Falowniki w systemach napędowych

-- wtorek, 20 marzec 2012

Falowniki w nowoczesnych systemach napędowych stosuje się nie tylko w celu precyzyjnego regulowania prędkości obrotowej silnika elektrycznego. Coraz większą uwagę zwraca się bowiem na oszczędność energii, którą można uzyskać właśnie dzięki przetwornicom częstotliwości.

Falownik (ang. inverter), nazywany także przemiennikiem lub przetwornicą częstotliwości, jest urządzeniem elektrycznym, które pozwala na regulowanie częstotliwości wyjściowej. Jeśli w falowniku zastosowanie znajduje modulacja szerokości impulsów PWM (Pulse Width Modulation), to jest możliwe regulowanie wartości skutecznej napięcia wyjściowego. Falowniki są stosowane w nowoczesnym sprzęcie AGD, na przykład w pralkach, gdzie również uwzględnia się regulowanie obrotów silnika poprzez zmianę częstotliwości wejściowej w układzie zasilania napędu.

Jeszcze do niedawna falowniki bazowały na elementach tyrystorowych. W nowoczesnych urządzeniach tego typu uwzględnia się zaawansowane procesory sygnałowe. To właśnie one odpowiadają za kontrolowanie parametrów silnika, który jest zasilany. Istotną rolę w nowoczesnych falownikach odgrywają tranzystory IGBT. Rzadziej, zazwyczaj w urządzeniach o niższych mocach, stosuje się tranzystory polowe.

Ze względu na rodzaj sterowania parametrów wyjściowych falownika należy wymienić modele o charakterystyce liniowej U/f=const., która jest uwzględniana na przykład w przenośnikach taśmowych i podnośnikach. W wentylatorach czy pompach odśrodkowych zastosowanie znajduje charakterystyka kwadratowa U/f²=const.

Spektrum zastosowań silników elektrycznych sterowanych falownikami jest bardzo obszerne. Obejmuje między innymi linie produkcyjne, prasy mechaniczne, rozdrabniacze, przenośniki, kompresory, czy też centrale wentylacyjne.

Jedno- czy trójfazowe?

W większości fabryk używa się falowników zasilanych napięciem 3x400 V. Dużym uznaniem cieszą się także przemienniki częstotliwości o napięciu zasilania 1x230 V. Rzadziej używa się falowników o parametrach 3x500 V. Jako producentów urządzeń tego typu wymienia się przede wszystkim firmy: Siemens, Danfoss, ABB, Lenze oraz Moeller Electric.

Jaki jest zakres mocy falowników używanych w firmach? W przypadku przetwornic częstotliwości zasilanych napięciem 3x400 V moc mieści się pomiędzy 0,5 a 600 kW. Moc modeli o napięciu wejściowym 3x500 V wynosi od 4 do 500 kW.

Kryteria wyboru

Dla nabywających przetwornice częstotliwości ważna jest współpraca z enkoderem, a także rodzaj i liczba wejść oraz wyjść. W przypadku przetwornic o dużych mocach szczególny nacisk kładzie się na dostępność serwisu. Istotna pozostaje szybka reakcja serwisowa oraz możliwość skorzystania podczas naprawy z falownika zastępczego. W procesie wyboru falownika istotne jest oprogramowanie konfiguracyjne oraz prosta obsługa. Zdarza się, że o wyborze decydują odgórnie przyjęte standardy, a co za tym idzie konkretne marki, a nawet określone modele falowników. Takie sytuacje bardzo często zdarzają się w przypadku dużych międzynarodowych korporacji, w których dąży się do ujednolicenia infrastruktury przemysłowej we wszystkich fabrykach. Niejednokrotnie falowniki są dostarczane wraz z liniami technologicznymi. Falowniki, które stanowią element szerszego systemu automatyki, najczęściej są nadzorowane przez sterownik PLC, regulatory lub układy przekaźnikowe. Oprócz typowych akcesoriów do falowników niejednokrotnie używa się kart synchronizacji oraz dodatkowych narzędzi programistycznych.

Usterki

Jako najczęściej występujące usterki falowników wymienia się uszkodzenia elementów mocy, w tym modułów IGBT i tranzystorów. Uszkodzenia w tym zakresie niejednokrotnie przejawiają się w postaci przebicia w mostku. Zwraca się uwagę na wypalanie elementów silnoprądowych. Jednak często uszkodzenia są spowodowane zalaniem urządzenia wodą lub działaniem pyłów. Przyczyną awarii falowników może być uszkodzenie zasilania spowodowane wyschniętymi kondensatorami. Niejednokrotnie dochodzi do przegrzania falownika, jednak w efekcie zainstalowania urządzenia w miejscu o zbyt wysokiej temperaturze otoczenia. Sporadycznie uszkodzeniu ulega zabezpieczenie na wejściu falownika oraz system chłodzenia bazujący na wentylatorach. Awarii, w opinii użytkowników, ulegają wyjścia cyfrowe i analogowe. Usterką może być również uszkodzenie elektroniki sterującej przetwornicą częstotliwości. W dużej mierze, według użytkowników, awarie falowników są spowodowane uszkodzeniami mechanicznymi lub działaniem czynników zewnętrznych, takich jak woda czy zapylenie. Użytkownicy dobrze oceniają funkcjonalność używanych przetwornic częstotliwości. Nabyć można falownik ściśle dopasowany do konkretnej aplikacji przemysłowej. Jednak wybór w zakresie prostych przetwornic częstotliwości, z funkcjami rozruchu oraz pracy z dwoma lub trzema prędkościami, powinien być większy. Sporadycznie zdarza się, że do zakupionych przemienników nie dołączono szczegółowej dokumentacji technicznej.

Współpraca z automatyką

Zakres pętli prądowej w aplikacjach współpracujących z falownikiem najczęściej mieści się pomiędzy 4 a 20 mA. Jednak niejednokrotnie jest używana pętla 0–20 mA oraz 4–24 mA. Wejścia i wyjścia bezpotencjałowe falowników są stosowane w sterowaniu funkcjami „start” oraz „stop”. Wyjścia bezpotencjałowe uwzględnia się w sygnalizacji zbyt dużej lub małej prędkości napędu oraz w sterowaniu przekaźnikiem lub tranzystorem. Protokół Modbus RTU traci uznanie na rzecz Ethernetu i Profibusa. Jednak standard Ethernet niejednokrotnie wymaga zastosowania w falownikach dodatkowej karty, czy też modułu komunikacyjnego. Mówi się, że standard Can Open stanowi najtańsze rozwiązanie komunikacyjne. Sporadycznie w procesie wymiany danych z falownikiem uwzględnia się protokół Interbus, Profinet oraz sygnał częstotliwości.

Jak podaje Tomasz Kawka z firmy Introl, ze względu na miniaturyzację elektroniki i zastosowanie nowej klasy procesorów sygnałowych, a co za tym idzie szybkości obliczeń, producenci mają możliwość zintegrowania szeregu funkcji sterujących i kontrolnych w jednym urządzeniu. Z drugiej strony można zauważyć tendencję budowy urządzeń specjalizowanych dla nietypowych aplikacji napędowych.

Sprzedaż

Oceniając 2011 r., można sformułować wniosek, że większość firm odnotowała wzrost sprzedaży falowników. Wielkość wzrostu sprzedaży wyniosła od 18 do nawet 65%. Rynek napędów elektrycznych znacznie powiększył się w zakresie małych i średnich mocy. Niejednokrotnie falowniki są nabywane w kontekście oszczędności energii. Fabryki często wdrażają systemy monitoringu mediów, chcąc zredukować zużycie prądu. W ramach oszczędności wysłużone układy sterowania silnikami asynchronicznymi zastępuje się falownikami. Specjaliści podają, że w kontekście rosnących kosztów energii elektrycznej inwestycja w przetwornice częstotliwości zwróci się w perspektywie kilkunastu miesięcy. Na uwagę zasługują przy tym dodatkowe korzyści, takie jak zwiększenie elastyczności napędu, a co za tym idzie wydajności procesu produkcyjnego. Producenci i dostawcy podają, że przemienniki ze sterowaniem skalarnym cechują się wyższym poziomem sprzedaży w porównaniu z modelami ze sterowaniem wektora pola w otwartej pętli.

Kierunki rozwoju

Zdaniem Marka Sudolskiego z firmy Apator Control podstawowe kierunki rozwoju to coraz większa integracja funkcji bezpieczeństwa z falownikami. Zmierza się do komunikacji opartej na sieci Ethernet. Celem jest również większa elastyczność w konfiguracji napędów do konkretnych zastosowań.

Na rynku przetwornic częstotliwości przeważają modele o prostej konstrukcji, bazujące na sterowaniu skalarnym U/f. W nowoczesnych konstrukcjach stawia się na miniaturyzację urządzeń, przy jednoczesnym poszerzaniu ich funkcjonalności. Istotny kierunek rozwoju to również przetwornice projektowane z myślą o konkretnych branżach przemysłu.

W opinii Mirosława Lisa z firmy Apolis producenci falowników dążą do udoskonalenia sterownika zdarzeń wbudowanego w oprogramowanie falownika oraz zastosowania prostych sterowników PLC w falowniku (eliminacja dodatkowych urządzeń). Na uwagę zasługuje również dedykowane oprogramowanie dla poszczególnych aplikacji. Kierunek rozwoju falowników to prosty sposób uruchomienia napędu poprzez zminimalizowanie algorytmu wprowadzania danych dotyczących aplikacji.

W nowoczesnych urządzeniach dąży się do oszczędności energii elektrycznej, a także do ograniczania zakłóceń, które są generowane przez falowniki. Na uwagę zasługuje ciągłe poszerzanie możliwości komunikacyjnych bazujących na protokołach Modbus, Profibus czy też Ethernet. W falownikach zwiększa się liczba wejść i wyjść oraz funkcji związanych z bezpieczeństwem napędu i aplikacji, w jakiej będzie on pracował.

Dążenia projektantów falowników obejmują również ciągłe poszerzanie i udoskonalanie opcji związanych ze wsparciem technicznym. Stąd też w nowoczesnych rozwiązaniach przewiduje się aplikacje, które krok po kroku prowadzą przez proces programowania przetwornicy. Możliwa jest przy tym szybka reakcja na zdarzenia alarmowe poprzez podpowiedzi systemowe, które są wyświetlane na panelu. Tym sposobem nie ma potrzeby korzystania z dokumentacji technicznej przetwornicy.

Michał Prynda z firmy EA Online podaje, że podstawowy kierunek rozwoju to większa liczba wejść i wyjść, stosowanie regulatora PID, a także funkcji arytmetycznych, bitowych i matematycznych. Projektanci falowników dążą do ujednolicenia sposobu konfiguracji i oprogramowania, a także standardu komunikacji w falownikach wszystkich producentów.

Nowości

W nowoczesnych przemiennikach częstotliwości na uwagę zasługuje funkcja bezpiecznego wyłączenia momentu, zastosowana w falownikach firmy Stoeber. Funkcjonalność w tym zakresie jest zgodna z wymaganiami kategorii 3 normy EN 954-1. Istnieje możliwość wyłączenia falownika na dwa sposoby – poprzez zdjęcie sygnału zezwolenia na pracę napędu lub wyłączenie, bazujące na kontroli stopnia końcowego przez przekaźnik bezpieczeństwa. To właśnie przekaźnik bezpieczeństwa jest odpowiedzialny za odłączenie sekwencji kluczującej tranzystory mocy falownika. Przydatne rozwiązanie konstrukcyjne, szczególnie sprawdzające się w trudnych warunkach otoczenia, stanowi chłodzenie pasywne, zastosowane na przykład w falownikach Alitvar 32 firmy Schneider Electric. Model ten wyposażono w Bluetooth.

W falownikach serii Astraada Drive GD300 nacisk położono na kompaktowość rozwiązania. Stąd też przewidziano wbudowane filtry wejściowe, moduł hamujący, a także panel z potencjometrem cyfrowym. Podaje się, że tym sposobem zredukowano gabaryty nawet o 50% względem serii CHF100A. W urządzeniach tych poszerzono również możliwości komunikacyjne poprzez protokół Profibus i Ethernet.

W falownikach Gefran wprowadzono system AFE Activ Front End. To właśnie dzięki niemu jest możliwy zwrot energii oraz utrzymywanie wysokich parametrów jakościowych sygnału wejściowego. Jak podaje Grzegorz Święcicki z firmy Elmark Automatyka, w falownikach z serii PowerFlex 750, firmy Rockwell Automation, przewidziano nie tylko funkcję bezpiecznego wyłączania momentu silnika, ale również monitoring prędkości bezpiecznej, co zapewnia dostosowanie się do poziomu bezpieczeństwa w zależności od wymagań użytkownika.

Interesujące rozwiązanie stanowią falowniki, dzięki którym jest możliwe sterowanie dwiema pompami w stałym układzie lub w układzie dwóch lotnych pomp. W sterowaniu dwóch pomp w stałym układzie przetwornica kontroluje pracę napędów, w zależności od ciśnienia lub przepływu. Jedna z pomp ma regulowaną wydajność, a druga jest załączana bezpośrednio na sieć w stałej konfiguracji (wydajności). Jako specjalistyczne funkcje należy wymienić ochronę przed suchoobiegiem czy uderzeniem hydraulicznym, czyli wystąpieniem nadmiernego ciśnienia w rurociągu, podczas rozruchu pomp lub ich zatrzymywania. Dzięki falownikom tego typu pompy są chronione również przed przekroczeniem maksymalnego ciśnienia w sieci.

Mariusz Snowacki z firmy HF Inverter Polska podaje, że warto zwrócić uwagę na unowocześnioną funkcję autotuningu silnika. Dostępna jest ona nie tylko w serii przetwornic E-2000, wyposażonych w sterowanie wektorowe, ale także w serii E-1000 ze sterowaniem skalarnym. Funkcja autotuningu silnika umożliwia stworzenie przez przetwornicę częstotliwości pełnego modelu matematycznego silnika elektrycznego, co bezpośrednio wpływa na poprawę jakości pracy układu napędowego, a co najważniejsze, na znaczący spadek jego energochłonności. Dodatkowo podczas wieloletniej eksploatacji silnika elektrycznego zmieniają się jego parametry, takie jak rezystancja uzwojeń czy indukcyjność, a dzięki funkcji autotuning układ napędowy nie traci swoich parametrów początkowych, co ma korzystny wpływ na minimalizowanie energochłonności silnika elektrycznego w czasie jego użytkowania.

Z myślą o urządzeniach dźwigowych produkowane są falowniki PowerFlex 700 marki Allen Bradley firmy Rockwell Automation. Funkcja TorqProve pozwala na sterowanie momentem silnika i hamulcem mechanicznym w urządzeniach dźwigowych. Rozwiązanie to zapewnia sterowanie obciążeniem, również podczas awarii hamulca mechanicznego. W przypadku jego uszkodzenia falownik tak steruje napędem, aby opuszczał on ciężar stopniowo, z jednoczesnym monitorowaniem poszczególnych etapów włączania hamulca, aż do momentu, gdy ciężar będzie w bezpiecznym miejscu. W zależności od modelu automatyczna kontrola momentu oraz stanu hamulca odbywa się z zastosowaniem enkodera lub bez jego użycia. Przemiennik jest w stanie zabezpieczyć układ przed niewłaściwą prędkością silnika w zależności od obciążenia, poślizgu hamulca, usterek odchyleń prędkości, a także błędów enkodera i utraty fazy na wyjściu. Istotną kwestię stanowi możliwość konfiguracji zapewniającej prędkości dojazdowe. Bezpieczeństwo obsługi urządzeń dźwigowych znacząco poprawia również funkcja szybkiego zatrzymania. Wejścia falownika są przystosowane do odbioru sygnałów z krańcówek dojazdowych i granicznych.

Co jeszcze

Firma B&R Automatyka Przemysłowa oferuje falowniki z interfejsem sieci Powerlink. Są one dostępne w zakresie mocy od 0,37 do 500 kW. Model z tej serii, oznaczony jako P84, cechuje się wbudowanymi kanałami wejść/wyjść cyfrowych i analogowych. Do urządzenia można również zastosować interfejs enkodera, co przyda się zwłaszcza w aplikacjach wymagających dużych prędkości i sterowania momentem obrotowym.

Firma Lenze na 2013 r. zaplanowała premierę nowej serii falowników i700. Mają stanowić proste serwo kierowane do szerokiego kręgu odbiorców. Do tej pory Lenze specjalizowało się w rozwiązaniach (falownikach) aplikacyjnych.

Falowniki Omron z serii CIMR-E7, z oferty firmy TME Transfer Multisort Elektronik, zostały zaprojektowane z myślą o aplikacjach, w których pojawia się zmienny moment obrotowy. Są to na przykład wentylatory i pompy odśrodkowe. Falownik wyposażono w sterowanie V/f. Istotną rolę odgrywa odporność na przeciążenie, które wynosi 110% przez jedną minutę normalnej pracy. W urządzeniu zwraca się uwagę na uniwersalny algorytm oszczędzania energii, cichą pracę, a także konfigurację 12-impulsową do niskoprądowych harmonicznych. Oprogramowanie CX-Drive umożliwia konfigurowanie parametrów. Obudowa jest metalowa. Wbudowano również filtr RFI.

3 w 1

Na rynku pojawiły się motoreduktory, które składają się z silnika, przekładni oraz falownika. Poprzez integrację poszczególnych komponentów napędowych i sterujących zyskano kompaktową budowę urządzenia. Motoreduktory tego typu sprawdzają się przede wszystkim w liniach transportu bliskiego. Zalet wynikających z aplikacji zintegrowanych jest wiele. Zyskuje się możliwość standaryzacji systemów napędowych oraz uproszczone planowanie i projektowanie. Oferowane są wersje, których powierzchnie zostały przystosowane do wymagań sanitarnych. W niektórych modelach nie ma możliwości rozprzestrzeniania się bakterii pod wpływem zawirowań powietrza. Istotną rolę odgrywa wysoki stopień ochrony. Podkreśla się niski poziom hałasu. Jest on uzyskany dzięki rezygnacji z wentylatorów.

Modele z serii Movigear firmy Sew-Eurodrive to motoreduktory składające się z silnika, przekładni oraz falownika. Motoreduktory tego typu stanowią nieodzowny element linii produkcyjnych w przemyśle motoryzacyjnym i spożywczym. Niejednokrotnie używa się ich również w logistyce lotniskowej. W konfiguracji urządzenia istotną rolę odgrywa oprogramowanie, które pozwala na konfigurowanie systemu. Jako jego zalety wymienia się przede wszystkim możliwość stosowania różnych nośników komunikacyjnych. W oprogramowaniu przewidziano edytor umożliwiający tworzenie wizualizacji dopasowanych do potrzeb klienta oraz diagnostyki dostosowanej do konkretnej aplikacji.

Rynek falowników

Daniel Duda z firmy Sew-Eurodrive Polska mówi: – Konkurencja jest dość spora. Wielu dostawców ściąga falowniki z Chin, dzięki czemu uzyskują bardzo niskie ceny sprzedaży, lecz tracą sporo na jakości i możliwościach falowników (do bardzo prostych zastosowań).

W opinii Tomasza Kochanowskiego z firmy Astor stały rozwój rynku falowników powoduje, że panuje na nim intensywna konkurencja, a liczba producentów i dystrybutorów działających na tym rynku jest kilka razy większa niż przykładowo na pokrewnym rynku sterowników PLC. Wymusza to na producentach konieczność stałego rozwoju produktów i poszukiwania nowych zastosowań dla napędów elektrycznych, przy jednoczesnym utrzymaniu konkurencyjnej ceny. Niewątpliwie szansą na dalszy rozwój tego rynku jest stale rosnąca branża ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) oraz zastosowanie falowników przy budowie systemów inteligentnych budynków (BMS).

Rynek producentów i dostawców falowników w Polsce jest bardzo różnorodny pod względem konstrukcji urządzeń, a także ich funkcjonalności i przeznaczenia. Jednak pomimo dużej konkurencji rynek jest wciąż chłonny. Oprócz tego, że dominują liderzy rynku, to jednak swoje miejsce mają również mniejsi producenci. Ceny urządzeń są porównywalne. W opinii Rafała Witkowskiego z Centrum Elektroniki Stosowanej CES rynek falowników w Polsce jest bardzo zróżnicowany. W obecnej sytuacji tylko dostawcy zapewniający kompleksową ofertę są w stanie utrzymać silną pozycję na rynku.

Jak wybrać falownik?

W procesie wyboru falownika należy wziąć pod uwagę prąd znamionowy przy napięciu znamionowym silnika. W napędach elektrycznych często podaje się dwa rodzaje napięcia i dwa różne prądy, w zależności od sposobu połączenia. Przy wyborze istotną rolę odgrywa sposób regulacji i połączenia silnika. Nie bez znaczenia pozostaje zakres częstotliwości, w tym częstotliwość maksymalna, a także przeciążalność prądowa. Należy wybrać odpowiedni rodzaj: wyświetlacza, wejść sterujących oraz sterowania. W aplikacjach przemysłowych nie bez znaczenia pozostają możliwości komunikacyjne z innymi urządzeniami. Kluczową rolę odgrywa również proste programowanie.

Pamiętać należy również o wyborze odpowiedniego przewodu łączącego falownik z silnikiem. Stąd też kluczowy jest przede wszystkim wpływ rodzaju kabla na wypadkowe obciążenie falownika. Nie bez znaczenia pozostaje jakość i budowa żył przewodzących, a także odporność izolacji kabla na oddziaływanie impulsów napięcia o stromych zboczach. W prawidłowym połączeniu silnika z przetwornicą częstotliwości jest ważna kompatybilność elektromagnetyczna kabla.

Raport powstał w oparciu o dane uzyskane z ankiety przeprowadzonej w lutym 2012 r. wśród czytelników miesięcznika Inżynieria i Utrzymanie Ruchu Zakładów Przemysłowych. Oprócz tego przy tworzeniu raportu użyto informacji pochodzących od producentów i dostawców falowników. Raport nie jest pełnym obrazem rynku.

Autor: Damian Żabicki