Podstawowa zasada: w jaki sposób niskonapięciowe falowniki regulują prędkość i moc silnika
A Niskonapięciowy napęd o zmiennej częstotliwości (VFD), często określany jako napęd o regulowanej prędkości (ASD), jest niezbędnym elementem do kontrolowania prędkości obrotowej silnika prądu przemiennego (AC) poprzez zarządzanie dostarczaną do niego energią elektryczną. Oznaczenie „niskiego napięcia” zwykle odnosi się do napędów VFD pracujących przy standardowych napięciach przemysłowych do 690 V. Podstawowa operacja opiera się na jednoczesnej zmianie częstotliwości i napięcia, utrzymując stały stosunek napięcia do częstotliwości (V/f), aby zapewnić stały strumień magnetyczny silnika i możliwość dostarczenia wymaganego momentu obrotowego.
Przetwornica częstotliwości wewnętrznie przekształca przychodzącą moc prądu przemiennego na prąd stały (DC) za pomocą sekcji prostownika, zwykle mostka diodowego. Ta moc prądu stałego jest następnie filtrowana przez zespół kondensatorów łącza prądu stałego, który wygładza moc. Wreszcie sekcja falownika, zwykle składająca się z tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT), przekształca prąd stały z powrotem w precyzyjny kształt fali prądu przemiennego o zmiennej częstotliwości i zmiennym napięciu przy użyciu techniki zwanej modulacją szerokości impulsu (PWM).
Praktyczne korzyści i natychmiastowe oszczędności wynikające z wdrożenia VFD
Praktyczne korzyści płynące z integracji napędów VFD z systemami przemysłowymi i komercyjnymi wykraczają poza proste sterowanie prędkością i mają bezpośredni wpływ na koszty operacyjne, żywotność sprzętu i jakość procesu. Zalety te zapewniają szybki zwrot inwestycji, szczególnie w zastosowaniach związanych z transportem płynów.
Znacząca redukcja energii dzięki prawom powinowactwa
W przypadku obciążeń odśrodkowych, takich jak pompy i wentylatory, pobór mocy silnika jest zgodny z sześcianem prędkości (prawo powinowactwa). Oznacza to, że niewielkie zmniejszenie prędkości powoduje ogromne zmniejszenie pobieranej mocy. Na przykład zmniejszenie prędkości o zaledwie 20% (praca z prędkością 80%) zmniejsza zużycie energii o prawie 50% (0,8^3 = 0,512 USD). Ta proporcjonalna zależność jest głównym czynnikiem wpływającym na ogromne oszczędności energii w instalacjach HVAC i uzdatniania wody.
Ulepszona kontrola procesu i ochrona sprzętu
Przetwornice częstotliwości zapewniają możliwość „miękkiego startu” poprzez powolne zwiększanie prędkości silnika od prędkości zerowej do prędkości roboczej. Eliminuje to ogromny prąd rozruchowy i wstrząsy mechaniczne związane z rozruchem „pośrednim”, podczas którego silnik natychmiast otrzymuje pełne napięcie. Łagodząc naprężenia elektryczne i zużycie mechaniczne komponentów, takich jak koła zębate, paski i sprzęgła, napęd VFD wydłuża okresy międzyobsługowe i ogólny okres eksploatacji napędzanego sprzętu. Ponadto precyzyjna kontrola prędkości pozwala na dokładną regulację przepływu, ciśnienia lub temperatury, poprawiając jakość produktu w procesach produkcyjnych.
Typowe profile zastosowań niskonapięciowych napędów VFD
Przetwornice częstotliwości niskiego napięcia są wszechstronne i stosowane w niemal każdym sektorze przemysłu. Ich zastosowanie jest zazwyczaj klasyfikowane według rodzaju obciążenia: zmienny moment obrotowy, stały moment obrotowy lub stała moc.
Poniższa tabela podsumowuje typowe zastosowania i ich charakterystykę:
| Typ aplikacji | Typowe obciążenia | Profil momentu obrotowego | Podstawowa korzyść |
| HVAC i pompowanie | Wentylatory odśrodkowe, dmuchawy, pompy | Zmienny moment obrotowy (moment obrotowy $\propto$ prędkość$^2$) | Maksymalne oszczędności energii (prawo powinowactwa) |
| Obsługa materiałów | Przenośniki, wytłaczarki, mieszalniki | Stały moment obrotowy (moment obrotowy jest stały) | Precyzyjna kontrola prędkości/pozycji |
| Narzędzia maszynowe | Tokarki, frezarki, wrzeciona | Stała moc (moment obrotowy odwrotnie $\propto$ prędkość) | Szeroki zakres prędkości do obróbki |
Praktyczne uwagi dotyczące wyboru i instalacji VFD
Właściwy wybór i instalacja są kluczowe dla osiągnięcia pełnych korzyści z VFD. Kluczowe kwestie obejmują warunki środowiskowe, kompatybilność silnika i łagodzenie potencjalnych problemów z jakością energii.
Rozmiary, obudowy i czynniki środowiskowe
Przetwornica częstotliwości musi być odpowiednio dobrana do znamionowego prądu pełnego obciążenia silnika (FLA) i często nieco przewymiarowana w przypadku zastosowań o wymagających cyklach pracy lub wysokich wymaganiach dotyczących momentu rozruchowego. Typ obudowy musi być odpowiedni dla środowiska, od NEMA 1 (ogólnego przeznaczenia, do zastosowań wewnętrznych) do NEMA 4X (odporna na korozję, na zewnątrz/zmywanie). Przetwornica częstotliwości generuje ciepło, dlatego dla niezawodnego działania niezbędny jest odpowiedni odstęp chłodzący i kontrola temperatury otoczenia.
Łagodzenie problemów związanych z jakością energii i harmonicznymi
Sekcja prostownika VFD pobiera prąd w postaci krótkich impulsów o wysokiej amplitudzie, które mogą wprowadzić zniekształcenia harmoniczne z powrotem do linii zasilającej. Może to mieć negatywny wpływ na inne wrażliwe urządzenia. Praktyczne strategie łagodzenia obejmują:
- Dodanie dławików sieciowych AC po stronie wejściowej w celu wygładzenia przychodzącego prądu i zmniejszenia zawartości harmonicznych.
- Instalowanie dławików łącza DC pomiędzy prostownikiem a baterią kondensatorów w celu zmniejszenia harmonicznych i poprawy stabilności szyny DC.
- Wykorzystanie aktywnych napędów VFD (AFE) lub prostowników 18-pulsowych do zastosowań, w których bardzo niskie całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD) mają kluczowe znaczenie, chociaż opcje te zwiększają początkowy koszt kapitału.
Dodatkowo szybkie przełączanie tranzystorów IGBT może generować skoki napięcia, które z czasem mogą uszkodzić uzwojenia silnika. W przypadku dłuższych przewodów silnika (zwykle ponad 50 stóp) zdecydowanie zaleca się instalację dławików obciążeniowych lub filtrów wyjściowych w celu ochrony izolacji silnika.
