Jeśli jesteś początkującym, który dopiero uczy się o silnikach elektrycznych, być może często słyszałeś termin „VFD”. Ale czym jest VFD i jak działa, rodzaje VFD, zalety i wady VFD oraz powiązane zastosowania VFD to podstawy VFD, których możesz nie znać zbyt dobrze, a ten artykuł jest odpowiedni dla początkujących.
Co to jest VFD?
VFD lub przemiennik częstotliwości to rodzaj urządzenia elektronicznego używanego do sterowania silnikiem indukcyjnym lub synchronicznym prądu przemiennego poprzez zmianę częstotliwości i napięcia jego zasilania do napędzania silnika. Pomimo tego, że napęd steruje częstotliwością i napięciem dostarczanym do silnika, zwykle nazywamy to sterowaniem prędkością, ponieważ wynikiem jest regulacja prędkości silnika. Inne nazwy VFD to: napęd z regulacją prędkości, napęd z regulacją częstotliwości, napęd o zmiennym napięciu/zmiennej częstotliwości, napęd AC, napęd Microdrive, falownik, napęd o zmiennej prędkości.
Przemiennik częstotliwości to urządzenie używane w systemie napędowym składającym się z trzech głównych podsystemów: silnika prądu przemiennego, zespołu głównego sterownika napędu i interfejsu przemiennik/operator.
- Silnik prądu przemiennego, zwykle trójfazowy silnik indukcyjny, ale czasami silnik jednofazowy lub synchroniczny.
- Sterownik napędu głównego, wykorzystujący półprzewodnikowy układ przetwarzania energoelektronicznego, składający się z trzech różnych podsystemów: przekształtnika mostka prostownikowego, łącza DC i falownika.
- Interfejs monitorowania i sterowania, który zapewnia operatorowi lub sterownikowi PLC środki do uruchamiania i zatrzymywania silnika, regulacji prędkości, zmiany kierunku itp. Interfejs oferuje również informacje o działaniu silnika, stanie napędu itp. Komunikacja ze sterownikiem PLC może być realizowana przez szereg protokołów komunikacji szeregowej lub przez przestarzałe wejścia i wyjścia przekaźnikowe w połączeniu z sygnałami analogowymi 4-20mA lub 0-10V.
Jak działa VFD?
Aby zrozumieć, jak działa VFD, poniżej wyjaśnię cztery główne części VFD: prostownik, szynę DC/link DC, falownik i obwód sterujący.
1. Prostownik
Konwertuje wejście prądu przemiennego z głównego źródła zasilania na prąd stały. Ta część może być jednokierunkowa lub dwukierunkowa w zależności od używanej aplikacji, takiej jak czterokwadrantowa praca silnika. Wykorzystuje diody, tyrystory, tranzystory i inne elektroniczne urządzenia przełączające.
2. Szyna DC/łącze DC
Łącze DC przechowuje moc przekonwertowaną przez prostownik, usuwając tętnienia z pulsującego wyjścia DC prostownika i zapewniając płynne napięcie DC. Składa się głównie z kondensatorów do filtrowania tętnień z pulsującego prądu stałego i przechowywania go. Może również zawierać cewkę indukcyjną, która zależy od rodzaju fal.
3. Falownik
Ta część składa się z przełączników elektronicznych, takich jak tranzystory, tyrystory, tranzystory IGBT itp. Odbiera ona stały prąd stały z łącza DC i zamienia go na prąd przemienny o regulowanej częstotliwości, który jest następnie dostarczany do silnika. Wykorzystuje techniki modulacji, takie jak modulacja szerokości impulsu, w celu zmiany częstotliwości wyjściowej w celu sterowania prędkością silnika indukcyjnego.
4. Obwód sterowania
Składa się z jednostki mikroprocesorowej. Przesyła sygnały do prostownika, szyny DC i falownika, a także odbiera sygnały z tych części. Wykorzystuje sygnały do włączania i wyłączania urządzeń półprzewodnikowych falownika, dostarcza różne sygnały sterujące do obsługi falownika i monitoruje stan pracy falownika w celu zapewnienia funkcji zabezpieczających.
Rodzaje VFD
Na rynku dostępne są dwa główne typy napędów o zmiennej częstotliwości: mechaniczne i elektryczne.
Rodzaje mechanicznych VFD
1. Napęd o zmiennym skoku
Ten VFD jest napędem pasowym i kołowym, w którym średnicę podziałową jednego lub obu kół pasowych można regulować zgodnie z określonymi wymaganiami. Mechanizm ten narzuca wielokrotne przełożenie, co ostatecznie skutkuje zmienną prędkością wyjściową.
2. Napęd trakcyjny
W tym VFD średnica ścieżki styku należącej do dwóch współpracujących metalowych rolek jest regulowana, co daje wielokrotny stosunek, a tym samym zmienną prędkość wyjściową.
3. Napęd hydrostatyczny
Ten VFD składa się z pompy hydraulicznej wyporowej i silnika. Objętość płynu wydalanego z pompy jest zmieniana za pomocą zaworów lub poprzez zmianę przemieszczenia.
4. Hydrauliczny napęd wiskotyczny
W tym VFD pewna liczba dysków na wale wejściowym jest dociskana do odpowiedniej liczby dysków na wale wyjściowym. Między tymi dyskami znajduje się cienka warstwa oleju. Zmieniając docisk ściskanych tarcz, można zmienić przenoszenie momentu obrotowego, uzyskując w ten sposób pracę ze zmienną prędkością.
5. Hydrauliczny napęd hydrodynamiczny lub sprzęgło hydrauliczne
W tym VFD dwa wirniki są połączone ze sobą za pomocą płynu hydraulicznego. Zmieniając objętość płynu, można zmieniać stopień sprzężenia od pierwotnego do wyjściowego, co skutkuje różnymi prędkościami. Jest to najczęściej stosowany mechaniczny VFD w przemyśle.
VFD podłączony do silnika
Rodzaje napędów elektrycznych
Sprzęgło prądów wirowych
Ten VFD znajduje się pomiędzy silnikiem o stałej prędkości a aplikacją napędzaną przez silnik. Składa się z wirnika o stałej prędkości i wirnika o zmiennej prędkości z małą szczeliną powietrzną pomiędzy nimi. Uzwojenie wzbudzające znajduje się na jednym z wirników, aby wytworzyć pole magnetyczne, które łączy wirniki ze sobą i określa przenoszony moment obrotowy.
Napędy prądu stałego
Napęd prądu stałego obejmuje konwerter prądu stałego przekształcający dostarczoną moc prądu przemiennego na napięcie prądu stałego o zmiennej wielkości i dostarczający go do uzwojenia twornika silnika prądu stałego. Napędy prądu stałego zazwyczaj wykorzystują technologię tyrystorową i mogą być używane we wszystkich powyższych zastosowaniach w obszarach innych niż niebezpieczne.
Napędy AC
Istnieją trzy główne typy VFD, z których wszystkie konwertują wejście AC na DC, a następnie zmieniają DC na zmienne wyjście AC za pomocą falownika.
- Konwersja bezpośrednia: Ten typ obejmuje cyklokonwertery i inne topologie macierzowe, w których wejściowy prąd przemienny jest konwertowany na zmienny prąd przemienny w jednym etapie. Te VFD są najczęściej cyklokonwerterami, które sterują silnikami synchronicznymi ze wzbudzeniem szczotkowym lub bezszczotkowym. Te VFD są używane w aplikacjach, w których prędkość silnika jest niska, a wymagany moment obrotowy jest wysoki.
- Źródło prądu: Zachowuje się jak generator prądu stałego, wytwarzając prawie kwadratową falę prądu. VFD źródła prądu do sterowania silnikami synchronicznymi jest również określany jako falownik z komutacją obciążenia (LCI) VFD i zazwyczaj wykorzystuje technologię tyrystorową. Jego reakcja jest znacznie wolniejsza ze względu na źródło indukcyjne, więc nadaje się tylko do obciążeń typu wentylatorów i pomp.
- Źródło napięcia: W przemienniku VSI wyjście DC konwertera mostka diodowego przechowuje energię w szynie kondensatorów, aby dostarczyć sztywne napięcie wejściowe do falownika. Napędy VSI współpracują zarówno z silnikami indukcyjnymi, jak i synchronicznymi. Inwertery źródła napięcia to jedyny wybór dla napędów powyżej określonej mocy znamionowej. Zdecydowana większość napędów to napędy typu VSI z wyjściem napięciowym PWM. Obecnie najpowszechniejszymi elektrycznymi przemiennikami częstotliwości stosowanymi w przemyśle są falowniki prądu przemiennego, które wykorzystują falownik źródła napięcia (VSI).
Zalety VFD
Oszczędność kosztów energii i energii
Systemy silnikowe zużywają ponad 65% energii elektrycznej zużywanej obecnie w przemyśle. Optymalizacja systemów sterowania silnikami za pomocą VFD może prowadzić do znacznego zmniejszenia zużycia energii przez urządzenia. Zwłaszcza w pompach, wentylatorach i sprężarkach, VFD mogą osiągnąć znaczne oszczędności kosztów energii.
Sprawna i płynna kontrola
Dzięki sterowaniu silnikiem przy najbardziej wydajnej prędkości, błędy są redukowane. VFD umożliwia płynniejsze działanie taśmy i przenośnika, co eliminuje drgania podczas rozruchu i zmniejsza naprężenia termiczne i mechaniczne silnika i napędu pasowego.
Wysoki współczynnik mocy
Obwód korekcji współczynnika mocy wbudowany w łącze DC przetwornicy VFD zmniejsza potrzebę stosowania dodatkowego sprzętu do korekcji współczynnika mocy. Eliminuje to potrzebę stosowania dodatkowych kosztownych baterii kondensatorów.
Typowy silnik prądu przemiennego może mieć współczynnik mocy przy pełnym obciążeniu między 0,7 a 0,8. Wraz ze spadkiem obciążenia silnika zmniejsza się współczynnik mocy. Szczególnie w zastosowaniach bez obciążenia silniki indukcyjne mają bardzo niski współczynnik mocy. Niski współczynnik mocy powoduje niskie wykorzystanie mocy ze względu na duże straty mocy biernej.
Przedłuż żywotność sprzętu i zmniejsz konserwację
VFD zapewnia lepszą ochronę silnika przed problemami, takimi jak przeciążenie elektryczne, ochrona fazy, podnapięcie, przepięcie itp. dzięki zoptymalizowanej kontroli częstotliwości i napięcia silnika. Używanie VFD do rozruchu obciążenia chroni silnik lub napędzane obciążenie przed „nagłym szokiem” związanym z rozruchem w linii. Płynny rozruch eliminuje duże zużycie paska, przekładni i łożysk. Dodatkową korzyścią jest zmniejszenie lub wyeliminowanie uderzeń hydraulicznych dzięki płynnym cyklom przyspieszania i zwalniania. Może to pomóc przedłużyć żywotność sprzętu i zminimalizować przestoje spowodowane konserwacją.
Wady VFD
- Początkowy koszt VFD jest zazwyczaj wyższy niż innych urządzeń do regulacji prędkości.
- Interfejs użytkownika VFD jest nadal bardziej złożony niż w przypadku rozrusznika krzyżowego.
- Indukowane harmoniczne: Przemiennik częstotliwości jest obciążeniem nieliniowym, które indukuje harmoniczne w linii energetycznej. Przemienniki częstotliwości, zwłaszcza napędy o dużej mocy, wymagają filtrów harmonicznych na swoich liniach, aby to zniekształcenie nie było przenoszone do potencjalnie wrażliwych urządzeń elektrycznych.
(źródło zdjęcia: gibbonsgroup.co.uk)
Zastosowania VFD
W rzeczywistości nie ma aplikacji, w której silnik prądu przemiennego nie nadaje się do pracy z VFD. Jeśli VFD oferuje wiele korzyści dla określonej aplikacji, a koszt jest rozsądny, wówczas aplikacja VFD jest akceptowalna.
Zastosowanie VFD w aplikacjach wentylatorów i pomp HVAC może zaoszczędzić energię i koszty energii, a w zastosowaniach przemysłowych może poprawić kontrolę momentu obrotowego i prędkości silnika, a także poprawić ochronę silnika.
