Falowniki – oszczędność czy zbędny wydatek? Kiedy warto je stosować?
Silniki elektryczne indukcyjne lub prądu przemiennego obracają się z prędkością ustaloną przez liczbę biegunów wewnątrz silnika i dostarczaną moc. Falownik (napęd o zmiennej częstotliwości) to rodzaj sterownika silnika, który kontroluje prędkość silnika elektrycznego poprzez zmianę częstotliwości i napięcia. Częstotliwość jest bezpośrednio związana z prędkością obrotową silnika – im wyższa częstotliwość, tym wyższe obroty.
W Polsce zakłady energetyczne dostarczają energię przemienną o częstotliwości 50 Hz. Standardowy dwubiegunowy silnik prądu przemiennego pracujący z tą częstotliwością zapewnia nominalne obroty na poziomie 3000 rpm.
Jeśli aplikacja nie wymaga silnika elektrycznego pracującego z pełną prędkością 3000 rpm, co jest powszechne, istnieje kilka rozwiązań:
1. Użycie mechanicznego reduktora prędkości
Reduktor zmniejsza prędkość wyjściową poprzez zwiększenie momentu obrotowego – ilość zębów na wyjściu jest większa niż na wejściu.
2. Dodanie kolejnych zestawów biegunów
Sposób na zmniejszenie prędkości bez zmiany prędkości elektrycznej. Obecnie istnieją układy tranzystorowe, które umożliwiają włączanie i wyłączanie biegunów wewnątrz silników. Systemy te mogą być jednak skomplikowane i nie zapewniają precyzyjnej kontroli.
3. Wykorzystanie falownika
Falownik można skonfigurować tak, aby generował częstotliwość i napięcie, dopasowane do bieżącego obciążenia. Ważną cechą napędu o zmiennej częstotliwości jest to, że wraz ze zmianą wymagań dotyczących prędkości silnika w danej aplikacji, napęd może po prostu zwiększyć lub zmniejszyć prędkość silnika, w celu spełnienia nowych wytycznych, co nie byłoby możliwe przy zastosowaniu reduktora lub dodatkowych par biegunów.
Stosowanie falowników niesie ze sobą wiele korzyści, m.in.:
- Niższe zapotrzebowanie na moc przy starcie
- Kontrolowane przyspieszenie i zatrzymanie
- Regulowana prędkość działania
- Dynamiczna kontrola momentu obrotowego
- Autodiagnostyka i komunikacja
- Zaawansowana ochrona przed przeciążeniem
- Oszczędność energii
Zastosowanie przetwornicy częstotliwości może przyczynić się do oszczędności finansowych, poprzez kontrolowanie prędkości i dostosowywanie jej do określonego obciążenia w dowolnym momencie.
Jest to szczególnie przydatne w aplikacjach o zmiennym momencie obrotowym lub zmiennej prędkości, takich jak pompy, wentylatory, windy, systemy przenośnikowe.
Zastosowanie falownika do pracy z silnikiem o mocy 75 kW, pracującego przez 360 dni w roku, 12h dziennie może zaoszczędzić nawet blisko 12 tysięcy dolarów1.
Jakie silniki mogą być stosowane z falownikami?
Napędy o zmiennej częstotliwości mogą być stosowane z różnymi rodzajami silników:
- Silniki prądu stałego
- Synchroniczne silniki bezszczotkowe prądu przemiennego
- Asynchroniczne silniki pierścieniowe prądu przemiennego
- Asynchroniczne silniki klatkowe prądu przemiennego
- Synchroniczne silniki prądu przemiennego z magnesami trwałymi
Przed montażem falownika w danej aplikacji, należy się upewnić, że dany silnik lub silniki są przystosowane do pracy z przetwornicą częstotliwości, aby zapewnić wydajną i bezpieczną pracę.
Poniżej lista czynników, na które warto zwrócić uwagę przed zastosowaniem przetwornika częstotliwości.
- Uzwojenie silnika
Ze względu na swoje wewnętrzne funkcje, napędy VFD mogą powodować skoki napięcia o wysokiej częstotliwości w uzwojeniach silnika. Upewnij się, że izolacja uzwojenia silnika jest klasy F lub wyższej, aby ochronić wewnętrzne elementy silnika.
- Izolowane łożyska
Wspomniane powyżej skoki napięcia o wysokiej częstotliwości mogą powodować uszkodzenia nie tylko uzwojeń. To dodatkowe napięcie gromadzi się na wale silnika, powodując problemy ze smarowaniem łożyska, co ostatecznie prowadzi do jego uszkodzenia. Uszkodzeniom tym można zapobiec, instalując w silniku izolowane łożyska i pierścienie uziemiające wał.
- Wartości znamionowe prędkości
Ponieważ falowniki zmieniają częstotliwość, aby manipulować prędkością i momentem obrotowym silnika AC, mogą one uruchamiać silnik poza jego znamionowym zakresem prędkości (nie oznacza to jednak, że należy to robić). Podczas pracy silnika przy prędkościach niższych niż znamionowe, zmniejsza się wydajność układu chłodzenia. Jeśli silnik ma pracować z prędkością niższą niż podstawowa, konieczne może być zainstalowanie dodatkowego układu chłodzenia. Podczas pracy silnika z prędkością wyższą niż znamionowa, silnik będzie próbował pobierać dodatkową moc z falownika. Taki pobór mocy może prowadzić do przeciążenia i innych krytycznych uszkodzeń.
Co jest potrzebne do doboru falownika?
Przystępując do doboru falownika najlepiej zrobić zdjęcie tabliczki znamionowej silnika, z którym ma pracować. Znajdują się na niej wszelkie niezbędne informacje takie jak moc, napięcie, częstotliwość, prędkość znamionowa, współczynnik serwisowy, klasa izolacji.
Pozostałe niezbędne informacje do doboru właściwego rozwiązania to:
- Cykl pracy silnika.
- Zakres prędkości.
- Metoda sterowania (wymagany protokół komunikacyjny PLC, sygnał 4-20 mA itp.)
- Rodzaj aplikacji (stały lub zmienny moment obrotowy).
- Środowisko pracy (wysokość, temperatura otoczenia, wilgotność, praca na zewnątrz).
Na podstawie powyższych informacji jesteśmy w stanie dobrać falownik spełniający wszelkie wymagania aplikacji i otoczenia.
Podsumowanie
Zastosowanie przetwornika częstotliwości w aplikacjach o zmiennym momencie obrotowym lub zmiennej prędkości, niewątpliwie niesie za sobą wiele korzyści, w tym również finansowych. Przed jego instalacją, należy się jednak upewnić, że posiadany silnik elektryczny jest przystosowany do pracy z falownikiem. Jeżeli nie jesteś pewny – skontaktuj się z nami, doradzimy!
Kontakt
