Nowoczesna technologia napędów – Przewodnik po napędach i ich zastosowaniach

controlbyte.pl 1 tydzień temu

Podstawy napędów technologicznych: Klucz do nowoczesnych systemów sterowania

Technologia napędów (Drive Technology) stanowi fundament współczesnych systemów automatyzacji i sterowania. najważniejsze aspekty, takie jak sposób działania silników i inwerterów, przełączanie Y/Δ, praca przy 87 Hz, czy zastosowanie systemów enkoderów, są nie tylko istotne dla inżynierów, ale również odgrywają rolę w optymalizacji procesów przemysłowych. W tym artykule zgłębimy podstawowe koncepcje technologii napędów, wyjaśniając ich zastosowania i znaczenie dla nowoczesnej techniki.

Struktura silników: Silniki asynchroniczne i synchroniczne

Podział trójfazowych napędów elektrycznych uwzględnia dwie główne kategorie: silniki asynchroniczne oraz synchroniczne. Każdy z tych typów ma swoją charakterystyczną budowę i zastosowanie.

Silniki asynchroniczne

Silniki asynchroniczne, znane również jako klatkowe, posiadają rotor w formie klatki wiewiórczej. najważniejsze elementy ich konstrukcji to:

Klatka wiewiórcza z pierścieniem zwarcia i blachą wirnika, która umożliwia generowanie pola elektromagnetycznego.
Wał z łożyskiem, zapewniający stabilność i płynność ruchu.
Uzwojenie stojana, gdzie doprowadzane jest zasilanie elektryczne.

Tego typu silniki są szeroko stosowane ze względu na prostotę budowy i niskie koszty produkcji.

Silniki synchroniczne

W silnikach synchronicznych zastosowano rotor z magnesami trwałymi, które generują stałe pole magnetyczne. Wyróżniają się one precyzją pracy, szczególnie w aplikacjach wymagających stałej prędkości obrotowej. Ich najważniejsze elementy to:

Rotor z magnesami trwałymi, gwarantujący stabilne pole magnetyczne.
Układ zasilania uzwojenia stojana, dostarczający energię elektryczną.
Enkoder absolutny lub resolver, umożliwiający dokładne sterowanie pozycją i prędkością.

Silniki synchroniczne są popularne w zaawansowanych aplikacjach przemysłowych, gdzie wymagana jest wysoka wydajność i precyzja.

Tabliczka znamionowa silnika trójfazowego: najważniejsze parametry

Tabliczka znamionowa to nieodłączny element każdego silnika elektrycznego, zawierający wszystkie istotne informacje techniczne. Na przykładzie standardowego silnika trójfazowego można wyróżnić następujące parametry:

Typ połączenia Y/Δ
Oznacza sposób podłączenia uzwojeń silnika w układzie gwiazdy (Y) lub trójkąta (Δ), co wpływa na jego napięcie znamionowe i wydajność.
Napięcie znamionowe (V_N)
Maksymalne napięcie zasilania, które może być dostarczane do silnika bez ryzyka uszkodzenia.
Częstotliwość bazowa (f_N)
Standardowa częstotliwość pracy silnika, najczęściej wynosząca 50 Hz lub 60 Hz, w zależności od regionu.
Prędkość obrotowa (n_N)
Określa liczbę obrotów na minutę (rpm) przy znamionowych warunkach pracy.
Moc znamionowa (P_N)
Maksymalna moc, jaką silnik może dostarczyć, wyrażona w kilowatach (kW).
Prąd znamionowy (I_N)
Wielkość prądu elektrycznego, którą silnik pobiera podczas pracy przy pełnym obciążeniu.
Współczynnik mocy (cos φ)
Parametr wskazujący na efektywność wykorzystania energii elektrycznej przez silnik.
Numer katalogowy silnika
Unikalny numer identyfikacyjny dostarczony przez producenta, który ułatwia śledzenie specyfikacji i serwisu.

Znajomość tych parametrów jest kluczowa podczas instalacji, konfiguracji i eksploatacji silnika. Pomagają one również dobrać odpowiedni VFD frequency inverter do konkretnego urządzenia, co pozwala na precyzyjne sterowanie prędkością i momentem obrotowym.

Połączenia gwiazda (Y) i trójkąt (Δ): najważniejsze różnice i zastosowania

Silniki trójfazowe mogą być podłączane w dwóch podstawowych konfiguracjach: gwiazda (Y) lub trójkąt (Δ). Wybór konfiguracji wpływa na napięcie zasilania oraz parametry pracy silnika.

Połączenie agwiazda (Y)

W połączeniu gwiazda każde uzwojenie silnika jest połączone jednym końcem z punktem neutralnym (środkiem układu), a drugi koniec uzwojenia jest podłączony do odpowiedniej fazy zasilania. Charakterystyka tego układu:

Zasilane napięcie fazowe (np. 230 V), co zmniejsza obciążenie uzwojeń.
Niższy prąd w uzwojeniach, co zmniejsza straty cieplne.
Stosowane głównie przy uruchamianiu silników, aby ograniczyć prąd rozruchowy.

Połączenie trójkąt (Δ)

W połączeniu trójkąt uzwojenia silnika tworzą zamkniętą pętlę, gdzie każde uzwojenie jest połączone między dwoma fazami zasilania. Charakterystyka tego układu:

Zasilane napięcie linowe (np. 400 V), co pozwala uzyskać pełną moc silnika.
Wyższy prąd w uzwojeniach w porównaniu z konfiguracją gwiazda.
Używane podczas normalnej pracy silnika, gdy wymagane jest pełne obciążenie.

Zastosowania i znaczenie przełączania Y/Δ

Przełączanie pomiędzy połączeniami gwiazda i trójkąt (tzw. układ Y/Δ) jest powszechne w celu zmniejszenia prądu rozruchowego silnika. Dzięki temu możliwe jest uruchamianie silników o dużej mocy bez przeciążania sieci elektrycznej.

Konfiguracja połączeń ma także znaczenie przy stosowaniu VFD frequency inverter. Inwertery częstotliwości pozwalają na dostosowanie napięcia i częstotliwości zasilania, co umożliwia precyzyjne sterowanie zarówno silnikami połączonymi w Y, jak i Δ.

Prąd silnika: Składowe i zależności

Prąd elektryczny przepływający przez silnik jest jednym z kluczowych parametrów, które określają jego działanie. Zrozumienie składowych prądu oraz zależności między nimi ma istotne znaczenie dla prawidłowego projektowania i eksploatacji układów napędowych.

Składowe prądu silnika

Prąd silnika można rozdzielić na dwie główne składowe:

Prąd magnesujący (I_d) – odpowiada za wytwarzanie pola magnetycznego w silniku. Wartość tego prądu zależy od napięcia silnika oraz kąta fazowego (φ).
Prąd czynny (I_q) – jest odpowiedzialny za generowanie momentu obrotowego silnika. W układach sterowania napędem wartość tego prądu jest często regulowana, aby dostosować pracę silnika do wymagań aplikacji.

Zależności w pracy silnika

Podczas normalnej pracy silnika całkowity prąd (I_total) stanowi sumę wektorową prądu magnesującego i czynnego. Przy pełnym obciążeniu silnika:

Prąd znamionowy (I_N) wyznacza maksymalną wartość, jaką silnik może bezpiecznie pobierać.
Kąt fazowy (φ) określa relację między napięciem a prądem, wpływając na współczynnik mocy (cos φ).

W przypadku pracy częściowej prąd magnesujący (I_d) pozostaje stały, natomiast prąd czynny (I_q) zmniejsza się, co wpływa na zmianę kąta fazowego i efektywności.

Obliczenia związane z prądem

Ważne równania związane z analizą prądu silnika to:

Prąd magnesujący:

Formula

I_d = I_N · sin φ

Moc elektryczna pobierana przez silnik:

Formula

P_EL = √3 · V_N · I_N · cos φ

Prędkość silnika: Synchroniczna, asynchroniczna i poślizg

Prędkość obrotowa silnika jest kluczowym parametrem, który decyduje o jego wydajności i możliwościach zastosowania w różnych układach napędowych. W silnikach trójfazowych wyróżnia się dwa główne rodzaje prędkości: synchroniczną i asynchroniczną.

Prędkość synchroniczna

Prędkość synchroniczna (nsync) to teoretyczna prędkość obrotowa pola magnetycznego generowanego przez uzwojenia stojana. Można ją obliczyć według wzoru:

Formula

n_sync = 60 · ^f⁄_p

Gdzie:

f to częstotliwość zasilania (np. 50 Hz lub 60 Hz),
p to liczba par biegunów w silniku.

Prędkość synchroniczna jest stała dla danej częstotliwości zasilania i liczby par biegunów, niezależnie od obciążenia silnika.

Prędkość asynchroniczna i poślizg

Silniki asynchroniczne pracują z prędkością nieco niższą od prędkości synchronicznej. Różnica ta wynika z poślizgu (sss), który jest niezbędny do generowania momentu obrotowego. Poślizg można obliczyć według wzoru:

Formula

s_N = 1 – ^n_N⁄_{n_sync}

Gdzie:

sN to poślizg znamionowy.
nN to znamionowa prędkość obrotowa silnika.

Poślizg jest wyrażany w procentach i w praktyce dla silników przemysłowych wynosi zwykle od 1% do 6%. Im wyższe obciążenie, tym większy poślizg.

Zastosowanie prędkości w praktyce

Zrozumienie prędkości synchronicznej, asynchronicznej i poślizgu ma najważniejsze znaczenie przy projektowaniu systemów sterowania napędami. Nowoczesne rozwiązania, takie jak Servo Drive czy VFD frequency inverter, pozwalają na precyzyjną kontrolę prędkości silników, umożliwiając dostosowanie ich pracy do wymagań aplikacji. Dzięki temu można osiągnąć lepszą efektywność energetyczną i precyzję działania.

Wirujące pole magnetyczne w silniku: Interakcja stojana i wirnika

Podstawą działania silników elektrycznych jest zjawisko wirującego pola magnetycznego, które umożliwia przekazanie energii z układu elektrycznego na mechaniczny. To pole jest generowane w stojanie i oddziałuje na wirnik, co prowadzi do jego ruchu obrotowego.

Generowanie wirującego pola magnetycznego

Wirujące pole magnetyczne powstaje dzięki trójfazowemu zasilaniu uzwojeń stojana. Poszczególne fazy (L1, L2, L3) są przesunięte względem siebie o 120°, co prowadzi do ciągłej zmiany kierunku i intensywności pola magnetycznego w stojanie. Rezultat:

Stojan generuje dynamiczne pole magnetyczne, które obraca się z prędkością synchroniczną (nsync).
Pole to oddziałuje z uzwojeniami lub magnesami wirnika, co powoduje powstanie momentu obrotowego.

Interakcja stojana i wirnika

Wirujące pole magnetyczne indukuje prąd w uzwojeniach wirnika (w przypadku silnika asynchronicznego) lub przyciąga magnesy trwałe (w przypadku silnika synchronicznego). Ta interakcja powoduje ruch wirnika zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego.

W silnikach asynchronicznych wirnik zawsze obraca się z prędkością nieco mniejszą od synchronicznej z powodu konieczności wystąpienia poślizgu.
W silnikach synchronicznych wirnik obraca się z tą samą prędkością co pole magnetyczne, co zapewnia wysoką precyzję pracy.

Wykresy prądów i pole magnetyczne

Na diagramach przedstawione są zmiany prądów w uzwojeniach stojana oraz odpowiadające im wektory pola magnetycznego. Dzięki przesunięciu fazowemu trzy prądy tworzą stałe, obracające się pole magnetyczne, które umożliwia równomierne obciążenie uzwojeń stojana i stabilną pracę silnika.

Znaczenie wirującego pola magnetycznego

Wirujące pole magnetyczne jest podstawą działania nowoczesnych napędów elektrycznych. Dzięki takim technologiom jak Servo Drive i VFD frequency inverter, możliwa jest precyzyjna kontrola parametrów pola magnetycznego, co pozwala na optymalizację pracy silników w różnych zastosowaniach przemysłowych.

Charakterystyka momentu obrotowego: Silnik asynchroniczny bez sterowania

Charakterystyka momentu obrotowego w silnikach asynchronicznych odgrywa kluczową rolę w zrozumieniu ich działania i wydajności w różnych warunkach pracy. W przypadku silników bez sterowania można wyróżnić kilka istotnych punktów i zależności.

Kluczowe punkty charakterystyki

Moment rozruchowy (MStar)
Jest to moment obrotowy generowany przez silnik podczas startu. Powinien być wystarczająco duży, aby pokonać opór mechaniczny i uruchomić urządzenie.
Moment podnoszenia (MP)
Minimalny moment, jaki silnik generuje podczas przyspieszania do prędkości pracy. Zbyt mały moment podnoszenia może powodować trudności w osiągnięciu stabilnej pracy.
Moment krytyczny (MS)
Najwyższy moment, jaki silnik jest w stanie wygenerować. jeżeli obciążenie przekracza MSM_SMS, silnik zatrzymuje się (przestaje działać).
Moment obciążenia (ML)
Jest to moment, który silnik musi przezwyciężyć, aby utrzymać pracę przy danym obciążeniu. Punkt pracy (OPOPOP) leży tam, gdzie moment silnika równoważy moment obciążenia.

Poślizga a moment obrotowy

Poślizg (s) odgrywa kluczową rolę w generowaniu momentu obrotowego. W miarę zwiększania obciążenia prędkość obrotowa wirnika spada, co zwiększa poślizg i moment. Dla zbyt dużego poślizgu moment zaczyna maleć, co prowadzi do przeciążenia lub zatrzymania silnika.

Tryb pracy i tryb generatorowy

Na wykresie momentu można zauważyć dwa tryby pracy:

Tryb silnikowy (motor mode): Silnik działa jako napęd, przekształcając energię elektryczną w mechaniczną.
Tryb generatorowy (generator mode): W tej strefie (przy prędkościach większych niż nsyncn_{sync}nsync) silnik przekształca energię mechaniczną w elektryczną, np. podczas hamowania.

Znaczenie charakterystyki momentu

Analiza charakterystyki momentu obrotowego pomaga inżynierom w doborze odpowiednich silników do aplikacji. Współczesne technologie, takie jak Servo Drive i VFD frequency inverter, umożliwiają precyzyjną kontrolę momentu obrotowego, co zwiększa wydajność i niezawodność układu napędowego.

Zasilanie z sieci a zasilanie z falownika: najważniejsze różnice

Zasilanie silników elektrycznych może być realizowane bezpośrednio z sieci elektrycznej lub za pośrednictwem inwertera (VFD frequency inverter). Każde z tych rozwiązań ma swoje charakterystyczne cechy i zastosowania.

Zasilanie bezpośrednie z sieci

W przypadku bezpośredniego podłączenia silnika do sieci elektrycznej parametry zasilania są stałe i zgodne z normami UCTE (dla Europy Środkowej):

Napięcie zasilania: Typowe wartości wynoszą 230 V (jednofazowe) lub 400 V (trójfazowe), z tolerancją ą10%. Zakres dopuszczalnego napięcia to 207–256 V dla jednofazowego oraz 360–440 V dla trójfazowego.
Częstotliwość: Standardowa wartość to 50 Hz, z tolerancją ą0,3% (zakres 49,85–50,15 Hz).

Zalety:

Prosta instalacja i eksploatacja.
Stała prędkość obrotowa wynikająca z prędkości synchronicznej.

Wady:

Brak możliwości regulacji prędkości i momentu obrotowego.
Wyższe straty energii w niektórych zastosowaniach.

Zasilanie dzięki inwertera

Inwertery (VFD frequency inverter) pozwalają na precyzyjne dostosowanie parametrów zasilania do potrzeb aplikacji. najważniejsze cechy:

Wejście inwertera:
- Jednofazowe napięcie 180–264 V.
- Trójfazowe napięcie 320–550 V.
- Częstotliwość 45–65 Hz (bez tolerancji).
Wyjście inwertera:
- Zmienna wartość napięcia: 0–230/400/500 V.
- Zmienna częstotliwość: 0–1000 Hz.

Zalety:

Możliwość regulacji prędkości obrotowej w szerokim zakresie, niezależnie od prędkości synchronicznej.
Precyzyjne sterowanie momentem obrotowym, co zwiększa efektywność energetyczną.
Możliwość pracy w różnych trybach (np. generatorowym).

Wady:

Wyższe koszty początkowe w porównaniu do zasilania bezpośredniego.
Konieczność bardziej zaawansowanej konfiguracji i sterowania.

Kiedy wybrać inwerter?

Zastosowanie inwertera jest szczególnie korzystne w aplikacjach wymagających zmiennej prędkości, takich jak taśmy transportowe, pompy czy wentylatory. Pozwala on na optymalizację pracy silnika i dostosowanie jego parametrów do rzeczywistych wymagań, co przekłada się na oszczędności energetyczne i wydłużenie żywotności urządzenia.

Moduły mocy falownika: najważniejsze elementy i ich funkcje

Inwertery (VFD frequency inverter) są zaawansowanymi urządzeniami, które pozwalają na precyzyjne sterowanie parametrami pracy silnika. Kluczową częścią ich konstrukcji są moduły mocy, które umożliwiają konwersję energii elektrycznej z sieci na zasilanie dostosowane do wymagań silnika.

Główne moduły mocy inwertera

Prostownik (Rectifier):
Pierwszy etap działania inwertera to prostowanie napięcia zmiennego (AC) dostarczanego z sieci elektrycznej. Prostownik przekształca to napięcie na napięcie stałe (DC).
- Funkcja: Zapewnia stałe napięcie zasilania dla dalszych etapów inwertera.
- Zastosowanie: Stabilizacja napięcia w warunkach zmiennych obciążeń sieciowych.
Szyna DC (DC bus):
Szyna DC działa jako pośredni magazyn energii pomiędzy prostownikiem a falownikiem.
- Funkcja:
  - Buforowanie energii.
  - Filtracja i wygładzanie napięcia DC.
  - Zabezpieczenie przed wahaniami napięcia.
- Zastosowanie: Redukcja zakłóceń i zapewnienie ciągłości pracy układu.
Falownik (Inverter):
Ostatni etap działania inwertera to konwersja napięcia stałego z szyny DC na napięcie zmienne o regulowanej częstotliwości i amplitudzie.
- Funkcja: Generowanie sygnału wyjściowego (AC), który może być dostosowany do prędkości i momentu obrotowego silnika.
- Zastosowanie: Precyzyjne sterowanie parametrami pracy silnika, takimi jak prędkość i moment obrotowy.

Zalety modułów mocy w inwerterach

Dzięki zastosowaniu modułów mocy inwertery oferują:

Możliwość regulacji prędkości silnika w szerokim zakresie.
Optymalizację zużycia energii w aplikacjach przemysłowych.
Zwiększenie trwałości i niezawodności silnika poprzez eliminację nagłych skoków napięcia.

Praktyczne zastosowania

Moduły mocy inwertera znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, od przemysłu ciężkiego po HVAC, gdzie precyzyjna regulacja prędkości i momentu obrotowego jest kluczowa dla efektywności energetycznej i wydajności systemów.

Moduły mocy falownika: Szczegóły techniczne

Budowa modułów mocy w inwerterze (VFD frequency inverter) obejmuje szereg kluczowych elementów, które współpracują w celu przekształcania i kontrolowania energii elektrycznej. W tej sekcji przyjrzymy się szczegółowo poszczególnym modułom i ich funkcjom.

1. Prostownik (Rectifier) i ochrona przed przepięciami

Pierwszy moduł w inwerterze odpowiada za konwersję napięcia przemiennego (AC) na stałe (DC).

Funkcje prostownika:
- Transformacja napięcia sieciowego na napięcie stałe.
- Ograniczenie przepięć dzięki układu ochrony (overvoltage protection).
Kluczowe elementy:
- Diody prostownicze.
- Układy zabezpieczające przed przeciążeniami.

2. Szyna DC (DC Bus) i układ ograniczania prądu

Szyna DC jest kluczowym elementem łączącym prostownik z falownikiem.

Funkcje szyny DC:
- Buforowanie i magazynowanie energii w kondensatorach.
- Stabilizacja napięcia DC.
- Redukcja zakłóceń.
Układ ograniczania prądu rozruchowego:
- Zabezpiecza elementy inwertera przed uszkodzeniem przy nagłym wzroście prądu.

3. Obwód hamowania (Braking Circuit)

Obwód hamowania umożliwia bezpieczne rozproszenie nadmiaru energii podczas hamowania silnika.

Funkcje:
- Przekierowanie energii do rezystora hamowania (braking resistor).
- Zabezpieczenie przed przegrzaniem.
Kluczowe elementy:
- Rezystor hamowania (R_Brake).
- Moduł sterujący (Brake Chopper).

4. Falownik (Inverter)

Ostatni moduł przekształca napięcie stałe z szyny DC na napięcie zmienne o regulowanej częstotliwości i amplitudzie.

Funkcje:
- Generowanie napięcia wyjściowego dostosowanego do wymagań silnika.
- Precyzyjne sterowanie parametrami, takimi jak prędkość i moment obrotowy.
Kluczowe elementy:
- Tranzystory mocy (np. IGBT).
- Diody zwrotne.
- Układy detekcji prądu wyjściowego.

Znaczenie modułów mocy

Szczegółowa budowa modułów mocy inwertera pozwala na precyzyjne sterowanie silnikami w różnorodnych aplikacjach przemysłowych. Dzięki zaawansowanym funkcjom, takim jak obwód hamowania i dynamiczne zarządzanie energią, inwertery znacząco zwiększają efektywność energetyczną i niezawodność całego systemu.

Praca falownika: Co warto wiedzieć?

Inwertery (VFD frequency inverter) to zaawansowane urządzenia, które przynoszą szereg korzyści w sterowaniu napędami elektrycznymi. W ich działaniu można wyróżnić kilka kluczowych zalet oraz funkcji.

Korzyści wynikające z zastosowania inwertera

Zmniejszone obciążenie sieci:
- Zredukowane prądy rozruchowe: Dzięki łagodnemu startowi inwertery minimalizują nagłe wzrosty prądu, co chroni zarówno silnik, jak i sieć elektryczną.
- Współczynnik mocy bliski 1 (Cos φ ≈ 1): Ogranicza straty energii i poprawia efektywność energetyczną.
Zaawansowane funkcje ochronne:
- Ochrona silnika: Inwerter monitoruje wartości prądu i napięcia, zapobiegając przeciążeniom i awariom.
- Kompensacja mocy biernej: Poprawia jakość zasilania i stabilność systemu.
Korzyści po stronie silnika:
- Wysoki moment rozruchowy: Inwerter pozwala na uzyskanie pełnej mocy od samego startu, co jest istotne w aplikacjach wymagających dużych obciążeń.
- Zmienna charakterystyka napędu: Możliwość dostosowania parametrów pracy do wymagań aplikacji.
- Współczynnik mocy (Cos φ): Zgodny z informacjami zawartymi na tabliczce znamionowej silnika, co pozwala na optymalne sterowanie.

Napięcie silnika elektrycznego: Proporcjonalność napięcia i częstotliwości

W silnikach elektrycznych napięcie zasilania (V) oraz częstotliwość (f) muszą być proporcjonalnie regulowane, aby zapewnić stały prąd magnesujący. Jest to najważniejsze dla utrzymania adekwatnego działania silnika i uniknięcia przeciążenia lub utraty wydajności.

Zasada proporcjonalności V/f

Stała proporcja między napięciem a częstotliwością jest podstawą sterowania napędem. Oto jak to działa:

Przy niższych częstotliwościach: Napięcie musi być obniżone, aby zapobiec przegrzaniu silnika z powodu nadmiernego prądu magnesującego.
Przy wyższych częstotliwościach (do 87 Hz): Napięcie jest zwiększane, aby utrzymać moment obrotowy i uniknąć nasycenia magnetycznego.

W praktyce napięcie i częstotliwość są regulowane proporcjonalnie przez inwerter (VFD frequency inverter), co pozwala na precyzyjne dostosowanie parametrów zasilania do potrzeb aplikacji.

Połączenie gwiazda (Y) i trójkąt (Δ)

Różne konfiguracje połączeń silnika wymagają odpowiednich napięć i częstotliwości:

Połączenie gwiazda (Y): Wymaga niższego napięcia (np. 230 V przy 50 Hz) i jest używane przy niższych częstotliwościach.
Połączenie trójkąt (Δ): Wymaga wyższego napięcia (np. 400 V przy 50 Hz) i umożliwia pracę przy wyższych częstotliwościach.

Punkt przełączenia między Y a Δ następuje w okolicach częstotliwości 50 Hz, co jest zgodne z normami zasilania.

Zastosowanie w praktyce

Dzięki proporcjonalności V/f:

Możliwa jest płynna regulacja prędkości silnika.
Silnik pracuje w sposób bardziej efektywny energetycznie.
Zapewnia się ochronę przed przeciążeniem i zwiększa żywotność urządzenia.

Technologia inwerterów umożliwia realizację tej proporcji w czasie rzeczywistym, co czyni je niezastąpionymi w nowoczesnych systemach automatyzacji.

Napięcie silnika w pracy falownika: Zakresy i proporcje V/f

Praca inwertera opiera się na zasadzie proporcjonalności między napięciem (V) a częstotliwością (f), co zapewnia optymalne działanie silnika w całym zakresie obrotów. Dodatkowo zakres napięcia wyjściowego (VMot) jest ograniczony możliwościami samego inwertera.

Proporcja V/f w zależności od typu połączenia

Zgodnie z informacjami z tabliczki znamionowej silnika, wartości napięcia i częstotliwości różnią się w zależności od konfiguracji połączenia:

Połączenie gwiazda (Y): Zakres napięcia od 0 do 230 V, przy częstotliwości do 50 Hz.
Połączenie trójkąt (Δ): Zakres napięcia od 0 do 400 V, przy częstotliwości do 87 Hz.

Przełączanie między konfiguracjami pozwala na lepsze dopasowanie parametrów zasilania do charakterystyki pracy silnika.

Zakres ustawień napięcia przez inwerter

Możliwości inwertera definiują maksymalne napięcie, jakie może być dostarczone do silnika:

Inwertery o napięciu wyjściowym 230 V są przeznaczone dla aplikacji o niższym zapotrzebowaniu na moc.
Inwertery o napięciu 400 V lub wyższym umożliwiają zasilanie bardziej wymagających silników, zapewniając wyższą moc i prędkość obrotową.

Znaczenie informacji z tabliczki znamionowej

Proporcja V/f oraz zakres napięcia dla wybranego połączenia są określone na tabliczce znamionowej silnika. Prawidłowe dopasowanie tych parametrów do ustawień inwertera jest najważniejsze dla:

Zapewnienia stabilnej pracy silnika.
Ochrony przed przeciążeniem.
Maksymalizacji efektywności energetycznej.

Praktyczne zastosowania

Inwertery umożliwiają dynamiczną regulację napięcia i częstotliwości, co czyni je nieocenionym narzędziem w aplikacjach wymagających precyzyjnej kontroli prędkości i momentu obrotowego. Przykładowe zastosowania obejmują przemysłowe linie produkcyjne, systemy HVAC oraz maszyny rolnicze.

Charakterystyka V/f: Zakres podstawowy i osłabianie pola

Charakterystyka V/f w inwerterach umożliwia dostosowanie napięcia i częstotliwości do wymagań silnika w różnych warunkach pracy. Inwertery działają w dwóch głównych zakresach: podstawowym oraz w obszarze osłabiania pola magnetycznego.

Zakres podstawowy (Basic Setting Range)

W tym zakresie napięcie VMot zmienia się proporcjonalnie do częstotliwości obrotowej pola magnetycznego (frotation):

Zakres pracy: Od 0 Hz do punktu odniesienia V/f, który zwykle przypada na częstotliwość 50 Hz (dla standardowych układów zasilania w Europie).
Proporcjonalność: Utrzymanie proporcji między V i f zapewnia stały prąd magnesujący, co jest najważniejsze dla stabilnej pracy silnika i optymalnego momentu obrotowego.

Obszar osłabiania pola (Field Weakening Range)

Po przekroczeniu punktu odniesienia V/f, napięcie VMot pozostaje stałe, a częstotliwość przez cały czas rośnie:

Efekty: Wzrost częstotliwości przy stałym napięciu prowadzi do zmniejszenia prądu magnesującego, co skutkuje spadkiem momentu obrotowego.
Zastosowanie: Obszar osłabiania pola jest używany w aplikacjach wymagających wysokich prędkości, ale przy mniejszym obciążeniu.

Znaczenie charakterystyki V/f

Zarządzanie charakterystyką V/f pozwala inwerterowi na:

Optymalizację pracy silnika w szerokim zakresie obciążeń i prędkości.
Zapewnienie płynnego przejścia między różnymi trybami pracy.
Zwiększenie efektywności energetycznej oraz redukcję zużycia mechanicznego.

Praktyczne zastosowania

Charakterystyka V/f znajduje zastosowanie w systemach napędowych takich jak taśmy transportowe, pompy czy wentylatory, gdzie wymagana jest kontrola prędkości i momentu obrotowego. Dzięki zaawansowanym funkcjom inwertery umożliwiają dynamiczne dostosowanie parametrów pracy do potrzeb aplikacji.

Charakterystyka momentu obrotowego napędu elektrycznego: Silnik asynchroniczny sterowany falownikiem

Sterowanie inwerterowe w silnikach asynchronicznych pozwala na precyzyjną kontrolę momentu obrotowego (MMM) w szerokim zakresie prędkości i obciążeń. najważniejsze aspekty tej charakterystyki to podział na zakres podstawowy i obszar osłabiania pola.

Zakres podstawowy (Basic Setting Range)

W tym zakresie moment obrotowy jest utrzymywany na stałym poziomie do punktu odniesienia V/f, który zwykle przypada na prędkość znamionową silnika (nN):

Obliczanie momentu wyjściowego:

Formula

M_N[Nm] = ^{9550 · P_N[kW]}⁄_{n_N[min^-1]}

Mn – moment znamionowy,
Pn – moc znamionowa,
nN – prędkość znamionowa w obrotach na minutę.

Stałość momentu: Przy proporcjonalnym wzroście napięcia i częstotliwości (V/f), silnik generuje maksymalny moment obrotowy.

Obszar osłabiania pola (Field Setting Range)

Po przekroczeniu punktu odniesienia V/f napięcie pozostaje stałe, a częstotliwość rośnie:

Zmniejszenie momentu: W tym zakresie moment maleje proporcjonalnie do odwrotności kwadratu częstotliwości (1/f^2).
Przeznaczenie: Obszar ten jest wykorzystywany do osiągania wysokich prędkości obrotowych przy niskim obciążeniu.

Kluczowe punkty charakterystyki

Moment rozruchowy (MStart): Moment generowany przy starcie silnika, wystarczający do uruchomienia urządzenia.
Moment krytyczny (Ms): Maksymalny moment obrotowy osiągany przez silnik.
Punkt znamionowy: Prędkość i moment, przy których silnik pracuje zgodnie z jego specyfikacją znamionową.

Znaczenie charakterystyki momentu w sterowaniu inwerterowym

Dzięki sterowaniu inwerterowemu możliwe jest dynamiczne dostosowywanie parametrów pracy silnika, co zapewnia:

Optymalną wydajność w szerokim zakresie obciążeń.
Redukcję strat energii przy pracy z niskim momentem obrotowym.
Płynne uruchamianie i hamowanie silnika.

Sterowanie charakterystyką momentu obrotowego jest szczególnie ważne w aplikacjach takich jak windy, taśmy transportowe czy maszyny produkcyjne, gdzie wymagana jest precyzyjna regulacja obciążeń i prędkości.

Technologia 87 Hz: Zwiększona moc dzięki zmianie konfiguracji połączeń

Technologia 87 Hz umożliwia zwiększenie mocy standardowych silników asynchronicznych (230/400 V) poprzez zastosowanie odpowiednich konfiguracji połączeń oraz sterowania inwerterowego. Oto najważniejsze aspekty tej technologii.

Połączenia Y i Δ z punktami odniesienia V / f

Standardowe silniki mogą pracować w dwóch konfiguracjach z różnymi punktami odniesienia V / f:

Połączenie gwiazda (Y): 400 V/50 Hz – typowe dla standardowego zakresu pracy.
Połączenie trójkąt (Δ): 400 V/87 Hz – rozszerza zakres pracy podstawowej.

Efekty połączenia Δ w technologii 87 Hz

Zmiana połączenia na Δ przy 87 Hz skutkuje następującymi adekwatnościami:

Moment znamionowy (M_N):
Zwiększa się do wartości:

M_N = √3 · M_N (dla f_N)

Oznacza to wyższy moment obrotowy w rozszerzonym zakresie ustawień podstawowych.
Moc znamionowa (P_N):
Moc silnika wzrasta:

P_N,87Hz = √3 · P_N,50Hz

Dzięki temu z tego samego silnika można uzyskać większą moc.
Prąd silnika (I_M):
Inwerter musi dostarczyć większy prąd, co wynika z proporcji:

I_M,87Hz = √3 · I_N,50Hz

Rozszerzony zakres ustawień podstawowych

Dzięki technologii 87 Hz połączenie Δ umożliwia:

Utrzymanie wysokiego momentu obrotowego w szerokim zakresie prędkości.
Lepsze wykorzystanie mocy silnika bez konieczności stosowania większych jednostek.

Zastosowania technologii 87 Hz

Technologia 87 Hz znajduje zastosowanie w wymagających aplikacjach, takich jak:

Transport i logistyka: Przenośniki taśmowe wymagające zmiennej prędkości i wysokiego momentu.
Produkcja: Maszyny przemysłowe o zmiennym obciążeniu.
HVAC: Wentylatory i pompy pracujące z różnymi wymaganiami wydajnościowymi.

Napędy 4Q: Przepływ energii i tryby pracy

Napędy czterokwadrantowe (4Q) umożliwiają dwukierunkowy przepływ energii zarówno w trybie silnikowym, jak i generatorowym. To zaawansowane rozwiązanie znajduje zastosowanie w systemach, gdzie wymagana jest kontrola ruchu w obu kierunkach.

Tryb pracy silnikowej (Motor Mode)

W tym trybie energia elektryczna jest przekształcana na energię mechaniczną, umożliwiając ruch obiektu (np. podnoszenie ładunku). W zależności od kierunku ruchu i momentu obrotowego, napęd może działać w dwóch kwadrantach:

I kwadrant: Prędkość (n) dodatnia, moment obrotowy (M) dodatni – ruch w górę przy podnoszeniu ciężaru.
III kwadrant: Prędkość (n) ujemna, moment obrotowy (M) ujemny – ruch w dół przy kontroli opadania.

Tryb pracy generatorowej (Generator Mode)

W tym trybie energia mechaniczna jest przekształcana na energię elektryczną i zwracana do inwertera lub sieci. To rozwiązanie jest szczególnie korzystne w aplikacjach z hamowaniem rekuperacyjnym, takich jak dźwigi czy windy:

II kwadrant: Prędkość (n) dodatnia, moment obrotowy (M) ujemny – kontrolowane obniżanie ciężaru.
IV kwadrant: Prędkość (n) ujemna, moment obrotowy (M) dodatni – podnoszenie ciężaru w odwrotnym kierunku.

Przepływ energii w napędzie 4Q

Energia mechaniczna → Energia elektryczna (Tryb generatorowy): Powstająca energia mechaniczna jest zwracana do inwertera, co pozwala na oszczędności energetyczne.
Energia elektryczna → Energia mechaniczna (Tryb silnikowy): Energia z sieci zasila napęd, umożliwiając ruch obiektu.

Zastosowania napędów 4Q

Napędy 4Q znajdują zastosowanie w systemach, które wymagają zarówno precyzyjnej kontroli ruchu, jak i efektywnego zarządzania energią, takich jak:

Dźwigi i windy: Podnoszenie i kontrolowane opuszczanie ciężarów.
Taśmy transportowe: Dwukierunkowy ruch w systemach logistycznych.
Maszyny testowe: Odzyskiwanie energii w aplikacjach laboratoryjnych.

Przepływ energii w falowniku częstotliwościowym

Inwertery częstotliwościowe umożliwiają kontrolę przepływu energii w obu kierunkach – w trybie silnikowym (Motor Mode) i generatorowym (Generator Mode). Zrozumienie tych mechanizmów jest najważniejsze dla efektywnego wykorzystania energii.

Tryb silnikowy (Operation in Motor Mode)

W tym trybie energia elektryczna jest przekształcana na energię mechaniczną:

Przepływ energii: Energia z sieci trójfazowej (L1, L2, L3) trafia do prostownika, gdzie przekształcana jest na napięcie stałe (+Ug i – Ug) w szynie DC. Następnie falownik zamienia napięcie stałe na napięcie zmienne dostosowane do wymagań silnika trójfazowego (M).
Zastosowanie: Tryb ten jest używany do napędzania obciążeń, takich jak taśmy transportowe, pompy i wentylatory.

Tryb generatorowy (Operation in Generator Mode)

W tym trybie energia mechaniczna jest przekształcana na energię elektryczną:

Przepływ energii: Energia wytworzona przez silnik (np. w wyniku hamowania regeneracyjnego) trafia do falownika, a następnie do szyny DC.
Zjawisko wzrostu napięcia: Regeneracyjna energia powoduje wzrost napięcia na szynie DC. jeżeli napięcie przekroczy dopuszczalny limit (np. 785 V dla urządzeń 400 V), inwerter generuje komunikat o przepięciu.
Brak zwrotu energii do sieci: Ze względu na efekt diody w prostowniku, energia nie może być zwrócona do sieci zasilającej.

Ograniczenia i wyzwania

Przepięcia na szynie DC: Nadmiar energii regeneracyjnej może wymagać zastosowania rezystorów hamowania lub innych rozwiązań, aby bezpiecznie rozproszyć nadmiar energii.
Ograniczona regeneracja: W standardowych inwerterach przepływ energii zwrotnej do sieci jest zablokowany, co ogranicza pełną rekuperację.

Praktyczne zastosowania

Hamowanie regeneracyjne: Wykorzystywane w dźwigach, windach i systemach transportowych w celu odzysku energii podczas opadania lub zatrzymywania.
Optymalizacja energetyczna: Umożliwia zmniejszenie zużycia energii w systemach z dużą liczbą cykli hamowania.

Przekazywanie nadmiaru energii między napędami

W systemach wielonapędowych (z wieloma inwerterami) nadmiar energii generowany przez jeden napęd może być przekazywany do innego. To efektywne rozwiązanie pozwala na optymalizację energetyczną całego systemu.

Mechanizm przepływu energii

Napęd generujący nadmiar energii (Drive 1):
- Gdy napęd działa w trybie generatorowym (np. podczas hamowania), energia mechaniczna przekształcana jest w energię elektryczną i przekazywana na szynę DC.
- Nadmiar energii nie jest rozpraszany w rezystorach hamowania, ale przesyłany dalej.
Napęd odbierający energię (Drive 2):
- Energia zgromadzona na szynie DC może zostać wykorzystana przez inny napęd (np. działający w trybie silnikowym).
- Energia ta zasila silnik, zmniejszając zapotrzebowanie na energię z sieci.

Zalety rozwiązania

Łatwość implementacji: Mechanizm wymaga jedynie połączenia szyn DC między inwerterami.
Poprawa bilansu energetycznego: Zmniejsza się całkowite zużycie energii przez system, co przekłada się na oszczędności.

Ograniczenia rozwiązania

Ograniczenie do inwerterów trójfazowych: Mechanizm działa tylko w systemach z trójfazowymi inwerterami, które mają wspólną szynę DC.
Wymagana równowaga energetyczna: Nadmiar energii musi być w pełni wykorzystany przez inne napędy w czasie rzeczywistym, co wymaga precyzyjnego sterowania.

Praktyczne zastosowania

Systemy dźwigowe: Energia generowana podczas opuszczania ładunku przez jeden silnik może zasilać inny silnik podczas podnoszenia.
Linie produkcyjne: Napędy transportowe z hamowaniem regeneracyjnym przekazują energię do napędów pracujących w trybie silnikowym.
Automatyzacja przemysłowa: Optymalizacja energetyczna w maszynach z wieloma osiami ruchu.

Rozpraszanie nadmiarowej energii dzięki rezystora hamowania

Rezystor hamowania (RB) jest stosowany w inwerterach jako rozwiązanie do rozpraszania nadmiarowej energii generowanej podczas hamowania regeneracyjnego. Choć jest to skuteczna metoda, ma swoje zalety i ograniczenia.

Mechanizm działania

Powstawanie nadmiarowej energii:
- Podczas hamowania regeneracyjnego energia mechaniczna jest przekształcana na elektryczną.
- Ta energia zwiększa napięcie na szynie DC (+Ug i – Ug).
Rozpraszanie energii:
- Jeśli napięcie na szynie DC przekracza dopuszczalny poziom, nadmiar energii jest przekierowywany do rezystora hamowania.
- Rezystor zamienia energię elektryczną na ciepło, które jest rozpraszane w otoczeniu.

Zalety stosowania rezystora hamowania

Duża zdolność przeciążeniowa: Rezystor hamowania może przyjąć duże ilości energii w krótkim czasie, co czyni go idealnym rozwiązaniem dla dynamicznych aplikacji.
Niezależność od sieci: Rozpraszanie energii w postaci ciepła nie wymaga połączenia z siecią energetyczną.

Ograniczenia

Strata energii: Przekształcanie energii na ciepło jest nieefektywne energetycznie i stoi w sprzeczności z wymaganiami efektywności energetycznej.
Generowanie ciepła: Nadmiar ciepła może wymagać dodatkowych systemów chłodzenia, co zwiększa koszty i złożoność systemu.

Praktyczne zastosowania

Aplikacje dynamiczne: Rezystory hamowania są stosowane w systemach, gdzie często występuje szybkie hamowanie, np. w dźwigach, suwnicach i maszynach CNC.
Bezpieczeństwo: W systemach, w których przepięcia na szynie DC mogłyby uszkodzić komponenty, rezystor hamowania jest kluczowym elementem ochrony.

Alternatywy

W bardziej zaawansowanych systemach zamiast rozpraszania energii jako ciepło można zastosować:

Rekuperację energii: Zwrot energii do sieci lub do innych napędów w systemie.
Magazynowanie energii: Wykorzystanie akumulatorów lub superkondensatorów do przechowywania nadmiarowej energii.

Przekazywanie energii w systemach wielonapędowych

Schemat na ilustracji obrazuje mechanizm dzielenia się energią regeneracyjną pomiędzy napędami w systemie wielonapędowym. Jest to praktyczne rozwiązanie, które poprawia efektywność energetyczną i ogranicza straty energii.

Zasada działania

Generowanie energii: Gdy napęd działa w trybie generatorowym (np. hamowanie regeneracyjne), energia mechaniczna zamieniana jest na elektryczną. Energia ta jest przekierowywana na wspólną szynę DC (+Ug i -Ug).
Wykorzystanie energii: Inny napęd, pracujący w trybie silnikowym, korzysta z energii zgromadzonej na szynie DC do zasilania swojego silnika trójfazowego (M3). Dzięki temu zmniejsza się zapotrzebowanie na energię z sieci.

Zalety takiego rozwiązania

Poprawa efektywności: Zmniejsza zużycie energii z sieci elektrycznej, co przekłada się na niższe koszty operacyjne.
Eliminacja strat w rezystorach hamowania: Energia nie jest marnowana w postaci ciepła, ale przekazywana do innych napędów.
Zrównoważony system: Wspólna szyna DC umożliwia dynamiczne bilansowanie energii między napędami.

Ograniczenia i wymagania

Równowaga energetyczna: Aby system działał efektywnie, zapotrzebowanie na energię jednego napędu musi odpowiadać nadmiarowi energii wytwarzanemu przez drugi napęd.
Kompatybilność: Mechanizm działa wyłącznie w systemach z inwerterami trójfazowymi, które mogą dzielić szynę DC.

Praktyczne zastosowania

Takie rozwiązanie znajduje zastosowanie w przemysłowych liniach produkcyjnych, dźwigach oraz systemach przenośników taśmowych, gdzie wiele napędów pracuje w dynamicznych cyklach obciążenia.

Podsumowanie

Servo Drive i inwertery częstotliwościowe (VFD) odgrywają kluczową rolę w nowoczesnych systemach automatyzacji. Zapewniają precyzyjną kontrolę prędkości i momentu obrotowego, jednocześnie optymalizując zużycie energii. Technologia 87 Hz pozwala na rozszerzenie zakresu pracy silników, a napędy 4Q umożliwiają efektywne zarządzanie energiią. Przekazywanie nadmiarowej energii między napędami poprawia bilans energetyczny całego systemu. Rozpraszanie energii przez rezystory hamowania jest stosowane w dynamicznych aplikacjach. Wdrożenie tych technologii zwiększa efektywność, niezawodność i elastyczność rozwiązań przemysłowych. To inwestycja w przyszłość automatyzacji.

Jeśli nasz wpis Cię zainteresował zachęcamy do zapoznania się z naszą ofertą kursów online: https://www.controlbyte.pl/

Idź do oryginalnego materiału