Jak dobrać przemiennik częstotliwości do swojej aplikacji?

07.04.2021 How to / Sterowanie i akwizycja danych
Jak dobrać przemiennik częstotliwości do swojej aplikacji?
Wizerunek autora
Paulina Łapińska
Producent: UNITRONICS
  • Zakłady przemysłowe

Jeśli tu trafiłeś, to znaczy, że stoisz przed wyborem przemiennika częstotliwości (falownika) do swojej aplikacji. Przy tak ogromnej ilości urządzeń dostępnych na rynku automatyki przemysłowej oraz ich producentów, którzy prześcigają się w coraz to nowszych funkcjonalnościach można mieć nie lada problem. Dlatego z myślą o Tobie postanowiliśmy stworzyć krótki przewodnik, w którym zebraliśmy wiedzę na temat doboru przemiennika częstotliwości oraz informacje, na jakie warto zwrócić uwagę. Mamy nadzieję, że dzięki temu przez proces doboru przejdziesz szybko i bezboleśnie. 

Powrót do Akademii falowników Unitronics

A Ty co wiesz o wybranym silniku ? 

Wbrew pozorom to nie moc znamionowa silnika jest głównym parametrem podczas doboru przemiennika częstotliwości. Ona jedynie powinna pomóc w zawężeniu obszaru poszukiwań lub tylko wskazać lokalizację proponowanego modelu falownika. Najważniejszy tutaj jest znamionowy prąd silnika, czyli wartość prądu, którą silnik "weźmie" podczas pracy ze znamionową prędkością obrotową i znamionowym obciążeniem. 

To właśnie na to należy zwrócić uwagę, ponieważ silniki o tej samej mocy, ale o różniej liczbie biegunów mają z reguły inne wartości znamionowego prądu silnika.  

Silnik jednofazowy czy trójfazowy?

Kolejną rzeczą do sprawdzenia na tabliczce znamionowej silnika jest napięcie zasilania. Musimy sprawdzić, czy mamy do czynienia z silnikiem jednofazowym czy trójfazowym. W większości przypadków spotkamy się z silnikiem zasilanym trójfazowo napięciem 230 V lub 400 V. Możemy trafić też na takie z napięciem 3x500 V/600 V, które używane są w przemyśle ciężkim czy w górnictwie. Do małych silników (do mocy ok. 2,kW) dostępne są przemienniki częstotliwości zasilane jednofazowo 230 V, które na wyjściu dadzą napięcie międzyfazowe równe ok. 380 V (przy połączeniu w gwiazdę).   

Na koniec pozostaje rozpatrzenie sposobu uzwojeń silnika. Do mocy ok. kW najczęściej spotkamy się z „trójkątem” dla napięć 3x230 V. Typ uzwojeń w „gwiazdę” będzie wtedy dla napięć 3x400 V. Na tym etapie należy zdecydować, w jaki sposób chcemy połączyć uzwojenia i od tego uzależnić wybór napięcia zasilania przemiennika częstotliwości. 

Moment stały, a może moment zmienny?

Po rozpatrzeniu samego silnika należy również zwrócić uwagę na obciążenie, jakie zostanie z nim sprzęgnięte. To właśnie jego rodzaj pokaże nam jaka metoda sterowania będzie najlepsza, poznamy typ rozruchu układu oraz rozszyfrujemy charakter pracy instalacji (stało-momentowy lub zmienno-momentowy).  

Jak rozróżnić charakter pracy układu napędowego?

Moment, czyli siła wytwarzana na wale silnika, dzielona jest na zmienno- i stało-momentową. Pierwsza charakterystyka (zmiennomomentowa) wyróżnia się tym, że wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wzrasta siła na wale silnika. Do tej kategorii możemy zaliczyć wentylatory, dmuchawy czy pompy. Obciążenia stało-momentowe to takie, w których wartość momentu nie zmienia się w czasie. Silnik musi być w stanie wytworzyć znacznie większy moment niż ten, który go obciąża. Najlepiej to widać podczas rozruchu silników, na których została dołożona bardzo duża masa. W takim momencie, aby wprawić wał silnika w ruch potrzebujemy dużej wartości momentu rozruchowego. Ten typ obciążeń występuje w aplikacjach tj.: kruszarki, młyny, mieszalniki, długie przenośniki taśmowe, podnośniki czy nawijarki.  

Jaki rodzaj sterowania wybrać? Skalarne czy wektorowe? 

Znając typ obciążenia możemy przejść do wyboru metody sterowania. Jest ona mocno uzależniona od charakterystyki obciążenia, z jaką będzie mierzył się silnik. Sterowanie skalarne sprawdzi się w tych aplikacjach, gdzie nie jest wymagany wysoki moment startowy oraz dokładność sterowania prędkością obrotową. Sterowanie wektorowe charakteryzuje się tym, że przy bardzo niskiej prędkości obrotowej możliwe jest uzyskanie dużego momentu. 

Dlaczego już na etapie projektowania warto pomyśleć o wyborze metody sterowania?

Ponieważ na rynku są dostępne sterowniki dedykowane do sterowania skalarnego oraz wektorowego. Jeśli wybierzemy przemiennik częstotliwości posiadający tylko sterowanie skalarne, a po montażu okaże się, że napędzamy mieszalnik z gęstą cieczą to możemy mieć bardzo duży problem z rozruchem. Jeśli jednak nie jesteśmy pewni co do wyboru sposobu sterowania możemy wybrać falownik, który ma wbudowane różne metody i pozwala na ich zmianę. Do takich rozwiązań należą falowniki Unitronics, które możemy ustawić w dwa różne tryby bezczujnikowego sterowania wektorowego lub w tryb sterowania skalarnego.  Zobacz przemienniki częstotliwości Unitronics link.

Przykłady akcesoriów do przemiennika częstotliwości

Po takiej analizie aplikacji może się okazać, że układ będzie wymagał podłączenia akcesoriów, które będą wspomagać hamowanie układu, filtrów EMC, dławików sieciowych lub dławików silnikowych. Co więcej - możemy przekonać się o tym, że projektowany układ będzie wymagał kompletnie innego typu przemiennika częstotliwości z powodu generowania bardzo dużej energii przez silnik podczas hamowania.   

 

Czy potrzebujesz dodatkowych funkcji w swoim przemienniku częstotliwości? 

Kolejnym krokiem jest rozpatrzenie funkcjonalności falownika. Należy sprawdzić, ile ma on wejść/wyjść w obwodzie sterowniczym, ich rodzaj oraz jakie te wejścia/wyjścia posiadają funkcje. Jest to istotne w momencie gdybyśmy chcieli kontrolować przemiennik częstotliwości z poziomu sterownika PLC czy z zewnętrznych przycisków. Do trybu pracy automatycznej lub wykorzystania wbudowanego regulatora PID na pewno przyda się wejście analogowe, do którego będziemy mogli podłączyć np.: czujnik temperatury. Możliwości jest naprawdę wiele. Dla przykładu zajrzymy do tabeli opisującej wejścia i wyjścia falownika Unitronics.  

Z reguły najłatwiej i najprościej jest łączyć falownik ze sterownikiem za pomocą protokołu komunikacyjnego (np. Modbus RTU). Wtedy ilość wejść i wyjść w obwodzie przemiennika nie będzie miała żadnego znaczenia. Takie rozwiązanie sprawdzi się do momentu awarii sterownika PLC.  Mając podłączone funkcje serwisowe lub alarmowe do wejść/wyjść możemy przekonać się o problemie w momencie, gdy sterownik odmówni nam posłuszeństwa. PLC może nie być w stanie zgłosić takiego błędu, a o nim dowiemy się z falownika.  

Czy wymagane są funkcje bezpieczeństwa?

Za bezpieczeństwo w przemiennikach częstotliwości odpowiadają wyjścia STO, czyli bezpieczne zatrzymanie momentu. Musimy wiedzieć czy są one wymagane w procesie, który właśnie projektujemy, a następnie stworzymy.

W przemiennikach częstotliwości Unitronics są dostępne 2 prętle STO, które po przerwaniu sygnału natychmiast zatrzymają prace falownika oraz wychamują silnik w jak najkrótszym czasie. Wyjścia STO są zgodne z normami: IEC 61508-1, IEC 61508-2, IEC 61508-3, IEC 61508-4, IEC 62061, ISO 13849-1, IEC 61800-5-2.

Jakie sposoby komunikacji i parametryzacji są dostępne w przemiennikach częstotliwości?  

Przy wyborze również należałoby wybrać sposób w jaki będziemy “rozmawiać” z naszym przemiennikiem częstotliwości. W tym momencie na rynku mamy spory wybór protokołów komunikacyjnych: Modbus, Profibus, EtherCAT, CANopen, SNMP, EtherNet/IP. Sposobów na włączenie falownika do sieci mamy naprawdę sporo.  

Jak w praktyce wygląda parametryzacja i komunikacja z falownikiem?

Przemienniki częstotliwości Unitronics możemy skomunikować za pomocą portu RS-485, który obsługuje protokół komunikacyjny Modbus RTU. Takie połączenie jest najłatwiej i najszybciej połączyć. Za jego pomocą z poziomu sterownika PLC możemy kontrolować, monitorować oraz zmieniać parametry pracy silnika. 

W przypadku falowników Unitronics przy pomocy protokołu Modbus RTU możemy wgrać pełną konfigurację przemiennika częstotliwości. Omija nas czasochłonne manualne wprowadzanie parametrów do pamięci, przy których można się pomylić. Wykonywane jest to poprzez w pełni darmowy program UniLogic, który również służy do programowania sterowników PLC. Zapraszam do obejrzenia krótkiego filmu, w którym przedstawiamy jakie jest to proste, szybkie i przyjemne.  

PLC z Kamilem: Jak oszczędzić czas konfigurując falownik? 

Gdzie zamontować falownik? Jakie jest środowisko pracy przemiennika częstotliwości?  

Dodatkowym parametrem na jaki powinniśmy zwrócić uwagę jest stopień ochrony falownika. Stopień ochrony może być wymagany przez klienta zamawiającego aplikację, a może okazać się, że w miejscu pracy przemiennik będzie narażony na bardzo duże zapylenie lub wilgoć. Również trzeba sprawdzić temperaturę, w jakiej przyjdzie pracować falownikowi. Na przykład dla falowników Unitronics temperatura pracy wynosi od –10 do 50°C, a maksymalna wilgotność 90%.  

Miejsce montażu również narzuca zastosowanie filtrów EMC. Środowiska przemysłowe (klasa C3) posiadają mniejsze restrykcje, ponieważ nie są bezpośrednio podpięte pod ogólną sieć. Środowiska mieszkalne (klasa C2) w tym zakresie posiada większe wymagania i restrykcje. Taki filtr zmniejszy odkształcenia prądu oraz zakłócenia wracające do sieci energetycznej.   

Ile mam miejsca na montaż falownika?

Ostatnią rzeczą jaką trzeba sprawdzić to ilość miejsca przeznaczonego na montaż przemiennika. Warto się zastanowić nad gabarytami urządzenia, ponieważ może pojawić się problem w momencie, gdy będziemy chcieli zainstalować falownik w już istniejącej szafie sterowniczej, a tam po prostu nie będzie na niego miejsca. 

Kolejną kwestią jest sposób montażu danego falownika. Może on się różnić w zależności od modelu i producenta urządzenia. Są takie, które potrzebują dodatkowej przestrzeni, która będzie sprzyjać chłodzeniu się przemiennika częstotliwości. A może trafimy na taki, gdzie przestrzeń na chłodzenie nie będzie potrzebna i zamontujemy przemienniki częstotliwości jeden obok drugiego.

Sposób montażu jest dokładnie opisany w instrukcji użytkownika każdego przemiennika częstotliwości. Znajdą się tam zalecenia na temat zainstalowania falownika na szynie DIN, ścianie czy też w pionie/poziomie.    

Jeśli tworzona aplikacja będzie wymagała dodatkowych modułów hamowania, rezystorów filtrów EMC, dławików sieciowych lub silnikowych należy również uwzględnić miejsce na tego typu urządzenia.  

Dobór przemiennika częstotliwości - podsumowanie 

Jak widać dobór przemiennika częstotliwości do łatwych nie należy. Jesteśmy zmuszeni do dokładnego przeanalizowania nie tylko samego urządzenia, jego wejść/wyjść, sposobu zasilania czy mocy. Pojawiają się też kwestie związanie z silnikiem, jego obciążeniem i prądem znamionowym. Istotne jest również środowisko pracy, w którym zostanie zamontowany falownik.

Zapraszamy do zapoznania się z ofertą przemienników częstotliwości (falowników) Unitronics. 

Powrót do Akademii falowników Unitronics