Klasyfikacja przemienników częstotliwości

Klasyfikacja przemienników

Dzięki ciągłemu rozwojowi technik sterowania możliwe jest uzyskiwanie coraz lepszych parametrów ruchowych przemienników częstotliwości. Mimo pojawiania się coraz bardziej wyszukanych sposobów kontroli pracy silników metody opracowane do tej pory są nadal stosowane.

W daleko posuniętym uproszczeniu współczesne przemienniki częstotliwości dostępne na rynku można podzielić na: przemienniki skalarne, wektorowe i serwoprzemienniki. Pierwsze z nich stanowią najprostszą grupę urządzeń przekształcających energię.

Przemienniki wektorowe z kolei stanowią obecnie najszerszą grupę wśród wszystkich przemienników częstotliwości. Natomiast serwoprzemienniki to urządzenia, wobec których zostały postawione najwyższe wymagania co do sposobu regulacji pracy silnika.

W większości przypadków aktualnie spotykane przemienniki pozwalają na pracę w tzw. systemie przyspieszania, tj. umożliwiają dostarczenie do silnika prądu powyżej wartości znamionowej przemiennika. Najczęściej przeciążalność przemienników osiąga wartości od 150 do 200 proc. prądu podawanego jako znamionowy dla określonego typu przemiennika.

 
Rys. 5. Charakterystyki sterowania skalarnego liniowego U=f(f) oraz kwadratowego U=f(f2)

Obecnie prawie każdy przemiennik częstotliwości posiada szeroko rozbudowane mechanizmy zabezpieczające zarówno sam przemiennik (kontrola Ixt, przeciwzwarciowa, od przekroczenia temperatury), jak i współpracujący z przemiennikiem silnik (I²xt, zaciski do podłączenia termostyku, itp.)

Przemiennik skalarny jest z punktu widzenia regulacji najprostszym urządzeniem do przekształcania energii. Sterowanie napięciem wyjściowym przemiennika jest liniowo [U=f(f)] lub kwadratowo [U=f(f²)] zależne od zadawanej częstotliwości wyjściowej.

Na rys. 5 przedstawiono typowe charakterystyki sterowania przemiennika skalarnego. Praca z charakterystyką limonową jest stosowana wszędzie tam, gdzie obciążenie silnika jest liniowo zależne od jego prędkości obrotowej, natomiast praca z kwadratową charakterystyką jest stosowana w układach wentylatorowych i pompowych.

Możliwe jest poprawianie charakterystyki poprzez tzw. podwyższanie U min, czyli podniesienie wartości minimalnej amplitudy napięcia wyjściowego w niskim zakresie częstotliwości wyjściowych. Przemienniki skalarne w najprostszym rozwiązaniu zwykle są przeznaczone do pracy w tzw. otwartym układzie regulacji, tzn. sterowanie silnikiem odbywa się bez sprzężenia zwrotnego służącego do kontroli prędkości obrotowej silnika (brak elementu pomiaru prędkości kątowej sinika).

 
Rys. 6. Przykładowy przemiennik częstotliwości ze sterowaniem skalarny

 Zadawanie prędkości najczęściej odbywa się poprzez dostarczenie do przemiennika sterującego sygnału analogowego. Niektóre wersje, nawet tych najprostszych przemienników, są wykonywane z możliwością sterowania po wybranej przemysłowej magistrali komunikacyjnej (np. CAN, MODBUS). Widok typowego przemiennika skalarnego został zaprezentowany na rys. 6.

 

Przemienniki wektorowe współcześnie spotykane w przemyśle charakteryzują się zaawansowanymi właściwościami regulacyjnymi. Jest to najszersza gałąź w rodzinie produkowanych przemienników.

Stąd też można spotkać różnorakie rozwiązania od najprostszych przemienników wektorowych do przemienników wektorowych z zaawansowanymi funkcjami technologicznymi i regulatorami PID. Przemienniki częstotliwości z regulatorami umożliwiają płynne sterowanie dowolnego procesu technologicznego.

W bardziej zaawansowanych rozwiązaniach dla poprawy jakości parametrów regulacyjnych możliwe jest wprowadzenie do przemiennika sprzężenia zwrotnego od aktualnej prędkości obrotowej silnika. Sterowanie w takich przemiennikach jest oparte o tzw. sterowanie polowo zorientowane z orientacją względem strumienia wirnika. Najczęściej wektorowe przemienniki częstotliwości będą umożliwiały pracę w następujących trybach:

• skalarna liniowa lub kwadratowa regulacja prędkości;

• wektorowa regulacja prędkości;

• wektorowa regulacja momentu.

Najprostsze wektorowe przemienniki częstotliwości charakteryzują się zwartą budową, są zwykle zintegrowane z klawiaturą umożliwiającą programowanie przemiennika, są wykonywane w różnych odmianach mechanicznych (zabudowa do szafy sterowniczej IP20/31, zabudowa bezpośrednio na obiekcie IP65). Przykładowe przemienniki wektorowe przedstawia rys. 7.

Standardowo sterowanie takimi przemiennikami odbywa się poprzez dostarczenie sygnału analogowego do przemiennika, a w wersjach z regulatorami PID dodatkowo wprowadza się do przemiennika sygnał sprzężenia zwrotnego od regulowanego procesu technologicznego. Coraz częściej nawet proste przemienniki wektorowe umożliwiają sterowanie nie tylko poprzez we/wy cyfrowe, ale również poprzez przemysłowe magistrale komunikacyjne.

Komunikacja przemysłowa jest dostarczana najczęściej jako opcjonalny moduł montowany wewnątrz przemiennika (CAN, MODBUS, PROFIBUS, ETHERNET itp.). Zwykle proste przemienniki wektorowe będą posiadały dodatkowe zaciski tzw. szyny DC (rys. 3 +Ug, -Ug), umożliwiające podłączenie zewnętrznych elementów do wytracania nadwyżki energii przy hamowaniu (moduł czopera zewnętrznego lub moduł hamujący).

 
Rys. 7. Przykładowe przemienniki częstotliwości ze sterowaniem wektorowym: wykonane w wersji IP31 (po lewej) oraz w wersji IP65 (po prawej)

W zaawansowanych przemiennikach wektorowych możliwe jest wprowadzenie sygnału prędkościowego sprzężenia zwrotnego, dzięki czemu uzyskuje się poprawę parametrów regulacyjnych takich jak dokładność i zakres regulacji prędkości lub momentu. Zaawansowane przemienniki częstotliwości zwykle będą umożliwiały pracę w następujących trybach:

• skalarna liniowa lub kwadratowa regulacja prędkości;

• skalarna liniowa lub kwadratowa regulacja prędkości ze sprzężeniem enkoderowym;

• wektorowa regulacja prędkości;

• wektorowa regulacja momentu.

 

Nowoczesny wektorowy przemiennik częstotliwości, ze względu na zaawansowaną strukturę regulacji umożliwia również realizację prostych algorytmów logicznych dzięki zaimplementowaniu bloków funkcyjnych (logika and, or, przerzutnik D, komparatory itp.). Niektóre z przemienników wektorowych oprócz standardowych trybów pracy umożliwiają dodatkowo pracę:

• z zadaną trajektorią ruchu;

• w układzie pozycjonowania przy pozycji wybieranej z tabeli;

• w układzie pozycjonowania sekwencyjnego, przy wykonywaniu logiki kolejnych kroków programowych następujących po sobie.

Dodatkowo standardem w zaawansowanych przemiennikach częstotliwości jest zintegrowane medium komunikacji przemysłowej (np. CAN) oraz możliwość podłączenia dodatkowych modułów zawierających magistrale komunikacyjne (MODBUS, PROFIBUS, ETHERNET itp.). Przemienniki te zwykle będą posiadały wewnątrz struktury bloki lub funkcje umożliwiające bezpośrednie sterowanie hamulcem silnika oraz elementy (tranzystor przełączający) umożliwiające wytracanie na zewnętrznym rezystorze nadwyżki energii mechanicznej przy hamowaniu silnikiem elektrycznym.

Dzięki standardowi wyprowadzenia zacisków tzw. szyny DC (rys. 3. +Ug, - Ug) większość zaawansowanych przemienników można łączyć w grupy zasilane poprzez tę szynę, umożliwiającą także wzajemne przekazywanie nadwyżki energii z jednego przemiennika do innych.

 
Rys. 8. Przykładowy serwoprzemiennik częstotliwości

Serwoprzemienniki to najbardziej zaawansowane przemienniki częstotliwości. Zasada regulacji i formowania napięcia zasilającego silnik jest oparta o znaną pozycję wirnika napędzanego silnika.

Zatem wszystkie serwoprzemienniki będą posiadały możliwość podłączenia sygnału sprzężenia zwrotnego, najczęściej resolwera lub enkodera TTL/HTL. W przypadku pracy z silnikami w aplikacjach, dla których konieczna jest wiedza o dokładnej pozycji elementu maszyny napędzanego przez silnik, będą to enkodery absolutne typu SinCos jedno- i wieloobrotowe lub EnDat.

Serwoprzemienniki ze względu na swoje przeznaczenie mają wewnątrz zaimplementowane specjalizowane funkcje technologiczne, dzięki którym mogą pracować jako napędy:

• standardowe z regulacją prędkości, momentu;

• synchroniczne, do synchronizacji pokonywanej drogi kątowej;

• pozycjonujące, przeznaczone do wykonywania trajektorii ruchu według ściśle wyznaczonej drogi lub prędkości;

• krzywkowe, przeznaczone do wykonywania ruchu według ściśle określonej krzywej wprowadzanej do serwoprzemiennika;

• nawijakowe, realizujące ruch według zależności nawijakowych;

Serwoprzemienniki mają również najlepsze parametry regulacyjne zarówno przy regulacji prędkości, jak i momentu wytwarzanego przez silnik. Przykładowo serwoprzemienniki w stosunku do przemienników wektorowych cechuje regulacja prędkości realizowana z dokładnością co najmniej o jeden rząd lepszą (przemiennik wektorowy 1:1000, serwoprzemiennik 1:10000).

Serwoprzemienniki ze względu na swoje przeznaczenie zawsze posiadają co najmniej jedno medium komunikacji przemysłowej (np. CAN) oraz szerokie możliwości dołączenia dodatkowych modułów komunikacyjnych (np. Profibus, Ethernet Powerlink, EtherCat itp.). Ze względu na swoje różnorodne zastosowanie posiadają również możliwości stworzenia wewnątrz stosunkowo dowolnej struktury opartej na tzw. blokach funkcyjnych.

Serwoprzemienniki są także wyposażone w zaciski tzw. szyny DC, dzięki czemu mogą pracować zarówno jako napędy indywidualne, jak i napędy grupowe, pomiędzy którymi następuje wzajemne przekazywanie energii. Przykładowy serwoprzemiennik został zaprezentowany na rys. 8.

Tzw. serwoPLC, czyli serwoprzemienniki zintegrowane ze sterownikiem swobodnie programowalnym, otrzymały nieograniczone możliwości do realizowania najtrudniejszych funkcji. Tak wykonane serwoprzemienniki mogą pełnić również funkcje kontrolne nie tylko wobec fragmentów, ale nawet całych kompletnych prostych maszyn czy urządzeń.


Podsumowanie

Wydaje się, że przemienniki częstotliwości na dobre zadomowiły się w przemyśle. Z perspektywy ich dotychczasowego rozwoju można stwierdzić, że w następnych kilku latach nastąpi dalsza poprawa parametrów tego typu urządzeń.

Zmiany będą przebiegały w następujących kierunkach:

dalszej poprawy parametrów elementów energoelektronicznych w związku z dążeniem do do zminimalizowania strat wynikających z kluczowania tranzystorów wyjściowych;

wprowadzania coraz większych mocy obliczeniowych do przemienników w celu poprawy z jednej strony właściwości regulacyjnych przemienników, a z drugiej strony umożliwienia zrealizowania w przemienniku częstotliwości coraz szerszej gamy funkcji technologicznych wynikających ze współpracy przemiennika częstotliwości z silnikiem na maszynie.

Czytaj więcej o falownikach:

- Przemienniki częstotliwości jako źródło zasilania o regulowanym napięciu

- Falowniki: czym kierować się przy zakupie, stan rynku, perspektywy