Jak dobrać falownik do aplikacji przemysłowej?

Równie istotne jest także zapewnienie bezpieczeństwa użytkowania takiego układu napędowego oraz minimalizacja jego oddziaływania na pracę innych maszyn i urządzeń.

W artykule omówię czynniki istotne przy doborze przemienników częstotliwości (potocznie nazywanych falownikami), posiłkując się przykładami urządzeń z oferty Astraada DRV.

Po pierwsze: zgromadź podstawowe informacje

Przed wyborem przemiennika częstotliwości należy w pierwszej kolejności zwrócić szczególną uwagę na silnik napędzający układ. Podstawowe dane techniczne silnika można odczytać z tabliczki znamionowej – najważniejsze do właściwego doboru to:

• napięcie zasilające,
• moc silnika,
• prąd silnika,
• typ połączeń (gwiazda-trójkąt),
• obroty silnika.

Przemienniki częstotliwości dostępne na rynku, „skatalogowane” są według ich mocy wyjściowej. Znając moc silnika, można łatwo dokonać wstępnego doboru, jednak istotniejszym parametrem z punktu widzenia właściwego dopasowania falownika jest weryfikacja prądu silnika.

Niektóre falowniki mogą pracować w aplikacjach wielosilnikowych. Ważne jest, żeby w takich aplikacjach dobrać falownik o prądzie wyjściowym co najmniej równym łącznemu prądowi podłączonych silników. W takich aplikacjach wykorzystywane jest sterowanie skalarne, a zastosowane silniki powinny być identyczne pod względem prądu, jak i prędkości obrotowej.

W aplikacjach wykorzystujących małe silniki – o mocy do 2.2 kW – mamy możliwość zastosowania falowników zasilanych napięciem jednofazowym 230 V z wyjściem trójfazowym 230 V. W przemyśle częściej wykorzystywanym standardem zasilania jest napięcie trójfazowe 400V, stąd też dla tego standardu dostępne są urządzenia już od 0.75 kW aż do mocy przekraczających 500 kW.

Przykładowo dla silnika zasilanego napięciem trójfazowym 230 V o prądzie znamionowym 4 A możemy zastosować falownik o mocy 0.7 kW z rodziny Astraada DRV-21 lub z bardziej zaawansowanej, nowej serii DRV-24.

Po drugie: określ rodzaj obciążenia

Znając prąd silnika i sposób zasilania falownika, w kolejnym kroku należy zwrócić uwagę na mechanikę systemu napędowego, pod kątem obciążenia, z jakim zostanie sprzęgnięty silnik. To od rodzaju obciążenia uzależniony będzie dobór falownika pod kątem metody sterowania, typu rozruchu, pracy stało – lub zmienno-momentowej.

Przy stosowaniu falownika do napędów „lekkich” – takich jak pompy, wentylatory, sprężarki, przenośniki – wystarczające są zazwyczaj falowniki ze sterowaniem skalarnym (U/f).

Wśród funkcji przydatnych w aplikacjach wentylatorowo-pompowych, warto wymienić: regulator PID, możliwość załączania w funkcji lotnego startu czy wybór właściwej charakterystyki obciążenia. Dodatkowo niektóre serie falowników dostępnych na rynku (np. Astraada DRV-26) oferują dedykowane funkcje: uśpienia, oszczędzania i monitorowania zużywanej energii czy sterowania wielosilnikowego w trybie kaskadowym (załączanie/wyłączanie kilku silników w zależności od aktualnego stanu procesu technologicznego).

Przykładowo falownik DRV-26 pracujący w trybie kaskadowym steruje prędkością obrotową jednego silnika i w zależności od aktualnego stanu procesu technologicznego (np. przepływu, ciśnienia) ma możliwość, za pomocą wyjść przekaźnikowych, załączać/wyłączać bezpośrednio 2 dodatkowe silniki w taki sposób, aby utrzymywać regulowaną wartość na zadanym poziomie.

Z kolei w funkcji uśpienia falownik rozpoznaje stan układu, w którym pobór przesyłanego medium jest bardzo niski, zatrzymuje silnik i załącza go ponownie dopiero, gdy regulator PID utrzymujący poziom, wyliczy sygnał sterujący wyższy od minimalnej częstotliwości ustalonej dla silnika (pompy).

Dzięki powyższym funkcjom można zrealizować układ regulacji bez ryzyka uszkodzenia silnika, oszczędzając czas, miejsce i energię, zwiększając przy tym jednocześnie bezpieczeństwo i stabilność pracy systemu.

Do aplikacji napędowych wymagających wysokiego momentu rozruchowego i dużej przeciążalności – takich jak napędy maszyn, obrotnice, wirówki, nawijarki – najlepiej sprawdzają się falowniki z bezczujnikowym sterowaniem wektorowym. Posiadają one możliwość automatycznego pomiaru parametrów silnika i, na jego bazie, optymalnego dopasowania parametrów przemiennika do podłączonego układu napędowego. Ten sposób sterowania umożliwia szybką reakcję na zmianę obciążenia i momentu oraz płynne sterowanie przy niskich obrotach.

Obecnie dzięki rozbudowie rodziny Astraada o serię DRV-24, bezczujnikowe sterowanie wektorowe (SVC) dostępne jest również w falownikach małej mocy zasilanych jednofazowo.

Do najbardziej zaawansowanych aplikacji wymagających wysokiej precyzji w kontroli prędkości i momentu przy zmiennych warunkach obciążenia, zalecane jest stosowanie falowników, przystosowanych do podpięcia sygnału z enkodera, a co za tym idzie – sterowania dynamicznym wektorem strumienia pola.

Te najbardziej zaawansowane przemienniki częstotliwości najczęściej przystosowane są do sterowania silnikami wysokoobrotowymi, serwosilnikami AC, silnikami synchronicznymi i asynchronicznymi. Często posiadają wbudowane funkcje dedykowane do sterowania pracą elektrowrzeciona, wykorzystywanego w obrabiarkach sterowanych numerycznie czy centrach obróbczych CNC.

Dzięki specjalnie opracowanemu algorytmowi sterowania wektorowego, w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego zapewniają: szybkie czasy przyspieszania i hamowania, wysoki moment rozruchowy, krótkie czasy odpowiedzi na zmiany momentu, stabilny prąd rozruchu, niski poziom hałasu silnika i precyzję w stabilizacji prędkości. Rozwiązania te posiadają wiele zalet, ale jednocześnie są też wyraźnie droższe, ze względu na koszty zakupu tak zaawansowanego falownika czy silnika z enkoderem, jak i wymagającą większego nakładu pracy przy integracji układu, przez co znajdują zastosowanie w aplikacjach rzeczywiście tego wymagających.

Po trzecie: dopasuj wejścia/wyjścia

Przemienniki częstotliwości wyposażone są w wejścia/wyjścia dyskretne i analogowe. W przypadku niewielkich czy lokalnych układów napędowych istotna może być odpowiednio duża ilość wejść/wyjść, wykorzystywanych do uruchamiania i wyłączania napędu, monitorowania, zadawania częstotliwości wyjściowej – w tym również w trybie pracy automatycznej czy wielobiegowej. Wejścia dyskretne mogą być także wykorzystane do zliczania impulsów, definiowania sposobu zatrzymania czy przekazywania sygnału błędu z urządzenia zewnętrznego. Konfigurowalne wyjścia dają możliwość monitorowania statusu pracy napędu i informowania w przypadku wystąpienia błędu czy awarii.

Warto również zwrócić uwagę na logikę wykorzystywaną do załączania wejść dyskretnych w falowniku. Jeśli zadawanie sygnałów wejściowych odbywać się będzie manualnie za pomocą przełączników dwustanowych, wystarczające będą wejścia z logiką ujemną, natomiast przy dołączeniu do wyjść sterownika PLC korzystniejsza będzie logika dodatnia.

Przykładowe zestawienie podstawowych parametrów oraz obsługiwanych sygnałów wejść/wyjść w poszczególnych seriach Astraada DRV przedstawione zostało w tabeli.

Po czwarte: określ sposób komunikacji z systemem sterowania

W przypadku rozproszonych układów sterowania istotne są możliwości komunikacyjne falownika pozwalające na połączenie układu napędowego z urządzeniem nadrzędnym (sterownikiem PLC, panelem HMI czy oprogramowaniem SCADA). Komunikacja taka umożliwia sterowanie silnikiem, diagnostykę układu oraz bieżące monitorowanie i korektę parametrów pracy przemiennika częstotliwości.

W mojej ocenie, wciąż najbardziej powszechnym, standardem łączenia pozostaje komunikacja szeregowa po wbudowanym w wielu falownikach porcie RS-485, obsługującym protokół Modbus RTU. Niemniej jednak z roku na rok widać coraz większe zainteresowanie opcjami komunikacyjnymi – dostępnymi zazwyczaj w postaci kart rozszerzeń – umożliwiającymi pracę w sieci Ethernet po protokole Modbus TCP, Profinet, EtherCAT czy EtherNet IP. Sieci te coraz częściej zastępują stosowaną dotychczas komunikację w sieci Profibus DP lub CANopen.

Po piąte: sprawdź, ile masz miejsca

Kolejnym ważnym elementem jest weryfikacja dostępnego miejsca w szafie sterowniczej przewidzianego na montaż falownika i dodatkowych akcesoriów.

Powierzchnia hali jest cenną przestrzenią, w związku z czym producenci maszyn – dopasowując się do potrzeb swoich Klientów – ograniczają do minimum gabaryty maszyny, a co za tym idzie również wielkość szaf sterowniczych. Przy doborze falownika, oprócz jego gabarytów warto zweryfikować, czy posiada wbudowane niezbędne w danej aplikacji elementy (np. moduł hamujący), a także jakie odległości należy zachować od innych elementów w szafie.

Przykładowo, gabarytowo przemiennik częstotliwości serii DRV-24 o mocy 2.2 kW zajmuje o 11% mniejszą powierzchnię od swojego odpowiednika z serii DRV-21.

Za sprawą dostępnego w serii DRV-24 montażu „książkowego” różnica zrobi się jeszcze większa, bo aż 30% – jeśli weźmiemy pod uwagę całkowitą powierzchnię niezbędną do montażu dwóch falowników w szafie.

Przy okazji rozważania kwestii montażowych warto zwrócić uwagę na sposób chłodzenia falownika. Zazwyczaj urządzenia wyposażone są w układ chłodzenia wymuszonego, pracujący w odseparowanym od wnętrza przemiennika kanale wentylacyjnym. Niektórzy producenci dzięki odpowiedniej konstrukcji umożliwiają wypuszczenie takiego kanału chłodzenia poza szafę sterowniczą, a więc tym samym mamy możliwość bezpośredniego ograniczenia wpływu generowanej przez falownik temperatury na inne elementy w szafie.

Takie rozwiązanie zapewnia utrzymanie właściwej temperatury modułów elektronicznych oraz ogranicza wpływ zanieczyszczeń, a co za tym idzie, wydłuża żywotność urządzenia.

Po szóste: dobierz niezbędne akcesoria

Przy doborze przemiennika częstotliwości nie sposób nie wspomnieć o istotnych elementach komplementarnych takich jak, filtry, dławiki, moduły i rezystory hamujące. Ze względu na specyfikę impulsowego działania przemienniki częstotliwości mogą generować zwrotnie zakłócenia po stronie zasilania oraz wpływać na pracę innych urządzeń w szafie sterowniczej.

Stosowanie odpowiednich filtrów wejściowych – wbudowanych w falownik lub zewnętrznych – chroni sieć zasilającą, i zapewnia harmonijne zasilanie pozostałym, pracującym urządzeniom elektrycznym. Stosowanie filtrów wejściowych w układach napędowych jest niezbędne do spełnienia właściwych norm EMC.

Z kolei filtry wyjściowe stosowane pomiędzy przemiennikiem a silnikiem, redukują prądy upływu i zakłócenia elektromagnetyczne. Z uwagi na komutację w falowniku, przewody oraz sam silnik narażone są na krótkotrwałe przepięcia. Stosowanie filtrów wyjściowych ogranicza te przepięcia i wydłuża żywotność przewodów.

W przypadku potrzeby zastosowania dłuższych przewodów (30 …100 m w zależności od częstotliwości kluczowania) łączących falownik z silnikiem zalecane jest stosowanie dodatkowo dławików wyjściowych du/dt. Ich zadaniem jest ograniczenie stromości narastania napięcia, dzięki czemu zwiększają żywotność silników chroniąc ich izolację przed uszkodzeniem, obniżając temperaturę pracy oraz zmniejszając poziom hałasu silnika.

Przy doborze falownika warto zwrócić uwagę na charakterystykę i częstotliwość hamowania. W aplikacjach, w których często wykorzystywane jest hamowanie dynamiczne, umożliwiające szybkie zatrzymywanie urządzeń o dużym momencie bezwładności lub płynne opuszczanie obiektów o znacznej masie, silnik przechodzi do pracy prądnicowej generując zwrotnie niekoniecznie pożądaną energię elektryczną.

Producenci przemienników częstotliwości wyposażają urządzenia we wbudowany moduł hamowania dynamicznego lub oferują opcjonalne zewnętrzne moduły (przykładowo falowniki Astraada DRV posiadają wbudowane moduły do mocy 30 kW i zewnętrzne dla większych mocy).

W przypadku potrzeby korzystania z hamowania dynamicznego, do modułu dołączony musi być zewnętrzny rezystor rozpraszający energię (ciepło) wytwarzaną przez silnik. Dobór parametrów rezystora tj. moc i rezystancję należy wykonać w oparciu o dokumentację producenta, uwzględniając procentowy udział czasu hamowania w całościowym czasie pracy układu.

Drugą metodą na zagospodarowanie energii elektrycznej generowanej przez silnik jest podłączenie opcjonalnego modułu odzyskiwania energii i jej zwrot do sieci zasilającej, jednak ze względu na specyfikę tego rozwiązania często jest ono trudne do realizacji lub nieopłacalne, a co za tym idzie – sporadycznie stosowane.

Po siódme: zadbaj o bezpieczeństwo układu

Zgodnie z wymaganiami Europejskiej Dyrektywy Maszynowej wszędzie tam, gdzie może dochodzić do wypadków, narażone jest ludzkie zdrowie i życie oraz tam, gdzie awarie mogą doprowadzić do uszkodzenia instalacji technologicznych, należy stosować napędy wyposażone w odpowiednie funkcje bezpieczeństwa.

Część falowników dostępnych na rynku podążając za tymi wymaganiami, zostało wyposażonych we wbudowane wejście bezpieczeństwa STO (Safe Torque Off), umożliwiające uruchomienie procedury bezpiecznego stopu urządzenia. Zastosowanie wejścia STO ogranicza konieczność stosowania dodatkowych elementów sterujących, a tym samym upraszcza budowę układu napędowego i zmniejsza jego koszty.

Wejście STO w falownikach powinno być zgodne z odpowiednimi normami – przykładowo seria Astraada DRV-24 spełnia wymagania: IEC 61508-1, IEC 61508-2, IEC 61508-3, IEC 61508-4, IEC 62061, ISO 13849-1, IEC 61800-5-2.