jest zwykle transformacja Clarke’a. Pozwala ona zastąpić układ trójfazowy układem dwuwymiarowym, opisywanym osiami alfa i beta.

Najważniejsza idea jest prosta: trzy prądy fazowe można przedstawić jako jeden wektor w nieruchomym układzie współrzędnych. To ułatwia dalsze obliczenia, ale problem nie znika całkowicie, ponieważ ten wektor nadal obraca się w czasie.

Dlatego stosuje się kolejny krok, czyli transformację Parka.

Transformacja Parka, obserwator poruszający się razem z polem

Ideę transformacji Parka można wyjaśnić na prostym przykładzie.

Jeżeli stoisz obok toru wyścigowego, samochody mijają Cię z dużą prędkością. Musisz cały czas śledzić ich położenie. Jeżeli jednak jedziesz obok jednego z samochodów z taką samą prędkością, ten samochód wydaje się względem Ciebie prawie nieruchomy.

Podobnie działa transformacja Parka.

Zamiast obserwować wirujący wektor z nieruchomego układu alfa beta, falownik tworzy układ dq, który obraca się razem z wybranym wektorem pola magnetycznego maszyny.

Dzięki temu wielkości, które w nieruchomym układzie są sinusoidalne i szybkozmienne, w obracającym się układzie odniesienia mogą być traktowane jak wartości prawie stałe w stanie ustalonym.

To duże ułatwienie dla algorytmu sterowania. Zamiast regulować trzy zmieniające się sinusoidy, falownik może pracować na dwóch wielkościach, które dla regulatora zachowują się podobnie do sygnałów stałoprądowych.

Nie oznacza to, że silnik jest zasilany prądem stałym. W żyłach kabla zasilającego silnik nadal płyną prądy przemienne. Stałe lub wolnozmienne są tylko wartości uzyskane po matematycznym przekształceniu układu odniesienia.

Dzięki temu algorytm sterowania może rozpatrywać oddzielnie dwie składowe prądu, z których jedna jest związana przede wszystkim ze strumieniem magnetycznym, a druga z momentem elektromagnetycznym.

Składowa strumienia i składowa momentu

Najważniejszą zaletą przejścia do układu dq jest możliwość rozdzielenia wpływu prądu na dwa podstawowe zjawiska zachodzące w silniku:

• składowa id odpowiada przede wszystkim za wytwarzanie strumienia magnetycznego,
• składowa iq odpowiada przede wszystkim za wytwarzanie momentu elektromagnetycznego.

Jest to podstawowa idea sterowania polowo zorientowanego, czyli FOC, Field Oriented Control.

Można to porównać do silnika prądu stałego, w którym jeden obwód odpowiada za wzbudzenie, a drugi za moment. W silniku asynchronicznym nie mamy jednak fizycznie dwóch osobnych obwodów id i iq. To rozdzielenie powstaje matematycznie w algorytmie sterującym falownika.

Dzięki temu falownik może szybciej reagować na zmianę obciążenia. Jeżeli maszyna nagle potrzebuje większego momentu, algorytm nie musi jedynie podnosić napięcia lub zmieniać częstotliwości zgodnie z prostą charakterystyką. Może zwiększyć składową odpowiedzialną za moment, zachowując przy tym kontrolę nad strumieniem.

To właśnie dlatego napęd ze sterowaniem wektorowym może zachowywać się znacznie lepiej przy małych prędkościach i zmiennym obciążeniu niż napęd pracujący w prostym trybie U/f.

Skąd falownik wie, gdzie znajduje się wirnik?

Aby transformacja Parka była poprawna, układ sterowania musi znać położenie obracającego się układu odniesienia. Mówiąc prościej, falownik musi wiedzieć, jak ustawić „matematyczny punkt widzenia”, z którego obserwuje silnik.

W silniku asynchronicznym jest to trudniejsze niż w niektórych innych typach maszyn, ponieważ wirnik nie obraca się dokładnie z prędkością pola magnetycznego stojana. Między prędkością pola i prędkością wirnika występuje poślizg.

W uproszczeniu można zapisać:

Ω_s = Ω_r + Ω_p

gdzie:

Ω_s – oznacza prędkość kątową pola,
Ω_r – oznacza prędkość kątową wirnika,
Ω_p – oznacza prędkość kątową odpowiadającą poślizgowi.

Falownik musi więc znać lub oszacować zależność między polem magnetycznym, prędkością wirnika i poślizgiem.

Sterowanie z enkoderem

W bardziej wymagających aplikacjach stosuje się czujnik położenia lub prędkości, czyli enkoder. Enkoder przekazuje informację o ruchu wału silnika do układu sterowania.

Dzięki temu falownik otrzymuje informację pomiarową z napędu i może dokładniej regulować prędkość lub położenie. Takie rozwiązanie stosuje się tam, gdzie wymagana jest większa precyzja, lepsza dynamika albo praca przy bardzo małych prędkościach.

Enkoder nie jest jednak potrzebny w każdej aplikacji. Wiele współczesnych falowników potrafi pracować w trybie wektorowym bezczujnikowym.

Sterowanie bezczujnikowe

W sterowaniu bezczujnikowym falownik nie otrzymuje bezpośredniej informacji z enkodera. Musi oszacować potrzebne wielkości na podstawie:

• zmierzonych prądów,
• napięć,
• częstotliwości,
• modelu matematycznego silnika,
• danych znamionowych wprowadzonych przez użytkownika,
• parametrów wyznaczonych podczas autotuningu.

Dlatego przed uruchomieniem sterowania wektorowego tak ważne jest poprawne wpisanie danych silnika. Jeżeli falownik otrzyma błędne dane, jego model matematyczny będzie niezgodny z rzeczywistą maszyną. Wtedy napęd może pracować niestabilnie, mieć słaby moment, zgłaszać błędy albo nadmiernie nagrzewać silnik.

Dlaczego autotuning jest ważny?

Autotuning, nazywany również automatyczną identyfikacją parametrów silnika, pozwala falownikowi lepiej poznać napęd, z którym ma współpracować.

W zależności od modelu urządzenia procedura może być wykonywana na postoju albo z obrotem silnika. Szczegóły zawsze trzeba sprawdzić w instrukcji konkretnego falownika, ponieważ błędnie przeprowadzony autotuning może być niebezpieczny dla maszyny.

Autotuning może pomóc falownikowi wyznaczyć parametry potrzebne do dokładniejszego sterowania, między innymi rezystancje i indukcyjności uzwojeń. Dzięki temu algorytm sterowania wektorowego lepiej dopasowuje się do rzeczywistego silnika, a nie tylko do danych wpisanych z tabliczki znamionowej.

W praktyce warto zapamiętać prostą zasadę:

Jeżeli chcesz korzystać ze sterowania wektorowego, nie traktuj danych silnika i autotuningu jako dodatku. To jeden z warunków poprawnej pracy algorytmu.

Dlaczego sterowanie wektorowe daje lepszą dynamikę?

Sterowanie wektorowe daje lepszą dynamikę dlatego, że falownik nie ogranicza się do prostej zależności napięcie, częstotliwość. Analizuje stan elektromagnetyczny silnika i próbuje oddzielnie wpływać na strumień oraz moment.

Gdy wzrasta obciążenie, algorytm może szybko zwiększyć składową prądu odpowiedzialną za moment. Dzięki temu silnik lepiej reaguje na zmiany obciążenia, a prędkość może być utrzymywana dokładniej niż przy prostym sterowaniu skalarnym.

W praktyce automatyk może oczekiwać:

• większego momentu przy małej prędkości,
• lepszej odpowiedzi na zmianę obciążenia,
• dokładniejszej regulacji prędkości,
• bardziej dynamicznego przyspieszania,
• skuteczniejszego hamowania,
• możliwości sterowania momentem w wybranych aplikacjach.

Nie oznacza to jednak, że sterowanie wektorowe zawsze będzie najlepszym wyborem. Jeżeli falownik zasila kilka silników jednocześnie, zwykle nie da się poprawnie zbudować jednego modelu dla wszystkich maszyn. W takich układach zazwyczaj stosuje się sterowanie skalarne U/f oraz indywidualne zabezpieczenia każdego silnika.

Ważna zasada: Sterowanie wektorowe jest przeznaczone przede wszystkim do współpracy z jednym, prawidłowo opisanym silnikiem, którego parametry są znane i pewne.

Czy falownik zapewnia pełny moment przy każdej prędkości?

Jednym z częstych nieporozumień jest przekonanie, że skoro falownik pozwala płynnie regulować prędkość silnika, to silnik będzie miał taki sam moment w całym zakresie nastaw. W praktyce tak nie jest.

Falownik daje bardzo duże możliwości sterowania napędem, ale nie znosi ograniczeń wynikających z budowy silnika, chłodzenia, prądu znamionowego, napięcia zasilania i mechaniki maszyny.

Do częstotliwości znamionowej silnik może zazwyczaj pracować w obszarze zbliżonym do stałego momentu. Oznacza to, że przy poprawnym doborze falownika, właściwych nastawach i zapewnionym chłodzeniu silnik może wytwarzać użyteczny moment w szerokim zakresie prędkości.

Nie oznacza to jednak, że można go obciążać dowolnie. Granicą pozostaje prąd silnika, przeciążalność falownika, temperatura uzwojeń oraz warunki pracy całego napędu.

Co dzieje się powyżej częstotliwości znamionowej?

Powyżej częstotliwości znamionowej sytuacja się zmienia. Jeżeli silnik jest przeznaczony do pracy przy 400 V i 50 Hz, to przy zasilaniu z typowego falownika 3 × 400 V nie można w nieskończoność zwiększać napięcia razem z częstotliwością.

Falownik ogranicza napięcie wyjściowe do wartości wynikającej z napięcia zasilania i obwodu pośredniego. Gdy częstotliwość rośnie powyżej wartości znamionowej, napięcie nie może już rosnąć proporcjonalnie. Wtedy rozpoczyna się obszar osłabiania pola.

Silnik może obracać się szybciej, ale dostępny moment zaczyna maleć.

W praktyce oznacza to, że praca powyżej 50 Hz może być możliwa, ale wymaga sprawdzenia:

• czy silnik dopuszcza taką prędkość,
• czy napędzana maszyna dopuszcza taką prędkość,
• czy łożyska, wirnik, sprzęgło, przekładnia, pasy lub wentylator wytrzymają większą prędkość,
• czy spadek momentu nie uniemożliwi normalnej pracy,
• czy producent maszyny nie ograniczył maksymalnej częstotliwości.

Nie wolno zakładać, że skoro falownik pozwala wpisać 80 Hz, to silnik i maszyna mogą bezpiecznie pracować przy 80 Hz.

Co dzieje się przy bardzo małej prędkości?

Drugi problem pojawia się przy długotrwałej pracy z małą prędkością. W wielu standardowych silnikach wentylator chłodzący jest osadzony na wale. Jeżeli silnik obraca się wolniej, wentylator również obraca się wolniej. Wydajność chłodzenia spada.

Może więc wystąpić sytuacja, w której silnik wytwarza wymagany moment, ale jednocześnie nie ma zapewnionego odpowiedniego odprowadzania ciepła. Dotyczy to szczególnie napędów pracujących długo przy małej częstotliwości i dużym obciążeniu.

W takich aplikacjach może być potrzebny:

• silnik przeznaczony do pracy falownikowej,
• niezależny wentylator chłodzący,
• ograniczenie momentu,
• ograniczenie czasu pracy przy małej prędkości,
• pomiar temperatury uzwojeń,
• dodatkowa analiza warunków pracy maszyny.

Falownik może ograniczać prąd i reagować na przeciążenie, ale nie zastępuje prawidłowego chłodzenia silnika. Jeżeli napęd ma pracować długo z dużym momentem przy niskiej prędkości, trzeba to przewidzieć już na etapie doboru.

Jak dobrać falownik do silnika?

Dobór falownika należy rozpocząć od dwóch rzeczy:

• danych z tabliczki znamionowej silnika,
• informacji o napędzanej maszynie.

Nie wystarczy znać moc silnika. Falownik nie napędza „kilowatów”, tylko zasila konkretny silnik o określonym prądzie, napięciu, sposobie połączenia uzwojeń, charakterze pracy i wymaganiach aplikacji.

Przed doborem falownika trzeba sprawdzić co najmniej:

• napięcie znamionowe silnika,
• możliwy sposób połączenia uzwojeń,
• prąd znamionowy silnika,
• moc znamionową,
• częstotliwość znamionową,
• prędkość obrotową,
• współczynnik mocy, jeżeli jest wymagany przez falownik,
• rodzaj obciążenia,
• wymagany zakres regulacji prędkości,
• wymagany moment przy małej prędkości,
• czas przyspieszania i hamowania,
• liczbę rozruchów i cykli pracy,
• temperaturę otoczenia,
• sposób zabudowy falownika,
• dostępne napięcie zasilania.

Dopiero po zebraniu tych informacji można sensownie dobrać urządzenie.

Nie dobieraj falownika wyłącznie na podstawie mocy

Bardzo częsty błąd polega na założeniu, że do silnika 2,2 kW zawsze wystarczy dowolny falownik 2,2 kW. W prostych aplikacjach często się to uda, ale nie jest to poprawna metoda doboru.

Najważniejszym parametrem elektrycznym jest dopuszczalny prąd wyjściowy falownika.

Dwa silniki o tej samej mocy mogą mieć różne prądy znamionowe, różną sprawność, inny współczynnik mocy i inne wymagania przeciążeniowe. Dodatkowo ten sam silnik może pracować w różnych warunkach, na przykład z lekkim wentylatorem albo z ciężko ruszającym mieszadłem.

Prąd wyjściowy falownika powinien być nie mniejszy od prądu znamionowego silnika w konfiguracji, w której silnik rzeczywiście będzie pracował.

Dodatkowy zapas może być potrzebny przy:

• ciężkim rozruchu,
• przenośnikach,
• mieszadłach,
• kruszarkach,
• młynach,
• napędach o dużej bezwładności,
• częstych zmianach prędkości,
• pracy z dużym momentem przy małej częstotliwości,
• wysokiej temperaturze otoczenia,
• zabudowie w szafie o słabej wentylacji.

Przykładowo pompa odśrodkowa i ciężko uruchamiane mieszadło mogą mieć taki sam silnik pod względem mocy, ale stawiać falownikowi zupełnie inne wymagania.

Charakter obciążenia ma znaczenie

Przy doborze falownika trzeba zadać sobie pytanie, jak zachowuje się maszyna podczas rozruchu i pracy.

Inaczej dobiera się falownik do wentylatora, inaczej do pompy, inaczej do przenośnika, a jeszcze inaczej do mieszadła, kruszarki lub napędu z dużą bezwładnością.

W aplikacjach lekkich, takich jak wiele wentylatorów i pomp odśrodkowych, moment obciążenia przy małej prędkości jest zwykle mniejszy. Falownik ma wtedy łatwiejsze zadanie, a dodatkowo regulacja prędkości może przynieść duże oszczędności energii.

W aplikacjach o dużym obciążeniu maszyna może wymagać wysokiego momentu już podczas rozruchu. Falownik o niewystarczającej przeciążalności może nie uruchomić napędu albo przerwać rozruch po wykryciu przeciążenia.

Dlatego przy doborze nie wolno patrzeć wyłącznie na tabliczkę znamionową silnika. Trzeba również wiedzieć, co ten silnik ma napędzać.

Falownik jednofazowy nie wytwarza automatycznie 3 × 400 V

W małych warsztatach, gospodarstwach i modernizowanych obiektach zasilanych jednofazowo często pojawia się pytanie: Czy z gniazda 230 V można zasilić trójfazowy silnik 400 V?

Odpowiedź brzmi: to zależy od silnika i falownika.

Typowy falownik zasilany jednofazowo napięciem 230 V ma na wyjściu napięcie trójfazowe o wartości międzyfazowej około 230 V. Nie podwyższa automatycznie napięcia do 3 × 400 V.

To jedna z najważniejszych rzeczy, które trzeba sprawdzić przed zakupem. Jeżeli pomylimy napięcie wyjściowe falownika ze sposobem połączenia uzwojeń silnika, napęd może nie osiągnąć zakładanego momentu, pracować nieprawidłowo albo w ogóle nie nadawać się do danej aplikacji.

Silnik 230/400 V Δ/Y

Jeżeli na tabliczce znamionowej silnika znajduje się oznaczenie: 230/400 V Δ/Y oznacza to, że uzwojenie silnika jest przystosowane do napięcia 230 V przy połączeniu w trójkąt oraz do napięcia 400 V przy połączeniu w gwiazdę.

W takiej sytuacji silnik zasilany z falownika jednofazowego 230 V, którego wyjście ma napięcie 3 × 230 V, powinien zwykle pracować w połączeniu trójkąt. Dzięki temu każde uzwojenie otrzymuje wtedy właściwe napięcie.

Jeżeli ten sam silnik byłby zasilany z sieci 3 × 400 V bez falownika albo z falownika o wyjściu 3 × 400 V, powinien zwykle pracować w połączeniu gwiazda.

Silnik 400/690 V Δ/Y

Jeżeli na tabliczce znamionowej silnika znajduje się oznaczenie: 400/690 V Δ/Y oznacza to, że uzwojenie silnika jest przystosowane do napięcia 400 V przy połączeniu w trójkąt oraz do napięcia 690 V przy połączeniu w gwiazdę.

Silnik 400/690 V Δ/Y należy zwykle połączyć w trójkąt, jeżeli falownik zapewnia na wyjściu napięcie 3 × 400 V. Nie jest on natomiast przystosowany do typowego falownika zasilanego jednofazowo napięciem 230 V, ponieważ takie urządzenie zapewnia na wyjściu zazwyczaj 3 × 230 V.

Przed podłączeniem silnika należy sprawdzić, czy może on współpracować z wybranym falownikiem oraz jak należy połączyć jego uzwojenia. W tym celu trzeba uwzględnić:

• dane z tabliczki znamionowej silnika,
• dokumentację silnika,
• dokumentację falownika,
• napięcie wyjściowe falownika,
• wymagany sposób połączenia uzwojeń,
• moment wymagany przez maszynę i charakter jej pracy.

Najważniejsza zasada jest prosta: nie dobieramy połączenia uzwojeń „na pamięć”. Dobieramy je do napięcia, jakie rzeczywiście otrzymają uzwojenia silnika.

Co z silnikami jednofazowymi?

Większość typowych falowników stosowanych w automatyce jest przeznaczona do sterowania trójfazowymi silnikami indukcyjnymi. Silnika jednofazowego z kondensatorem nie należy automatycznie traktować jak silnika trójfazowego.

To bardzo ważne, ponieważ w wielu jednofazowych silnikach indukcyjnych kondensator odpowiada za wytworzenie przesunięcia fazowego potrzebnego do rozruchu lub pracy uzwojenia pomocniczego.

Typowy falownik trójfazowy nie jest przeznaczony do tego, aby zasilać taki silnik w klasycznym połączeniu z kondensatorem. Podłączenie „na próbę” może skończyć się nieprawidłową pracą, błędami falownika albo uszkodzeniem silnika.

Falownik do wybranych silników jednofazowych

Istnieją specjalne wykonania falowników przeznaczone do wybranych silników jednofazowych. W takim przypadku nie chodzi o zwykłe podłączenie falownika do silnika z kondensatorem, lecz o odpowiednie przygotowanie silnika zgodnie z instrukcją producenta urządzenia.

W praktyce może być wymagane:

• uzyskanie dostępu do końców uzwojenia głównego i pomocniczego,
• zmiana połączeń wewnętrznych silnika,
• odłączenie kondensatora,
• podłączenie uzwojeń do odpowiednich zacisków falownika,
• ustawienie parametrów zgodnie z dokumentacją.

Jeżeli konstrukcja silnika nie pozwala na dostęp do wymaganych wyprowadzeń, zastosowanie takiego falownika może nie być możliwe.

Przed zakupem falownika do silnika jednofazowego trzeba więc sprawdzić:

• typ silnika,
• obecność uzwojenia pomocniczego,
• dostęp do końców uzwojeń,
• możliwość usunięcia kondensatora,
• prąd znamionowy,
• moc silnika,
• zgodność z dokumentacją konkretnego falownika.

Nie należy zakładać, że każdy silnik jednofazowy da się łatwo przerobić do pracy z falownikiem. W wielu przypadkach prostszym i pewniejszym rozwiązaniem będzie zastosowanie silnika trójfazowego dobranego do pracy z przemiennikiem częstotliwości.

Czy każdy silnik nadaje się do pracy z falownikiem?

Nie każdy silnik będzie dobrym kandydatem do pracy z falownikiem, szczególnie jeżeli mówimy o długiej pracy w szerokim zakresie prędkości, dużym momencie przy małej częstotliwości albo starszych konstrukcjach.

Przed zastosowaniem falownika warto sprawdzić:

• stan techniczny silnika,
• izolację uzwojeń,
• dokumentację producenta,
• dopuszczalny zakres prędkości,
• sposób chłodzenia,
• warunki pracy,
• długość kabla między falownikiem i silnikiem,
• wymagania dotyczące kabli ekranowanych,
• ryzyko prądów łożyskowych w większych napędach,
• wymagania dotyczące filtrów wyjściowych.

W układzie z niewielkim silnikiem i krótkim kablem pomiędzy falownikiem i silnikiem niekorzystne zjawiska związane z impulsowym napięciem wyjściowym falownika mogą być mniej odczuwalne. W większych napędach oraz przy długich kablach trzeba dokładnie przeanalizować wymagania dotyczące izolacji silnika, ekranowania, filtrów wyjściowych i ochrony łożysk.

Należy pamiętać, że falownik poprawia możliwości sterowania, ale jednocześnie wprowadza do układu zjawiska typowe dla energoelektroniki, między innymi szybkie narastanie napięcia, zakłócenia elektromagnetyczne i konieczność prawidłowego prowadzenia kabli.

Dlatego dobór falownika to nie tylko wybór modelu z katalogu. To analiza całego układu: zasilania, falownika, kabla łączącego falownik z silnikiem, dobór samego silnika, mechaniki i sposobu sterowania.

Stary silnik i nowy falownik, na co uważać?

Modernizacja starej maszyny przez zastosowanie falownika może przynieść wiele korzyści, ale wymaga wcześniejszej oceny stanu technicznego całego napędu.

W starszych silnikach szczególną uwagę należy zwrócić na stan izolacji uzwojeń. Falownik nie zasila silnika napięciem o przebiegu sinusoidalnym takim jak sieć elektroenergetyczna. Napięcie wyjściowe powstaje w wyniku szybkiego przełączania tranzystorów mocy. Związane z tym strome zbocza napięcia mogą zwiększać obciążenie izolacji uzwojeń, szczególnie przy długim kablu silnikowym.

Przed modernizacją trzeba również sprawdzić stan łożysk, wentylatora, zacisków, puszki przyłączeniowej oraz połączeń ochronnych. Zastosowanie falownika nie usunie istniejących problemów mechanicznych ani uszkodzeń izolacji. Może natomiast ujawnić usterki, które podczas wcześniejszej pracy silnika nie powodowały jeszcze widocznych objawów.

Ocena nie powinna ograniczać się wyłącznie do silnika. Trzeba przeanalizować cały układ, w tym falownik, kabel silnikowy, połączenia ochronne, aparaturę w szafie sterowniczej oraz sposób prowadzenia kabli zasilających i sygnałowych.

Przed rozpoczęciem modernizacji należy sprawdzić:

• czy silnik jest sprawny mechanicznie,
• czy stan izolacji uzwojeń pozwala na zasilanie silnika z falownika,
• czy silnik i napędzana maszyna mogą bezpiecznie pracować w planowanym zakresie prędkości,
• czy chłodzenie silnika będzie wystarczające podczas długotrwałej pracy z małą prędkością,
• czy długość kabla silnikowego mieści się w zakresie określonym przez producenta falownika,
• czy należy zastosować kabel ekranowany lub filtry wyjściowe,
• czy połączenia ochronne oraz sposób wykonania uziemienia są prawidłowe,
• czy aparatura i szafa sterownicza są przystosowane do współpracy z przemiennikiem częstotliwości,
• czy sposób prowadzenia kabli ogranicza ryzyko zakłóceń elektromagnetycznych.

Zastosowanie falownika w starszej maszynie nie musi być niewłaściwe. Nie należy jednak sprowadzać modernizacji wyłącznie do zamontowania urządzenia i wprowadzenia podstawowych danych silnika. Dopiero analiza całego układu pozwala ocenić, czy zastosowanie falownika będzie bezpiecznym i technicznie uzasadnionym kierunkiem modernizacji.

Czy falownik zawsze oszczędza energię?

Falownik bardzo często kojarzy się z oszczędnością energii. Jest w tym dużo prawdy, ale trzeba dobrze rozumieć, kiedy taka oszczędność rzeczywiście występuje.

Największy potencjał oszczędności pojawia się w układach, w których regulujemy wydajność maszyny przez zmianę prędkości obrotowej. Dotyczy to przede wszystkim pomp i wentylatorów, ponieważ ich zapotrzebowanie na moc silnie zależy od prędkości obrotowej.

Jeżeli zamiast dławić przepływ zaworem lub przepustnicą zmniejszymy prędkość obrotową silnika, układ może pobierać znacznie mniej energii. Dobrym przykładem jest wentylator wyciągowy, który nie musi cały czas pracować z pełną wydajnością. Jeżeli zapotrzebowanie na przepływ powietrza jest mniejsze, falownik może zmniejszyć częstotliwość zasilania silnika. Wentylator obraca się wolniej, hałas spada, a pobór energii może być znacznie niższy niż przy pracy z pełną prędkością i mechanicznym ograniczaniu przepływu.

Podobnie działa to w instalacjach pompowych, w których falownik utrzymuje zadane ciśnienie. Zamiast uruchamiać pompę zawsze z pełną prędkością, układ może dostosować obroty silnika do rzeczywistego zapotrzebowania.

Nie oznacza to jednak, że falownik zawsze automatycznie obniży rachunki za energię. Jeżeli maszyna i tak musi cały czas pracować z pełną prędkością i pełnym obciążeniem, oszczędności mogą być niewielkie albo żadne. Falownik nadal może być potrzebny z innych powodów, na przykład do łagodnego rozruchu, kontroli momentu, zmiany kierunku obrotów lub współpracy z automatyką, ale nie należy obiecywać dużych oszczędności energii tylko dlatego, że w układzie pojawił się przemiennik częstotliwości.

Najczęstsze błędy przy doborze i stosowaniu falowników

W praktyce wiele problemów z falownikami nie wynika z awarii samego urządzenia, ale z błędnego doboru, niewłaściwego podłączenia albo przypadkowych nastaw. Poniżej zebrałem błędy, które warto wyeliminować już na etapie planowania układu.

Dobór falownika tylko na podstawie mocy silnika

Pierwszy błąd to dobór falownika wyłącznie według mocy podanej w kilowatach. Moc jest ważna, ale nie wystarcza. Trzeba sprawdzić prąd znamionowy silnika, przeciążalność falownika, charakter obciążenia i warunki pracy.

Falownik dobrany „na styk” może poprawnie działać z lekkim wentylatorem, ale mieć problem z ciężko uruchamianym mieszadłem o tej samej mocy silnika.

Brak sprawdzenia napięcia i połączenia uzwojeń silnika

Drugim częstym błędem jest pomylenie napięć 230/400 V oraz 400/690 V. Szczególnie groźne jest założenie, że falownik zasilany jednofazowo 230 V automatycznie wytworzy na wyjściu 3 × 400 V.

Przed podłączeniem trzeba sprawdzić tabliczkę znamionową silnika, rzeczywiste napięcie wyjściowe falownika i wymagany sposób połączenia uzwojeń silnika.

Przypadkowe wpisywanie danych silnika

Wpisanie do falownika przypadkowych danych silnika może jeszcze jakoś zadziałać w prostym sterowaniu U/f, ale w sterowaniu wektorowym może powodować poważne problemy. Falownik tworzy matematyczny model silnika na podstawie danych, które otrzyma od użytkownika.

Jeżeli wpiszemy błędny prąd, napięcie, częstotliwość, prędkość lub inne parametry wymagane przez urządzenie, falownik będzie sterował silnikiem na podstawie fałszywego obrazu rzeczywistości.

Pominięcie autotuningu w sterowaniu wektorowym

Autotuning nie jest ozdobną funkcją w menu. Jeżeli falownik ma pracować wektorowo, procedura identyfikacji parametrów silnika może mieć duże znaczenie dla jakości regulacji.

Oczywiście trzeba ją wykonać zgodnie z instrukcją producenta. W niektórych przypadkach autotuning może wymagać odłączenia obciążenia albo zapewnienia bezpiecznych warunków obrotu silnika.

Zbyt krótki czas przyspieszania lub hamowania

Falownik pozwala ustawić czas rozpędzania i hamowania, ale nie oznacza to, że można dowolnie skrócić te czasy. Jeżeli ustawimy zbyt szybkie przyspieszanie, falownik może wejść w ograniczenie prądowe albo zgłosić przeciążenie.

Podobnie przy hamowaniu. Jeżeli maszyna ma dużą bezwładność, podczas hamowania silnik może pracować generatorowo i oddawać energię do obwodu pośredniego falownika. Jeżeli energia nie zostanie rozproszona w rezystorze hamowania albo zwrócona do sieci, napięcie w obwodzie pośrednim może nadmiernie wzrosnąć, powodując wyłączenie falownika i zgłoszenie błędu przepięcia.

Brak analizy chłodzenia silnika

Praca z małą prędkością i dużym momentem może powodować przegrzewanie silnika, szczególnie wtedy, gdy chłodzenie jest realizowane wentylatorem na wale silnika. Falownik może ograniczać prąd, ale nie zastąpi niezależnego chłodzenia ani prawidłowo dobranego silnika.

Ignorowanie kabli, ekranowania i EMC

Falownik jest urządzeniem energoelektronicznym. Szybkie przełączanie tranzystorów powoduje powstawanie zakłóceń elektromagnetycznych i wymaga prawidłowego prowadzenia kabli.

W praktyce trzeba zwrócić uwagę na:

• długość kabla między falownikiem i silnikiem,
• wymagania producenta dotyczące kabla ekranowanego,
• poprawne uziemienie ekranu,
• prowadzenie kabli mocy z dala od kabli sygnałowych,
• wymagania dotyczące filtrów wejściowych lub wyjściowych,
• zalecenia producenta falownika oraz maszyny.

Błędy w tym obszarze mogą powodować zakłócenia pracy czujników, komunikacji, sterowników PLC, zabezpieczeń lub innych urządzeń.

Co warto zapamiętać?

Falownik nie jest tylko urządzeniem do „zmiany obrotów”. Jest elementem układu napędowego, który przez cały czas pracy steruje energią dostarczaną do silnika.

Aby robić to poprawnie, musi być dobrany do konkretnego silnika i konkretnej maszyny. Trzeba znać napięcie, prąd, sposób połączenia uzwojeń, charakter obciążenia, zakres regulacji, warunki chłodzenia oraz wymagania procesu.

Najważniejsze wnioski z tej części są następujące:

• falownik silnikowy i falownik fotowoltaiczny mają inne zadania,
• przemiennik częstotliwości zawiera prostownik, obwód pośredni, stopień falownikowy i układ sterowania,
• falownik może zmieniać częstotliwość napięcia zasilającego silnik,
• zmiana częstotliwości pozwala zmieniać prędkość pola magnetycznego silnika,
• przy zmianie częstotliwości trzeba kontrolować również napięcie,
• sterowanie skalarne U/f jest proste i wystarczające w wielu aplikacjach,
• sterowanie wektorowe daje lepszą dynamikę, ale wymaga poprawnych danych silnika,
• falownik nie zapewnia pełnego momentu w każdych warunkach,
• praca przy małej prędkości może wymagać dodatkowego chłodzenia silnika,
• praca powyżej częstotliwości znamionowej wymaga analizy silnika i maszyny,
• falownika nie należy dobierać wyłącznie według mocy,
• typowy falownik jednofazowy 230 V zwykle nie daje na wyjściu 3 × 400 V,
• silniki jednofazowe wymagają osobnego podejścia i nie zawsze nadają się do pracy z falownikiem.

Podsumowanie

Jeżeli rozumiesz, jak działa falownik, łatwiej ocenisz, kiedy daje większą kontrolę nad pracą silnika niż softstart i kiedy wymaga dokładniejszego doboru do silnika, maszyny oraz warunków pracy.

Nie oznacza to jednak, że usuwa ograniczenia silnika i maszyny. Nadal obowiązują zasady związane z prądem znamionowym, chłodzeniem, izolacją, dopuszczalną prędkością, momentem obciążenia i warunkami pracy.

Dlatego poprawny dobór falownika zaczyna się nie od katalogu, ale od tabliczki znamionowej silnika i analizy aplikacji. W kolejnej części przejdziemy od teorii do praktyki i pokażę, jak podejść do podłączenia, konfiguracji oraz pierwszego uruchomienia przemiennika częstotliwości na przykładzie konkretnych rozwiązań dostępnych w ofercie F&F.

Poznajmy się, jestem Piotr Bibik

Jeżeli dotarłeś do tego miejsca, to prawdopodobnie nie szukasz prostego hasła: „kup falownik”. Szukasz odpowiedzi, jak dobrać, podłączyć i skonfigurować układ napędowy tak, aby działał poprawnie w konkretnej maszynie. I bardzo dobrze, bo właśnie tak trzeba podchodzić do elektrotechniki.

Od lat zajmuję się praktyczną stroną instalacji elektrycznych, automatyki, układów napędowych i doboru aparatury. W moich opracowaniach staram się tłumaczyć trudne zagadnienia tak, aby były zrozumiałe nie tylko dla projektanta czy automatyka, ale również dla instalatora, inwestora i osoby, która po prostu chce wiedzieć, dlaczego dane rozwiązanie ma sens.

Moja zasada jest prosta: instalacja ma być bezpieczna, nowoczesna i zrozumiała. Nie wystarczy powielić schemat z instrukcji, dobrać aparat „bo zawsze taki dawaliśmy” albo ustawić parametry na podstawie domysłów. W dobrze wykonanym układzie technika, praktyka i dokumentacja muszą iść razem.

Jeżeli potrzebujesz wsparcia przy doborze zabezpieczeń, analizie projektu, modernizacji instalacji, przygotowaniu materiałów technicznych albo szkoleniu z zakresu elektrotechniki i automatyki, mogę pomóc spojrzeć na problem praktycznie, ale bez pomijania zasad technicznych.

W czym mogę pomóc?

• w konsultacji doboru aparatury i zabezpieczeń,
• w analizie projektu instalacji elektrycznej lub układu sterowania,
• w przygotowaniu materiałów technicznych dla producentów,
• w opracowaniu artykułów, grafik, filmów i treści edukacyjnych,
• w szkoleniach dla instalatorów, projektantów, handlowców i działów technicznych,
• w uporządkowaniu komunikacji technicznej tak, aby była zrozumiała i wiarygodna.

Jeżeli chcesz uniknąć kosztownych błędów, źle dobranych aparatów, przypadkowych nastaw i rozwiązań działających tylko „na papierze”, zapraszam do kontaktu. Najlepsze układy elektryczne to te, które są nie tylko poprawnie podłączone, ale również dobrze przemyślane.