FREKVENČNI PRETVORNIK

Zmanjševanje stroškov v življenjski dobi K1

Regulacija hitrosti delovanja pogonov s frekvenčnim pretvornikom, v primerjavi z mehanskimi sistemi, prihrani veliko energije in znatno zmanjša obrabo. Oboje zmanjšuje operativne stroške v industriji in na področju upravljanja zgradb. Zmanjšanje porabe energije je še posebej očitno pri aplikacijah, kjer motor poganja kvadratična bremena, kot so ventilatorji, črpalke in kompresorji. Pogosteje kot pogonski sistemi delujejo pod delno obremenitvijo, večji so potencialni prihranki pri energiji in vzdrževanju. Zaradi velikega potenciala pri prihranku energije je vračilna doba za vgradnjo frekvenčnih pretvornikov kratka.

Še pred nekaj leti so inženirji in upravljavci obratov pri izbiri elektromotornih sistemov upoštevali večinoma samo stroške nabave in vgradnje različnih komponent. Danes je kompletna analiza vseh stroškov vedno pogostejša in pomembna pri načrtovanju. Analize z imenom “stroški življenjskega cikla” (LCC) vključuje vse stroške, ki jih povzročajo elektromotorni sistemi v svoji življenjski dobi. Analiza tako ne vključuje le stroškov nabave in vgradnje, temveč tudi stroške porabe energije, obratovanja, vzdrževanja, izpadov, in posledičnih zaustavitev proizvodnje, ter stroške na račun varstva okolja in demontaže. Dva dejavnika, stroški energije in stroški vzdrževanja, odločilno vplivata na stroške življenjskega cikla in prav zato upravljalci iščejo najučinkovitejše rešitve.

Zmanjšanje stroškov porabe energije

Eden največjih dejavnikov pri izračunu stroškov življenjskega cikla je porabe energije. Ta je najbolj izrazita v primeru velikega števila ur obratovanja.
Večina obstoječih aplikacij ima velik potencial za varčevanje z energijo. To izhaja iz dejstva, da je večina sistemov predimenzioniranih za povprečno uporabo, saj so zasnovani tako, da obvladajo tudi najbolj neugodne razmere (npr. hlajenje prostora v času poletne vročine). Poraba energije je odvisna od hitrosti vrtenja elektromotorja. Direktno na napajanje priključen asinhronski motor ves čas delujejo s frekvenco napajalnega omrežja 50 Hz.

Energetsko slab primer spreminjanja volumetričnega pretoka je mehanska regulacija z dušilko ali ventilom. Pri tej rešitvi črpalka stalno deluje s polnimi obrati in tako po nepotrebnem porablja energijo. To lahko primerjamo z vožnjo avtomobila, ki vedno deluje s polnim plinom, za zmanjševanje hitrosti pa uporablja zavoro.

Frekvenčni pretvorniki ponujajo možnost za delovanje motorja z nižjo frekvenco, kar pretoke posledično prilagodi potrebam in ustrezno zmanjša porabo energije. Kadar govorimo o linearnih bremenih (npr. transportnih trakovih), je korelacija med zmanjšano frekvenco in porabo energije linearna. Večje prihranke lahko doseženo pri regulaciji črpalk in ventilatorjev, kjer je, zaradi kvadratične karakteristike bremen, odnos med hitrostjo vrtenja in porabo energije kubičen. To pomeni, da črpalka, ki deluje s polovico nazivne vrtilne hitrosti, porabi le osmino energije, ki je sicer potrebna za nazivno delovanje.

Vsako zmanjšanje hitrosti delovanja motorja tudi neposredno zmanjša akustični hrup, kar je zlasti pomembno v nočnem času. Uporaba frekvenčnih pretvornikov tudi omogoča in olajša stalno obratovanje sistema natančno na optimalni obratovalni točki.

Nižji stroški vzdrževanja

Vklop opreme, priključene neposredno na omrežje, ustvarja velike tokovne špice, ki so lahko od šest- do osemkrat večje od nazivnega toka. Frekvenčni pretvorniki omejijo zagonski tok na nazivno vrednost toka motorja tudi ob zagonu. Na ta način odpravijo vršne vklopne tokove in se tudi izognejo padcem napetosti zaradi prehodnih velikih obremenitev napajalnega omrežja (ob vklopih velikih motorjev). Znižanje vršne porabe zmanjšuje priključeno obremenitev sistema, kot jo vidi dobavitelj električne energije, kar zmanjšuje stroške in odpravlja potrebo po dodatnih krmilnikih.

Frekvenčni pretvorniki nežno in gladko zaženejo in ustavijo motorje. Za razliko od motorjev, ki delujejo neposredno iz omrežja, se ti ne soočajo s tokovnimi in mehanskimi sunki, kar zmanjša obremenitev celotnega pogonskega sklopa. Če vzamemo za primer sklop, kjer motor poganja črpalko, so to lahko motor, menjalnik, sklopka, črpalka ter cevni sistem in tesnila. Na ta način nadzor hitrosti znatno zmanjša obrabo in podaljša življenjsko dobo vseh vgrajenih komponent. Stroški vzdrževanja in popravil so zaradi daljših obratovalnih obdobij in manjše obrabe materiala nižji. Frekvenčni pretvorniki tudi omogočajo aplikacijsko spremljanje stanja sistema in planiranje preventivnih vzdrževalnih posegov.

Frekvenčni pretvorniki nežno in gladko zaženejo in ustavijo motorje. Za razliko od motorjev, ki delujejo neposredno iz omrežja, se ti ne soočajo s tokovnimi in mehanskimi sunki, kar zmanjša obremenitev celotnega pogonskega sklopa. Če vzamemo za primer sklop, kjer motor poganja črpalko, so to lahko motor, menjalnik, sklopka, črpalka ter cevni sistem in tesnila. Na ta način nadzor hitrosti znatno zmanjša obrabo in podaljša življenjsko dobo vseh vgrajenih komponent. Stroški vzdrževanja in popravil so zaradi daljših obratovalnih obdobij in manjše obrabe materiala nižji.



AVTOR: Aleš Petriček, direktor podjetja Petros d.o.o.

Frekvenčni pretvornik

Razvoj frekvenčnih pretvornikov poteka vse od šestdesetih let 20. stoletja, ko je Danfoss predstavil prvo napravo za nadzor hitrosti vrtenja asinhronskih motorjev. Poimenovali so jo Velotrol. Od takrat je razvoj mikroprocesorjev in polprevodniške tehnologije omogočil hiter razvoj tehnologije, a tudi nižanje cen ključnih komponent.

Osnovna zgradba

Glavna funkcija frekvenčnega pretvornika je transformacija konstantne omrežne frekvence in napetosti (npr. 50 Hz, 400 V) v želeno spremenljivo (050 Hz, 0400 V).

Osnovni funkcijski bloki frekvenčnega pretvornika so prikazani za zgornji sliki. Pretvorba konstantne omrežne napetosti in frekvence v želeno v grobem poteka v treh korakih. Najprej usmernik sprejme eno- ali trifazno izmenično omrežno napetost ter jo pretvori v enosmerno. Nato se na kondenzatorju v DC tokokrogu stabilizira in gladi pulzirajoča enosmerna napetost iz usmernika. V zadnjem koraku pa razsmernik konstantno enosmerno napetost transformira v želeno izmenično. Celotno delovanje nadzira kontrolno vezje.

Usmernik

Frekvenčni pretvornik je preko usmernika povezan z omrežjem. Priključen je lahko na eno- (1 x 230 V/50 Hz) ali trifazno (3 x 400 V/50 Hz) konstantno izmenično napetost. Sestavljen je iz diod, tiristorjev, kombinacije obeh ali bipolarnih tranzistorjev (IGBT). Od proizvajalca, namena uporabe in močnostnega ranga je odvisno, kakšna je njegova zgradba. Najpogosteje so uporabljeni taki opcija ki omogočajo pretok energije v eno smer (iz omrežja proti vmesnem tokokrogu). Druga opcija so t. i. Active Front End usmerniki, ki omogočajo pretok energije v obe smeri, torej tudi vračanje v omrežje v primerih, ko je priklopljeni motor v generatorskem režimu delovanja.

V aplikacijah do 30 kW večinoma najdemo nekontrolirane usmernike, sestavljene iz šestih diod v B6 mostičnem vezju. Na tak način izmenično napetost pretvorimo v pulzirajočo enosmerno. V frekvenčnih pretvornikih, moči 37 kW in več, najdemo polkontrolirane usmernike, ki so sestavljeni iz treh diod in treh tiristorjev. Slednji omogočajo nadzorovano proženje vhodnega toka in njegovo omejitev; rezultat je postopno polnjenje kondenzatorjev v srednjem tokokrogu. Možna je tudi tretja opcija, in sicer polno kontroliranih usmernikov s šestimi tiristorji, ki pa se, zaradi prevelikih izgub in motenj, povzročenih ob prevajanju tiristorjev pri kratkih periodah prevajanja, praktično ne uporablja.

Vmesni tokokrog

Vmesni, srednji oz. DC tokokrog ločuje usmernik in razsmernik frekvenčnega pretvornika. Kondenzatorji v njem skrbijo za glajenje pulzirajoče enosmerne napetosti ter shranjevanje energij. To je koristno ob kratkotrajnih padcih napajalne napetosti ali vračanju energije v frekvenčni pretvornik, ko je motor v generatorskem režimu delovanja. V takih primerih, na primer ob zaustavljanju motorjev, se v srednjem tokokrogu dviguje enosmerna napetost in kopiči energija, ki pa je tam omejena. Ob previsoki napetosti zavorni modul energijo preusmeri na zunanji zaviralni upor. Pomembna komponenta boljših frekvenčnih pretvornikov je tudi DC dušilka, ki pomaga pri zmanjševanju harmonskih motenj in gladi tokovno valovanje, kar podaljšuje življenjsko dobo vmesnega tokokroga, še posebej kondenzatorjev.

Razsmernik

Razsmernik predstavlja zadnje dejanje pri generiranju želene frekvence in napetosti na izhod frekvenčnega pretvornika. Ko je motor priključen direktno na električno omrežje, je njegovo optimalno delovanje povezano z idealnimi delovnimi pogoji v nazivni delovni točki. Frekvenčni pretvornik v nasprotju s tem omogoča optimalno delovanje skozi celoten hitrostni razpon, kar doseže z nadzorovanjem razmerja frekvence in napetosti ter s primerno magnetizacijo motorja. Vse to se generira v razsmerniku.

Razsmernik je zgrajen iz šestih tranzistorjev, najbolj so razširjeni IGBT bipolarni tranzistorji. Za razliko od tiristorjev omogočajo višje tokove in napetosti ter hitrejše preklopne frekvence, ki v pulzno širinski modulaciji PWM iz enosmerne napetosti generirajo izmenično napetost. Ta mora biti kar se da podobna sinusu, saj pravilnejša sinusna krivulja pomeni manjše izgube v motorju.

Kontrolno vezje

V kontrolnem vezju se nahaja pamet frekvenčnega pretvornika. Do zdaj predstavljeni usmernik, vmesni tokokrog in razsmernik, ne glede na proizvajalca, temeljijo na istem principu. Nasprotno pa je kontrolno vezje del frekvenčnega pretvornika, kjer posamezni proizvajalec združi in predstavi vse svoje znanje ter izkušnje. Tu potekajo nadzor polprevodniških elementov, izmenjava podatkov med frekvenčnim pretvornikom in krmilnikom ter nadzor glavnih funkcij, da frekvenčni pretvornik lahko prikazuje stanja, opozarja na napake ter pri tem uspešno ščiti sebe in motor. Poznamo več načinov nadzora, najbolj je razširjen vektorski nadzor delovanja. Ta poleg nadzora napetosti in frekvence omogoča tudi nadzor faznega kota napetosti. Deluje lahko v odprti zanki ali s pomočjo povratne informacije. Pri zahtevnejših ali enostavnejših aplikacijah so na voljo tudi druge, naprednejše možnosti regulacije.

Omenjeno je že bilo, da se osnovna zgradba frekvenčnih pretvornikov med proizvajalci ne razlikuje bistveno. So pa velike razlike pri kakovosti vgrajenih elementov in konservativnosti dimenzioniranja
ključnih komponent. 

AVTOR: Aleš Petriček, direktor podjetja Petros d.o.o.