W różnych sytuacjach może być konieczne przekształcenie częstotliwości prądu źródła na napięcie o regulowanej częstotliwości. Jest to wymagane na przykład podczas uruchamiania silników asynchronicznych w celu zmiany ich prędkości. W tym artykule zostanie opisany cel i zasada działania przemiennika częstotliwości.
Spis treści
Co to jest przemiennik częstotliwości?
Przemiennik częstotliwości (FC) jest urządzeniem elektrycznym, które przekształca i płynnie reguluje jednofazowy lub trójfazowy prąd zmienny o częstotliwości 50 Hz na podobny prąd o częstotliwości od 1 do 800 Hz. Urządzenia te są szeroko stosowane do sterowania pracą różnych maszyn elektrycznych typu asynchronicznego, np. do zmiany ich prędkości. Istnieją również aparaty do stosowania w przemysłowych sieciach wysokiego napięcia.
Proste przekształtniki regulują częstotliwość i napięcie zgodnie z charakterystyką U/f, złożone urządzenia wykorzystują sterowanie wektorowe.
Przemiennik częstotliwości jest urządzeniem złożonym technicznie i składa się nie tylko z przemiennika częstotliwości, ale posiada również zabezpieczenia nadprądowe, nadnapięciowe i zwarciowe. Urządzenia takie mogą być również wyposażone w dławik poprawiający kształt fali oraz filtry redukujące różne zakłócenia elektromagnetyczne. Rozróżnia się przekształtniki elektroniczne i urządzenia elektromechaniczne.
Zasada działania przemiennika częstotliwości
Elektroniczny przemiennik częstotliwości składa się z kilku podstawowych elementów: prostownika, filtra, mikroprocesora i falownika.
Prostownik ma wiązkę diod lub tyrystorów, które prostują prąd początkowy na wejściu do przekształtnika. Falowniki diodowe charakteryzują się całkowitym brakiem tętnień i są niedrogimi, ale niezawodnymi urządzeniami. Falowniki oparte na tyrystorach umożliwiają przepływ prądu w obu kierunkach i pozwalają na oddawanie energii elektrycznej do sieci podczas hamowania silnika.
Filtr jest stosowany w urządzeniach tyrystorowych w celu zmniejszenia lub wyeliminowania tętnień napięcia. Wygładzanie jest realizowane za pomocą filtrów pojemnościowych lub indukcyjno-pojemnościowych.
Mikroprocesor - jest jednostką sterującą i analizującą falownika. Odbiera on i ocenia sygnały z czujników, co umożliwia regulację sygnału wyjściowego z falownika przez zintegrowany regulator PID. Element ten również rejestruje i przechowuje dane o zdarzeniach, rejestruje i chroni urządzenie przed przeciążeniem, zwarciem, analizuje warunki pracy i wyłącza je w razie awarii.
Inwerter Sterowanie napięciem i prądem jest stosowane do sterowania maszynami elektrycznymi, tzn. do ciągłej regulacji częstotliwości prądu. Urządzenie takie wytwarza "czysty sinus" na wyjściu, co pozwala na jego zastosowanie w wielu aplikacjach przemysłowych.
Zasada działania elektronicznego przemiennika częstotliwości (falownika) jest następująca:
- Wejściowy sinusoidalny prąd przemienny jednofazowy lub trójfazowy jest prostowany za pomocą mostka diodowego lub tyrystorów;
- Specjalne filtry (kondensatory) filtrują sygnał w celu zmniejszenia lub wyeliminowania tętnień napięcia;
- Napięcie jest przekształcane w falę trójfazową o określonych parametrach za pomocą mikroukładu i mostka tranzystorowego;
- Na wyjściu falownika impulsy prostokątne są przekształcane w napięcie sinusoidalne o określonych parametrach.
Rodzaje przemienników częstotliwości
Istnieje kilka typów przemienników częstotliwości, które są obecnie najbardziej rozpowszechnione w produkcji i zastosowaniu:
Przekształtniki elektromaszynowe (elektroindukcyjne): są stosowane, gdy użycie elektronicznych przemienników częstotliwości nie jest możliwe lub wykonalne. Są to silniki asynchroniczne z uzwojonymi w fazie wirnikami pracujące w trybie generator-konwerter.
Urządzenia te są skalarnymi konwerterami sterowania. Wyjście z tego urządzenia generuje napięcie o określonej amplitudzie i częstotliwości w celu utrzymania określonego strumienia magnetycznego w uzwojeniach stojana. Są one stosowane w aplikacjach, w których nie jest konieczne utrzymywanie prędkości obrotowej wirnika w zależności od obciążenia (pompy, wentylatory i inne urządzenia).
konwertery elektroniczne: szeroko stosowane we wszystkich warunkach pracy w różnych urządzeniach. Urządzenia te są oparte na wektorach, automatycznie obliczają interakcję pól magnetycznych stojana i wirnika oraz zapewniają stałą prędkość wirnika niezależnie od obciążenia.
- Cykloinwertery;
- Cykloinwertery;
- Falowniki prądu stałego:
- Przemiennik częstotliwości ze źródłem prądowym;
- Przemiennik częstotliwości źródła napięcia (z modulacją amplitudy lub szerokości impulsu).
Urządzenia te mogą mieć różne zastosowania:
- Dla urządzeń o mocy do 315 kW;
- przekształtniki wektorowe dla mocy do 500 kW;
- urządzenia przeciwwybuchowe do stosowania w środowiskach zagrożonych wybuchem i zapyleniem;
- przemienniki częstotliwości montowane na silnikach elektrycznych;
Każdy typ przemiennika częstotliwości ma pewne zalety i wady oraz jest odpowiedni dla różnych urządzeń i obciążeń, a także warunków pracy.
Przetwornica częstotliwości może być sterowana ręcznie lub zewnętrznie. Sterowanie ręczne odbywa się z panelu sterowania przetwornicy częstotliwości, który można wykorzystać do regulacji prędkości lub zatrzymania pracy. Sterowanie zewnętrzne odbywa się za pomocą systemów sterowania automatycznego (ACS), które mogą monitorować wszystkie parametry urządzenia i umożliwiają przełączanie obwodu lub trybu pracy (za pomocą przemiennika częstotliwości lub obejścia). Sterowanie zewnętrzne umożliwia również zaprogramowanie falownika pod kątem warunków pracy, obciążenia i czasu, dzięki czemu falownik może pracować w trybie automatycznym.
Do czego silnik elektryczny może potrzebować przemiennika częstotliwości
Zastosowanie przemienników częstotliwości zmniejsza koszty energii, koszty amortyzacji silników i sprzętu. Można je stosować w tanich silnikach klatkowych, co obniża koszty produkcji.
Wiele silników elektrycznych jest narażonych na częste zmiany warunków pracy (częste uruchamianie i zatrzymywanie, zmienne obciążenia). Przemienniki częstotliwości umożliwiają płynny rozruch silnika i zmniejszają maksymalny moment rozruchowy oraz nagrzewanie się urządzeń. Jest to ważne na przykład w maszynach dźwigowych i zmniejsza negatywne skutki nagłych startów i szarpanych zatrzymań.
Za pomocą przemienników częstotliwości można płynnie sterować pracą dmuchaw, pomp i umożliwia automatyzację procesów technologicznych (stosowanych w kotłach, kopalniach, przy wydobyciu ropy naftowej i w rafineriach, w wodociągach i innych zakładach).
Zastosowanie przemienników częstotliwości w przenośnikach, transporterach, podnośnikach może wydłużyć okres eksploatacji ich elementów, ponieważ redukuje szarpnięcia, wstrząsy i inne negatywne czynniki występujące podczas uruchamiania i zatrzymywania urządzeń. Mogą one płynnie zwiększać i zmniejszać prędkość obrotową silnika oraz wykonywać ruch wsteczny, co jest ważne dla wielu precyzyjnych urządzeń przemysłowych.
Zalety przemienników częstotliwości:
- Niższe koszty energii: dzięki zmniejszeniu prądów rozruchowych i regulacji mocy silnika w zależności od obciążenia;
- Zwiększa niezawodność i trwałość sprzętu: pozwala na wydłużenie okresu eksploatacji i okresów międzyobsługowych;
- Umożliwia wprowadzenie zewnętrznego sterowania i zarządzania urządzeniami za pomocą zdalnych urządzeń komputerowych oraz możliwość integracji z systemami automatyki;
- Przemienniki częstotliwości mogą obsługiwać dowolną moc obciążenia (od jednego kilowata do kilkudziesięciu megawatów);
- Obecność specjalnych elementów w przetwornicach częstotliwości może chronić przed przeciążeniami, zanikiem fazy i zwarciami, a także zapewniać bezpieczną pracę i wyłączanie urządzeń w sytuacjach awaryjnych.
Oczywiście, po zapoznaniu się z tą listą korzyści można się zastanawiać, dlaczego nie stosować ich do wszystkich silników w zakładzie? Niestety, odpowiedź jest oczywista - chodzi o wysokie koszty przetwornic częstotliwości, ich instalacji i uruchomienia. Nie każda firma może sobie pozwolić na takie koszty.
Powiązane artykuły:
