Przetwornice częstotliwości w automatyce przemysłowej – budowa, dobór, zastosowanie
86
wtedy, gdy stosowane są silniki nietypowe (np. z miedzianą klatką).
Napędy z przetwornicami częstotliwości o zmieniającym się obciążeniu
silnika przy ustalonej prędkości wału napędowego mogą maksymali-
zować swoją sprawność poprzez zmniejszenie napięcia zasilania silnika.
Wtedy wraz ze zmniejszaniem obciążenia silnika maleje składowa bierna
mocy pobieranej przez silnik, co poprawia współczynnik mocy silnika
cos
j
. Aby zwiększyć sprawność silnika przy zmiennym obciążeniu,
stosuje się procedurę AEO (ang.
Automatic Energy Optimization
), która
w napędach z silnikami małych i średnich mocy umożliwia obniżenie
zużycia energii elektrycznej do 5%.
x x x
Sterowanie napędami z przetwornicami częstotliwości
Komunikacja wewnętrzna między podzespołami obwodu mocy przetwor-
nicy częstotliwości a jej obwodami sterowania i zabezpieczeń jest realizo-
wana binarnymi protokołami wymiany danych. Wyspecjalizowany proce-
sor sygnałowy (DSP), np. TMS320F2812, obsługuje zewnętrzne sygnały
sterowania i zabezpieczeń, a także zarządza pracą modulatora MSI, zgod-
nie z przyjętymmodelem sterowania wektorowego silnika.
Standardowym zewnętrznym protokołem komunikacyjnym, wykorzy-
stywanym do wymiany danych ze sterownikami programowymi PLC,
jest RS485. Komunikacja szeregowa RS485 (Modbus) umożliwia budowę
rozproszonego systemu napędowego, w którym kolejne przetwornice
częstotliwości łączą się ze sobą dwuprzewodowym kablem sygnałowym
(ekranowaną skrętką) o długości do 1200 m. Jeśli wymagania aplikacyjne
wymuszają stosowanie innych protokołów komunikacji przewodowej ze
sterownikami PLC (np. Profibus), to są one zwykle dostępne jako opcje.
Sterowanie napędami wielosilnikowymi, w których każdy silnik jest zasi-
lany z indywidualnej przetwornicy częstotliwości, ale wszystkie pracują
na wspólny, elastyczny lub sztywny, wał napędowy, wykorzystuje konfi-
gurację master-slave. Przetwornica częstotliwości master jest sterowana
prędkościowo, tzn. referencją prędkości. Zadana przez sterownik PLC
prędkość obrotowa silnika dołączonego do przetwornicy ustala średnią
prędkość wielosilnikowego zespołu napędowego, np. czołowego bębnów
przenośnika taśmowego o regulowanej prędkości taśmy (w kopalni węgla
brunatnego), rurowego korownika dłużyc (w zakładzie papierniczym), czy
wywrotnicy wagonowej (w elektrowni). Wszystkie pozostałe przetwor-
nice częstotliwości napędu grupowego przeznaczone są do silników typu
slave i pracują w trybie momentowym, w którym następuje wzajemne
wyrównywanie momentów obciążeń wszystkich silników. Moment refe-
rencyjny dla przetwornic częstotliwości slave jest zadawany z przetwor-
nicy częstotliwości master. Prędkości obrotowe silników slave zmieniają
się w zadanym przedziale zależnie od elastyczności i sprężystości wspól-
nego wału napędowego maszyny. Opisana konfiguracja master-slave jest
realizowana z zastosowaniem nowoczesnych przetwornic o rozwiniętym
oprogramowaniu wewnętrznym, dostosowanym do sterowania zespołami
wielosilnikowymi. Na rys. 4. przedstawiono przebieg rozruchu zespołu
trzech silników (w napędzie czołowym) nadkładowo-węglowego, taśmo-
wego przenośnika powierzchniowego. Widoczne jest na nim samoczynne
wyrównanie momentów napędowych wszystkich silników, a prędkość
wypadkowa taśmy przenośnika jest zadawana ze sterownika PLC do prze-
twornicy częstotliwości master w taki sposób, aby nie powodować nad-
miernego napinania taśmy w czasie rozruchu przenośnika. Zaznaczone są
okresy: rozruchu taśmy przenośnika (A) i zatrzymywania wybiegiem (B).
x x x
Negatywne oddziaływanie przetwornicy częstotli-
wości na silnik i sieć zasilania
W uproszczeniu można sformułować stwierdzenie, że współczesna napę-
dowa przetwornica częstotliwości to w pełni funkcjonalny, wyspecjali-
zowany komputer składający się z binarnego podzespołu sygnałowego
(DSP) i binarnego zespołu mocy (falownika). Podstawowym mankamen-
tem binarnego (0/1) charakteru napięcia falownika, którym zasilany jest
silnik, jest występowanie: napięć zaburzeń różnicowych VDM – ang.
Voltage Differential Mode
(zaburzenia międzyfazowe) oraz napięć zaburzeń
wspólnych VCM – ang.
Voltage Common Mode
(zaburzenia doziemne).
Napięcie zaburzeń wspólnych VCM wymusza wysokoczęstotliwościowy
prąd upływu doziemnego, który płynie przez uziemiony ekran kabla silni-
kowego, a tym samym występuje w systemie ochrony przeciwporażenio-
wej PE. Stosowanie ekranowanych kabli silnikowych wynika z konieczno-
ści spełnienia wymagań EMC. Przy braku ekranowania kabli silnikowych
trzeba zachować odpowiednie odległości między ekranowanymi prze-
wodami sygnałowymi i nieekranowanymi kablami silnikowymi, aby nie
zakłócać komunikacji ze sterownikami PLC. Stosowanie odpowiednich
filtrów na zasilaniu przetwornicy częstotliwości oraz po stronie silnikowej
umożliwia wyeliminowanie napięć zaburzających VDM i VCM z napię-
cia zasilania silnika. Zagadnienie to jest złożone i wykracza poza niniej-
szy artykuł [4]. Należy podkreślić, że metody minimalizujące negatywne
skutki napięcia zaburzeń wspólnych VCM zależą od układu sieciowego
transformatora (TN lub IT) zasilającego przetwornicę częstotliwości.
Przetwornice pobierają z transformatora zasilającego odkształcony (niesi-
nusoidalny) prąd fazowy. Harmoniczne prądu fazowego transformatora
to nieparzyste i niepodzielne przez trzykrotności częstotliwości napięcia
sieci zasilania, dlatego mają charakter niskoczęstotliwościowy. Nie wystę-
puje tu przesunięcie harmonicznej podstawowej prądu fazowego wzglę-
dem napięcia fazowego transformatora, gdyż stopniem wejściowym
przetwornic częstotliwości jest 6-plusowy prostownik diodowy, obcią-
żony baterią kondensatorów. Moc bierna silnika nie wpływa do sieci zasi-
lania lecz krąży pomiędzy silnikiem i baterią kondensatorów za pośredni-
ctwem diod zwrotnych falownika.
Z rys. 5. wynika, że z sieci zasilania pobierana jest jedynie moc czynna,
której wartość zależy od momentu obciążenia silnika. Moc bierna silnika,
wykorzystywana do budowy w nim strumienia magnetycznego, zależy
od wartości napięcia jego zasilania i krąży między baterią kondensato-
rów przetwornicy częstotliwości i silnikiem. Do transformatora wpływa
jedynie moc bierna wyższych harmonicznych prądu fazowego, zwana też
mocą odkształconą, która powoduje zwiększenie strat czynnych w kab-
lach zasilania przetwornicy częstotliwości i w transformatorze (P = R · I
2
).
Dąży się do ograniczenia odkształceń prądów fazowych poprzez stoso-
wanie kilkuprocentowych dławików instalowanych po stronie zasilania
rys. J. Szymański
Rys. 4. Przebieg rozruchu powierzchniowego przenośnika taśmowego o regulowanej prędkości ta-
śmy z trzema silnikami (2 silniki – pierwszy bęben napędowy, 1 silnik – drugi bęben napędowy) [3]
