W różnych sytuacjach może być konieczne przekształcenie częstotliwości prądu początkowego na prąd o regulowanej częstotliwości napięcia. Jest to wymagane na przykład podczas pracy silników asynchronicznych w celu zmiany ich prędkości obrotowej. W tym artykule omówiony zostanie cel i zasada działania przemiennika częstotliwości.
Zawartość
Co to jest przetwornica częstotliwości
Przetwornica częstotliwości (FC) to urządzenie elektryczne, które przekształca i płynnie reguluje prąd przemienny jednofazowy lub trójfazowy o częstotliwości 50 Hz na podobny rodzaj prądu o częstotliwości od 1 do 800 Hz. Takie urządzenia są szeroko stosowane do sterowania pracą różnych asynchronicznych maszyn elektrycznych, na przykład do zmiany częstotliwości ich obrotu. Istnieją również urządzenia do zastosowania w przemysłowych sieciach wysokiego napięcia.
Proste przetwornice regulują częstotliwość i napięcie zgodnie z charakterystyką U/f, złożone urządzenia wykorzystują sterowanie wektorowe.
Przetwornica częstotliwości jest urządzeniem złożonym technicznie i składa się nie tylko z przetwornicy częstotliwości, ale również posiada zabezpieczenie przed przetężeniem, przepięciem i zwarciem. Ponadto taki sprzęt może mieć dławik, aby poprawić kształt fali i filtry, aby zmniejszyć różne zakłócenia elektromagnetyczne. Istnieją przetworniki elektroniczne, a także urządzenia do maszyn elektrycznych.
Zasada działania przemiennika częstotliwości
Przetwornica elektroniczna składa się z kilku głównych elementów: prostownika, filtra, mikroprocesora i falownika.
Prostownik ma kilka diod lub tyrystorów, które prostują prąd początkowy na wejściu do konwertera. Falowniki diodowe charakteryzują się całkowitym brakiem tętnień, są niedrogimi, ale jednocześnie niezawodnymi urządzeniami. Przetwornice tyrystorowe stwarzają możliwość przepływu prądu w obu kierunkach i umożliwiają zwrot energii elektrycznej do sieci podczas hamowania silnika.
Filtr stosowany w urządzeniach tyrystorowych w celu zmniejszenia lub wyeliminowania tętnienia napięcia. Wygładzanie odbywa się za pomocą filtrów pojemnościowych lub indukcyjno-pojemnościowych.
Mikroprocesor – jest ogniwem sterującym i analizującym konwerter. Odbiera i przetwarza sygnały z czujników, co pozwala na regulację sygnału wyjściowego z przemiennika częstotliwości z wbudowanym regulatorem PID.Ponadto ten element systemu rejestruje i przechowuje dane o zdarzeniach, rejestruje i zabezpiecza urządzenie przed przeciążeniami, zwarciami, analizuje stan pracy oraz wyłącza urządzenie w przypadku pracy awaryjnej.
falownik napięcie i prąd służą do sterowania maszynami elektrycznymi, czyli do płynnego sterowania częstotliwością prądu. Takie urządzenie wytwarza „czystą sinusoidę”, co pozwala na zastosowanie go w wielu gałęziach przemysłu.
Zasada działania elektronicznego przemiennika częstotliwości (falownika) składa się z następujących etapów pracy:
- Wejściowy sinusoidalny prąd przemienny jednofazowy lub trójfazowy jest prostowany przez mostek diodowy lub tyrystory;
- Za pomocą specjalnych filtrów (kondensatorów) sygnał jest filtrowany w celu zmniejszenia lub wyeliminowania tętnień napięcia;
- Napięcie jest przetwarzane na falę trójfazową o określonych parametrach za pomocą mikroukładu i mostka tranzystorowego;
- Na wyjściu falownika impulsy prostokątne zamieniane są na napięcie sinusoidalne o określonych parametrach.
Rodzaje przemienników częstotliwości
Istnieje kilka typów przemienników częstotliwości, które są obecnie najbardziej powszechne w produkcji i użytkowaniu:
Przetwornice elektromaszynowe (elektroindukcyjne): są stosowane w przypadkach, gdy użycie elektronicznych FC jest niemożliwe lub niewłaściwe. Strukturalnie takie urządzenia są silnikami asynchronicznymi z wirnikiem fazowym, które działają w trybie generator-przetwornica.
Urządzenia te są konwerterami sterowanymi skalarnie. Na wyjściu tego urządzenia wytwarzane jest napięcie o określonej amplitudzie i częstotliwości, aby utrzymać określony strumień magnetyczny w uzwojeniach stojana.Stosuje się je w przypadkach, gdy nie jest konieczne utrzymywanie prędkości wirnika w zależności od obciążenia (pompy, wentylatory i inne urządzenia).
Przetwornice elektroniczne: szeroko stosowany w każdych warunkach pracy dla różnych urządzeń. Takie urządzenia są wektorowe, automatycznie obliczają wzajemne oddziaływanie pól magnetycznych stojana i wirnika i zapewniają stałą wartość prędkości wirnika niezależnie od obciążenia.
- cyklokonwertery;
- cykloinwertery;
- Falownik z pośrednim łączem DC:
- Przetwornica częstotliwości źródła prądu;
- Przetwornica częstotliwości źródła napięcia (z modulacją amplitudy lub szerokości impulsu).
Według zakresu sprzęt może być:
- dla urządzeń o mocy do 315 kW;
- konwertery wektorowe o mocy do 500 kW;
- Urządzenia przeciwwybuchowe do użytku w środowiskach wybuchowych i zapylonych;
- przetwornice częstotliwości montowane na silnikach elektrycznych;
Każdy typ przemiennika częstotliwości ma pewne zalety i wady i ma zastosowanie do różnych urządzeń i obciążeń, a także warunków pracy.
Przetwornica częstotliwości może być sterowana ręcznie lub zewnętrznie. Sterowanie ręczne odbywa się z panelu sterowania falownika, który może regulować prędkość lub zatrzymać pracę. Sterowanie zewnętrzne realizowane jest za pomocą automatycznych systemów sterowania (APCS), które mogą sterować wszystkimi parametrami urządzenia i umożliwiają przełączanie schematu lub trybu pracy (poprzez FC lub bypass).Również sterowanie zewnętrzne pozwala na zaprogramowanie pracy konwertera w zależności od warunków pracy, obciążenia, czasu, co pozwala na pracę w trybie automatycznym.
Dlaczego silnik elektryczny może wymagać przetwornicy częstotliwości?
Zastosowanie przemienników częstotliwości umożliwia obniżenie kosztów energii elektrycznej, kosztów amortyzacji silników i urządzeń. Mogą być stosowane do tanich silników klatkowych, co obniża koszty produkcji.
Wiele silników elektrycznych pracuje w warunkach częstej zmiany trybów pracy (częste rozruchy i zatrzymania, zmiana obciążenia). Przetwornice częstotliwości pozwalają na płynne uruchomienie silnika oraz zmniejszenie maksymalnego momentu rozruchowego i nagrzewania się sprzętu. Ma to znaczenie np. w maszynach wyciągowych i pozwala ograniczyć negatywny wpływ nagłych rozruchów, a także wyeliminować kołysanie ładunku i szarpnięcia podczas zatrzymywania.
Za pomocą falownika można płynnie regulować pracę dmuchaw, pomp oraz pozwala zautomatyzować procesy technologiczne (stosowane w kotłowniach, w górnictwie, w branży naftowej i rafinacji ropy naftowej, w wodociągach i innych przedsiębiorstwach).
Zastosowanie przetwornic częstotliwości w przenośnikach, przenośnikach, windach pozwala wydłużyć żywotność ich elementów, ponieważ zmniejsza szarpnięcia, wstrząsy i inne negatywne czynniki podczas uruchamiania i zatrzymywania sprzętu. Mogą płynnie zwiększać i zmniejszać prędkość obrotową silnika, wykonywać ruch wsteczny, co jest ważne w przypadku dużej liczby precyzyjnych urządzeń przemysłowych.
Zalety przemienników częstotliwości:
- Zmniejszenie kosztów energii: poprzez zmniejszenie prądów rozruchowych i dostosowanie mocy silnika do obciążenia;
- Zwiększenie niezawodności i trwałości sprzętu: pozwala wydłużyć żywotność i wydłużyć okres od jednego serwisu technicznego do drugiego;
- Umożliwia realizację zewnętrznej kontroli i zarządzania sprzętem ze zdalnych urządzeń komputerowych oraz możliwość integracji z systemami automatyki;
- Przetwornice częstotliwości mogą pracować z dowolną mocą obciążenia (od jednego kilowata do kilkudziesięciu megawatów);
- Obecność specjalnych komponentów w składzie przemienników częstotliwości pozwala chronić przed przeciążeniami, zanikiem fazy i zwarciem, a także zapewnić bezpieczną pracę i wyłączenie sprzętu w sytuacjach awaryjnych.
Oczywiście, patrząc na taką listę zalet, można się zastanawiać, dlaczego nie zastosować ich do wszystkich silników w przedsiębiorstwie? Odpowiedź tutaj jest, niestety, oczywista, ale jest to wysoki koszt chastotnikowa, ich instalacji i regulacji. Nie każda firma może sobie pozwolić na te koszty.
Podobne artykuły:
