W przemyśle spożywczym
Wiele procesów w nowoczesnym przemyśle spożywczym wymaga zastosowania napędów o zmiennej, precyzyjnie sterowanej prędkości. Do tego celu stosuje się różne metody i odpowiednie urządzenia. Zastosowanie układów z falownikami zasilającymi standardowe asynchroniczne silniki prądu zmiennego zapewnia w takich przypadkach idealną kombinację prostoty montażu i sterowania prędkością oraz minimum czynności obsługowych.

W napędach pomp i wentylatorów
Konieczność sterowania wielkością przepływu cieczy i gazów, w tym powietrza, występuje w wielu złożonych urządzeniach i przemysłowych liniach technologicznych. Zmianę wielkości przepływu można uzyskać stosując różne powszechnie znane metody. Każda z nich ma specyficzne zalety i wady.

Podstawowe metody sterowania przepływem
Przed wskazaniem zalet układów napędowych z falownikiem warto dokonać przeglądu alternatywnych metod sterowania wielkością przepływu.
Powietrze

• Dławienie
  Zmiana przepływu osiągana jest dzięki przysłanianiu lub otwieraniu elementu dławiącego. Moc wentylatora jest w przybliżeniu stała, co prowadzi do strat energii. Urządzenie dławiące może być źródłem hałasu.

• Obejście
  Metoda podobna do poprzedniej, ale część powietrza kierowana jest z powrotem do wentylatora. Położenie przysłony kanału powrotnego określa ilość powietrza przepływającego w obiegu zamkniętym. Rozwiązanie to jest mniej hałaśliwe ale poprawia sprawność energetyczną w niewielkim stopniu.

  

PŁYNY

• Zawór dławiący
  Wielkość przepływu zależy od oporów występujących w zaworze. Sprawność energetyczna jest niska, zwłaszcza przy małych przepływach. Jako urządzenie mechaniczne zawór ulega zużyciu oraz wymaga czynności obsługowych.
• Obejście Część przepływu zawracana jest na sąsiednie pompy. Sprawność układu jest niska ponieważ pompa pracuje stale przy pełnym obciążeniu.

 



• Włączanie okresowe
  Wielkość przepływu zależna jest od stosunku czasu gdy silnik nie pracuje do czasu gdy silnik pracuje. Sterowanie jest trudne, a częste rozruchy i zatrzymania mogą prowadzić do zmniejszenia trwałości silnika i pompy.

  

ZASADA DZIAŁANIA FALOWNIKA
Falownik jest urządzeniem elektronicznym stosowanym do sterowania prędkością obrotową standardowych asynchronicznych silników trójfazowych. Prędkość obrotowa jest proporcjonalna do wielkości napięciowego lub prądowego sygnału wejściowego. Zastosowanie falownika zapewnia równocześnie szereg funkcji dodatkowych, a przede wszystkim zabezpieczenie przeciw przeciążeniu, zwarciom w obwodach silnika oraz sterowanie procesem rozruchu i hamowania. Prędkość obrotowa silnika prądu zmiennego jest nominalnie proporcjonalna do częstotliwości napięcia zasilającego. Aby sterować tą prędkością konieczna jest zmiana częstotliwości. Uzyskuje się to przy użyciu dwóch stopni mocy - pierwszy prostuje prąd zmienny, drugi zbudowany z tranzystorowego mostka przełączającego przetwarza prąd stały w zmienny.

Sterowanie szerokością impulsów napięciowych przez chwilowe załączania tranzystorów, pozwala na ukształtowanie prądu sinusoidalnego o określonej częstotliwości i napięciu skutecznym i w konsekwencji sterowanie prędkością obrotową silnika. Moment na wale silnika prądu zmiennego określa wyrażenie:

M = (U/f)2

M - moment
U - napięcie
f - częstotliwość

Utrzymanie stałej wartości momentu, co jest właściwe w wielu napędach elementów maszyn wymaga utrzymania stałej wartości stosunku U/f. W innych zastosowaniach, zwłaszcza w przypadku pomp i wentylatorów obciążenie zwiększa się z kwadratem prędkości obrotowej. W takich wypadkach napięcie utrzymywane jest jako proporcjonalne do f2. W rezultacie napięcie przy małych częstotliwościach jest obniżone, co redukuje nagrzanie silnika.

PODSTAWOWE UKŁADY POLACZEN

Jeden silnik - jeden falownik
Najprostszy system składa się z jednego silnika zasilanego z pojedynczego falownika, którego częstotliwość nastawiona jest potencjometrem zamontowanym na falowniku. Alternatywnie, prędkość obrotowa może być ustawiana zdalnie, na przykład przez sterownik komputerowy z zastosowaniem lokalnego potencjometru do precyzyjnego ustalania częstotliwości i prędkości obrotowej silnika.

Wiele silników - wiele falowników
Niektóre systemy wymagają zastosowania wielu napędów pracujących z tą samą lub regulowaną prędkością różną, ale proporcjonalną. Taki układ z falownikiem nadrzędnym jest często spotykany w układach przenośników nie sprzężonych ze sobą mechanicznie. Jeżeli stosunek między prędkością obrotową wału silnika, a prędkością liniową elementu urządzenia nie jest stały, możliwe jest odpowiednie przeskalowanie falownika.

Wiele silników - jeden falownik
W zastosowaniach gdzie wiele silników powinno pracować nominalnie z ta samą zmienną prędkością obrotową, możliwe jest ich zasilanie z pojedynczego falownika. Szereg wentylatorów w tunelu grzewczym (piecu) jest typowym przykładem. Całkowity prąd wielu silników jest wyższy niż prąd pojedynczego silnika o tej samej mocy. W związku z tym prawidłowy dobór falownika musi być oparty o sumę prądów nominalnych silników, a nie o sumę ich mocy. Zabezpieczenia falownika przed przeciążeniem oparte jest o jego obciążalność prądową. Dlatego też falownik nie może zabezpieczać przed przeciążeniem silników połączonych równolegle. Konieczne jest więc zastosowanie odpowiednich, indywidualnych urządzeń zabezpieczających przez przeciążeniem każdy silnik indywidualnie.

Sygnały sterujące prędkością obrotową

W przypadkach przedstawionych powyżej prędkość obrotowa silnika jest proporcjonalna do napięcia i nastawiana jest potencjometrem. W praktyce prędkość można sterować różnymi metodami.

Analogowe 0-10V (bez lub z sygnałem kierunku pracy)
Prędkość proporcjonalna do napięcia.

Analogowe -10V / 0 / +10V
Prędkość proporcjonalna do napięcia.
Przy wartościach ujemnych silnik pracuje do tyłu, a przy dodatnich do przodu.

Pętla prądowa 4-20mA, 0-20mA, 20-4mA, 20-0mA
Prędkość proporcjonalna do sygnału prądowego. Ta metoda jest szczególnie przydatna przy transmisji sygnału na duże odległości w układach gdzie spadek napięcia może stwarzać problemy.

Łącze szeregowe
Łącze szeregowe jest doskonałym środkiem do sterowania falowników ze sterowaniem cyfrowym zwłaszcza umieszczonych z dala od nadrzędnego sterownika. Oczywiście sterownik musi być przystosowany do komunikacji przy użyciu tego samego protokołu komunikacyjnego. Falowniki Eurotherm Drives przystosowane są do protokołu EI Bisynch. Komunikacja szeregowa jest również stosowana przy podłączaniu do układów rejestrujących.

Nastawy programowe
W pewnych zastosowaniach silniki muszą pracować tylko przy pewnych ustalonych prędkościach obrotowych. Płynna regulacja prędkości obrotowej jest zbędna. W takich przypadkach falowniki może być zaprogramowany do pracy przy tych prędkościach wybieranych cyfrowo. System nie wymaga wtedy zewnętrznych potencjometrów, czy też kosztownych sterowników logicznych.