Wyjaśnienie napędów prądu przemiennego: jak działają napędy VFD, korzyści, wybór i zastosowania

Jeśli modernizujesz panel sterowania silnika, przetwornica częstotliwości określa, ile energii zużywa silnik i jak precyzyjnie możesz nim sterować. W przypadku wielu modernizacji obciążeń wentylatorów i pomp zainstalowanie jednego zmniejsza zużycie energii o 20–40%. Jednak przetwornica częstotliwości zapewnia te oszczędności tylko wtedy, gdy jest dopasowana do silnika, obciążenia i środowiska instalacji. W tym przewodniku wyjaśniono, czym są przetwornice częstotliwości, jak je wybrać oraz szczegóły instalacji, które łatwo przeoczyć.

Co to jest przetwornica częstotliwości

Napęd prądu przemiennego to urządzenie elektroniczne sterujące prędkością i momentem obrotowym silnika prądu przemiennego poprzez zmianę częstotliwości i napięcia dostarczanego do niego. Nazywa się go również przemiennikiem częstotliwości lub VFD, a w niektórych branżach nazywany jest po prostu falownikiem.

Napęd otrzymuje stałe zasilanie prądem przemiennym z sieci lub systemu dystrybucji instalacji i przekształca je w kontrolowaną moc wyjściową. Główne elementy wewnątrz to prostownik, szyna DC, stopień falownika i płyta sterująca. Interfejs operatora umożliwia ustawienie parametrów prędkości, przyspieszenia i zabezpieczeń.

Jak działają napędy prądu przemiennego

Prędkość silnika indukcyjnego jest proporcjonalna do częstotliwości napięcia zasilającego. Prędkość synchroniczną oblicza się jako 120-krotność częstotliwości podzieloną przez liczbę biegunów. Gdy przemiennik częstotliwości zmniejsza częstotliwość wyjściową, silnik zwalnia.

Napięcie i częstotliwość muszą zmieniać się razem. Utrzymanie stałego stosunku napięcia do częstotliwości utrzymuje strumień magnetyczny w silniku. Przy niskich prędkościach przemiennik zwiększa napięcie, aby wytworzyć wystarczający moment rozruchowy.

Dwie główne platformy sterowania

Sterowanie U/f jest metodą otwartej pętli. Ustawia napięcie i częstotliwość zgodnie z ustaloną krzywą. Jest prosty, solidny i odpowiedni do większości zastosowań związanych z wentylatorami, pompami i sprężarkami. Sterowanie wektorowe wykorzystuje algorytm w pętli zamkniętej, często z enkoderem, do regulacji momentu obrotowego i prędkości ze znacznie większą dokładnością. Stosuje się go w dźwigach, windach, wytłaczarkach i obrabiarkach, gdzie obciążenie zmienia się szybko.

Dlaczego warto używać przetwornic częstotliwości

Najsilniejszy powód, aby użyć Napęd prądu przemiennego to oszczędność energii przy obciążeniach o zmiennej prędkości. Wentylatory i pompy odśrodkowe podlegają prawom powinowactwa: moc zmienia się wraz z sześcianem prędkości. Zmniejszenie prędkości ze 100 procent do 80 procent powoduje zmianę mocy pobieranej na około 51 procent pierwotnej wartości. Wentylator o mocy 90 kW pracujący z prędkością 70 procent pobiera około jednej trzeciej mocy potrzebnej przy pełnej prędkości, a w porównaniu ze sterowaniem przepustnicą oszczędności zazwyczaj mieszczą się w zakresie 40–60 procent.

Oprócz oszczędności napęd poprawia również spójność procesu. Miksery, wytłaczarki i maszyny tekstylne opierają się na stałej prędkości, aby utrzymać powtarzalną jakość produktu. Podczas wytłaczania niewielka zmiana prędkości powoduje różnicę w grubości linii, która kończy się odpadem. Funkcja kontrolowanego przyspieszania zmniejsza naprężenia mechaniczne pasów, przekładni i sprzęgieł, co obniża koszty konserwacji i zwiększa żywotność sprzętu.

Rozruch bezpośredni pobiera od 6 do 8 razy większy prąd znamionowy silnika. Napęd ogranicza prąd rozruchowy do zaledwie 1,5 do 2-krotności prądu znamionowego, redukując zapady napięcia w linii produkcyjnej i wstrząsy mechaniczne przekładni, pasów i wałów.

Rodzaje i zastosowania

Napędy prądu przemiennego są zwykle grupowane według napięcia wyjściowego. Napędy niskonapięciowe obejmują zakres 200-690 V i są stosowane do silników o mocy od kilkuset watów do około 500 kW. Napędy średniego napięcia pokrywają zakres 2,3-11 kV i obsługują silniki dużej mocy w zakresie megawatów.

Typowe zastosowania przemysłowe obejmują:

• Pompy i wentylatory odśrodkowe w systemach uzdatniania wody, HVAC i kotłach
• Sprężarki powietrza w instalacjach o dużych wahaniach ciśnienia
• Mieszalniki, wirówki i mieszadła w przemyśle chemicznym i spożywczym
• Windy, suwnice bramowe i wciągniki wymagające płynnych zmian prędkości
• Obrabiarki CNC, tokarki pionowe i wycinarki rotacyjne
• Wytłaczarki i rafinerie w przemyśle gumowym i tworzyw sztucznych

Raynen Technology publikuje również rozwiązania aplikacyjne dla konkretnych maszyn, takie jak energooszczędne modernizacje sprężarek powietrza, systemy wentylatorów kotłów, dmuchawy napowietrzające do oczyszczania ścieków, źródła wody pod stałym ciśnieniem i wytłaczarki ślimakowe. Tę samą platformę napędową można skonfigurować tak, aby pasowała do tych konstrukcji mechanicznych.

Jak wybrać przetwornicę częstotliwości

Zacznij od tabliczki znamionowej silnika, a nie od katalogu. Wartość znamionowa napędu powinna opierać się na prądzie silnika, a nie na mocy silnika. W przypadku obciążeń o zmiennym momencie obrotowym, takich jak wentylatory i pompy, napęd może często mieć tę samą wielkość co silnik. W przypadku obciążeń o stałym momencie obrotowym należy pozostawić margines o jeden lub dwa rozmiary napędu powyżej wartości znamionowych silnika.

Pierwszą rzeczą, którą należy zidentyfikować, jest charakterystyka momentu obciążenia. Obciążenia o zmiennym momencie obrotowym charakteryzują się momentem, który rośnie wraz z kwadratem prędkości. Obciążenia o stałym momencie obrotowym zapewniają ten sam moment obrotowy w całym zakresie prędkości, a obciążenia o stałej mocy zmniejszają moment obrotowy wraz ze wzrostem prędkości.

Inne czynniki obejmują temperaturę otoczenia, wysokość nad poziomem morza i rodzaj obudowy. Większość dysków ma wartości znamionowe powyżej 40 stopni Celsjusza i powyżej 1000 m n.p.m. Jeśli kabel silnika jest dłuższy niż 50 m, zapytaj o dławik wyjściowy chroniący uzwojenie silnika przed odbitymi skokami napięcia.

Jeśli napęd wymaga monitorowania za pomocą sterownika PLC lub SCADA, sprawdź, jaki interfejs komunikacyjny jest dostępny. Zakurzone, wilgotne lub agresywne chemicznie środowiska wymagają wyższego stopnia ochrony przed wnikaniem lub odpowiedniej obudowy.

Uwagi dotyczące instalacji i zakupu

Zniekształcenia harmoniczne są częstym problemem, gdy kilka napędów zasilanych jest z tego samego transformatora. Dodanie dławika liniowego lub dławika prądu stałego zmniejsza zniekształcenia prądu i jest zwykle tanim sposobem na spełnienie lokalnych wymagań dotyczących jakości energii.

Hamowanie: jeśli ładunek może wyprzedzić silnik, np. dźwig opuszczający ładunek lub zatrzymujący się przenośnik z dużym ciężarem, potrzebny jest albo rezystor hamowania dynamicznego, albo moduł regeneracyjny.

Nigdy nie zapomnij o dokumentacji i wsparciu posprzedażnym. Poproś o instrukcję obsługi, rysunki elektryczne i oprogramowanie konfiguracyjne w języku, którego używają Twoi technicy. Raynen Technology publikuje te materiały w swoim centrum pobierania . Jeśli dostawca napędu nie zapewni tych elementów z góry, ryzykujesz dłuższym czasem uruchomienia i wyższymi kosztami napraw w późniejszym czasie. Dla konkretnego silnika i obciążenia, wsparcie techniczne strona jest właściwym miejscem, aby potwierdzić rozmiar dysku i kompatybilność przed złożeniem zamówienia.

Napędy Raynen do przemysłowych zastosowań prądu przemiennego

Raynen Technology, marka automatyki przemysłowej stojąca za raynendrive.com, projektuje i produkuje przetwornice częstotliwości, a także softstarty, systemy serwo, sterowniki PLC i interfejsy człowiek-maszyna. Firma powstała w 2007 roku i jest notowana na Giełdzie Papierów Wartościowych w Szanghaju. Portfolio produktów ma obejmować warstwy sterujące, napędowe i wykonawcze kompletnej maszyny.

Do standardowych zastosowań w wentylatorach, pompach i tekstyliach niskonapięciowych przetwornica częstotliwości RVE21 Smart stanowi kompaktowe, łatwe w użyciu rozwiązanie z prostym ustawianiem parametrów. Gdy proces wymaga precyzyjnej kontroli prędkości i momentu obrotowego, napęd wektorowy RVE32 zapewnia wydajność w pętli zamkniętej dla dźwigów, wind, mieszadeł i obrabiarek. W przypadku silników dużej mocy stosowanych w wodociągach i przemyśle petrochemicznym seria RVE1000 obsługuje zasilanie średniego napięcia do 11 kV.

W katalogu firmy znajdują się także softstarty niskiego i średniego napięcia, sterowniki PLC, interfejsy HMI, serwomotory i serwonapędy. Szerokość ta ma znaczenie z dwóch powodów. Po pierwsze, możesz uzyskać spójne wsparcie inżynieryjne od jednego dostawcy. Po drugie, napęd można zintegrować z kompletnym systemem sterowania obejmującym sterownik PLC i interfejs HMI, co przyspiesza uruchomienie.

RVE21 Inteligentny niskonapięciowy napęd prądu przemiennego do silników o mocy 55–200 kW Seria RVE21 oferuje szeroki zakres napięć i przeciążalność do 200%, ze zdejmowaną osłoną do montażu obok siebie. Jego niezależna konstrukcja dróg oddechowych zapewnia niezawodne chłodzenie, co czyni go opłacalnym wyborem do integracji z systemami PLC i HMI. Zobacz produkt →

Przetwornica częstotliwości RVE32 Vector do zastosowań wymagających dużej mocy do 800 kW Seria RVE32 charakteryzuje się bezczujnikowym sterowaniem wektorowym i automatyczną adaptacją parametrów pętli, nie wymagającą debugowania. Dostępny w obudowie z tworzywa sztucznego lub żelaza w standardzie Modbus, zaspokaja zapotrzebowanie na dużą moc od 250 do 800 kW z dwuliniowym wyświetlaczem. Zobacz produkt →

Napęd prądu przemiennego średniego napięcia RVE1000 do bezpośredniego sterowania silnikiem wysokiego napięcia Seria RVE1000 wykorzystuje wielostopniowe kaskadowanie mostków H do superpozycji napięcia i sterowania ARM/DSP, umożliwiając bezpośredni napęd silników wysokiego napięcia bez filtrów. Zaprojektowany do sterowania przenośnikiem taśmowym typu master-slave, obsługuje przemysł chemiczny, dźwigowy, sprężarkowy i stalowy. Zobacz produkt →

Właściwy przetwornica częstotliwości oszczędza energię, poprawia stabilność procesu oraz chroni silnik i urządzenia znajdujące się za nim. Wybierz go z tabliczki znamionowej silnika, potwierdź typ obciążenia i sprawdź wymagania dotyczące środowiska i komunikacji. Jeśli masz konkretne zastosowanie, przed złożeniem zamówienia skorzystaj z pomocy technicznej firmy Raynen, aby potwierdzić rozmiar i kompletną dokumentację.