Przetwornice częstotliwości - falowniki
Przemiennik częstotliwości, znany również jako napęd o zmiennej częstotliwości (VFD) lub napęd o regulowanej prędkości, to urządzenie kontrolujące prędkość silnika elektrycznego poprzez zmianę częstotliwości i napięcia dostarczanej do niego mocy. Mówiąc prościej, działa jak wyrafinowane pokrętło silnika, umożliwiając dostosowanie szybkości jego działania.
Podstawowa zaleta przetwornicy częstotliwości polega na jej zdolności do zwiększania efektywności energetycznej i optymalizacji wydajności silnika. Dynamicznie dostosowując prędkość silnika do rzeczywistych wymagań zadania, przetwornica częstotliwości zapobiega niepotrzebnemu zużyciu energii. Jest to szczególnie korzystne w zastosowaniach, w których obciążenie się zmienia lub gdy stała prędkość nie jest konieczna, np. w systemach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji.
Co więcej, przetwornice częstotliwości wydłużają żywotność silników, zmniejszając zużycie związane z nagłymi startami i zatrzymaniami. Zapewniają także precyzyjną kontrolę, poprawiając ogólną dokładność i jakość procesów. W zastosowaniach przemysłowych, gdzie silniki elektryczne odgrywają kluczową rolę, integracja przetwornic częstotliwości przyczynia się do oszczędności kosztów, zrównoważenia środowiskowego i bardziej niezawodnego działania maszyn. Krótko mówiąc, przetwornica częstotliwości działa jak inteligentny akcelerator silników elektrycznych, oferujący elastyczność, wydajność i trwałość.
Zasadnicza różnica pomiędzy przetwornicą częstotliwości a regulatorem prędkości wentylatora nie jest łatwa do wyjaśnienia w terminologii nietechnicznej. W każdym razie jest to próba. Przetwornica częstotliwości zapewnia optymalne sterowanie silnikiem, ponieważ może regulować nie tylko napięcie, ale także częstotliwość. Ma to tę zaletę, że silnikiem można sterować znacznie wydajniej i dokładniej. Wadami tej technologii jest jej złożoność i cena. Sterownik prędkości wentylatora może regulować jedynie napięcie silnika. Odbywa się to po prostu poprzez odcięcie części dostarczanego napięcia za pomocą technologii TRIAC (kontrola kąta fazowego). Zaletą tego jest to, że potrzeba mniej kosztownych komponentów elektronicznych i urządzenie można natychmiast uruchomić. Przed oddaniem do użytku przetwornicę częstotliwości należy najpierw skonfigurować.
Modulacja szerokości impulsu dla optymalnego sterowania silnikiem
Przetwornice częstotliwości, zwane także napędami o zmiennej prędkości, zapewniają bezstopniową kontrolę prędkości wentylatorów prądu przemiennego. Uważny czytelnik wie, że omówione powyżej elektroniczne regulatory prędkości wentylatorów również to robią. Jaka jest więc różnica? Przemiennik częstotliwości wykorzystuje technologię modulacji szerokości impulsu (PWM) IGBT do regulacji napięcia i częstotliwości silnika. Dzięki PWM sterowanie silnikiem jest wyjątkowo ciche w każdych okolicznościach, a napięcie silnika jest prawie idealnie sinusoidalne. W zależności od ustawień sam przemiennik częstotliwości może również pracować bardzo cicho.
Ponieważ przetwornica częstotliwości często przełącza się z prądu stałego na prąd przemienny, może powodować zakłócenia EMC w innych urządzeniach podłączonych do tej samej sieci energetycznej. Aby zmniejszyć to zanieczyszczenie EMC, opracowano (drogie) specjalne filtry. Przemiennik częstotliwości ma również wysoki koszt konfiguracji w porównaniu z innymi regulatorami prędkości wentylatora ze względu na jego wrodzoną złożoność. Krótko mówiąc, przetwornice częstotliwości są droższe od elektronicznych regulatorów prędkości wentylatorów, bardziej skomplikowane w konfiguracji i mogą wymagać dodatkowych narzędzi, ale zapewniają bardzo precyzyjne sterowanie silnikiem. Te regulatory prędkości są bardzo energooszczędne i mogą kontrolować wysokie prądy silnika.
Żądaną prędkość silnika można regulować za pomocą elementów sterujących zintegrowanych z urządzeniem (potencjometr lub przyciski). Możliwa jest także zdalna regulacja prędkości silnika poprzez Modbus RTU lub analogowy sygnał sterujący (np. sygnał 0-10 V).
Zanieczyszczenie elektromagnetyczne
Zanieczyszczenie elektromagnetyczne powodowane przez przetwornice częstotliwości odnosi się do niezamierzonych zakłóceń elektromagnetycznych, które mogą generować, potencjalnie wpływających na pobliskie urządzenia elektroniczne i systemy komunikacyjne. Zakłócenia te mogą objawiać się zakłóceniami, usterkami lub awariami odbiorników radiowych, telewizorów i innych wrażliwych urządzeń. Zagrożenia związane z zanieczyszczeniem elektromagnetycznym obejmują obniżoną wydajność i niezawodność pobliskich urządzeń elektronicznych, co może mieć krytyczne znaczenie w środowiskach mieszkalnych lub przemysłowych.
Aby uniknąć tych problemów, konieczne jest wdrożenie środków łagodzących. Filtry kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), które są standardowo wbudowane w nasze przetwornice częstotliwości, pomagają tłumić zakłócenia elektromagnetyczne, zapobiegając ich promieniowaniu do otoczenia. Właściwe uziemienie i ekranowanie kabli również odgrywają rolę w minimalizowaniu zanieczyszczeń elektromagnetycznych. Praktyki instalacyjne, takie jak utrzymywanie odpowiednich odległości między wrażliwym sprzętem (np. kablami do transmisji danych, sygnałami analogowymi, kablami komunikacyjnymi itp.) a potencjalnymi źródłami zanieczyszczeń elektromagnetycznych (np. kablami zasilającymi, silnikami elektrycznymi, przetwornicami częstotliwości itp.) mogą dodatkowo zmniejszyć ryzyko zakłóceń.
Co to jest silnik elektryczny?
Silnik elektryczny to maszyna, która zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną. Oddziaływanie pola magnetycznego i prądu elektrycznego w cewce (uzwojeniu silnika) generuje siłę (moment obrotowy) na wale silnika. Silnik składa się z części ruchomej – wirnika i części stacjonarnej – stojana. W większości klasycznych silników prądu przemiennego uzwojenia silnika (cewki) są zintegrowane ze stojanem. Elektryczny prąd przemienny przepływający przez uzwojenia stojana generuje wirujące pole magnetyczne. Pole magnetyczne wirnika podąża za wirującym polem magnetycznym stojana. Zasada ta sprawia, że silnik elektryczny obraca się.
Silniki asynchroniczne mają zwykle wirnik klatkowy. Pole magnetyczne stojana indukuje prądy w uzwojeniach wirnika (prawo indukcji Faradaya). Te prądy elektryczne w uzwojeniach wirnika wytwarzają pole magnetyczne wirnika. Silniki synchroniczne mają zwykle wirnik z magnesami trwałymi. W tym przypadku magnesy trwałe podążają za wirującym polem stojana.
Zabezpieczenie termiczne silników prądu przemiennego
Silnik prądu przemiennego to solidne urządzenie o długiej żywotności. Jednak eksploatacja silnika prądu przemiennego przy niskiej prędkości przez dłuższy czas nie jest pozbawiona ryzyka. Przy niskiej prędkości silnik mniej się chłodzi. Może to spowodować przegrzanie uzwojeń silnika, co może spowodować degradację jego izolacji. Może to spowodować upływ prądu, zwarcie i ostatecznie awarię silnika. Aby zapobiec awarii silnika, ważne jest, aby zapobiec jego przegrzaniu. W tym celu wiele silników prądu przemiennego jest wyposażonych w styki termiczne, zwane także TK. Te styki termiczne mierzą temperaturę w uzwojeniach silnika. W przypadku przegrzania silnika styki TK otwierają się. Niektóre regulatory prędkości wentylatorów zapewniają dodatkową ochronę przed przegrzaniem poprzez funkcję monitorowania TK, która wyłącza silnik w przypadku przegrzania, aby zapobiec uszkodzeniu silnika. Jednocześnie zostanie włączone wyjście alarmowe, aby zasygnalizować problem z silnikiem.
Dlaczego musimy kontrolować prędkość wentylatora?
Silnik pracujący na pełnych obrotach jest głośny, zużywa dużo energii, kosztuje i zwiększa straty ciepła. Jeśli zmniejszymy prędkość wentylatora, silnik będzie mniej hałasował, zużywał mniej energii, a to z kolei obniży koszty eksploatacji systemu wentylacyjnego. Wszystko to służy zwiększeniu komfortu mieszkańców. Dlaczego w takim przypadku nie mielibyśmy po prostu kupić mniejszego silnika? Silnik musi pracować na pełnych obrotach, na przykład wtedy, gdy w jednym pomieszczeniu znajduje się duży tłum ludzi. Silnik będzie również musiał pracować szybciej, gdy temperatura lub wilgotność względna zbytnio różni się od temperatury na zewnątrz. Innymi słowy, aby regulować jakość powietrza w pomieszczeniu, należy wyregulować prędkość silnika i wentylatora.
Oszczędność energii - Kolejną zaletą kontroli prędkości wentylatora jest oszczędność energii. Gdybyśmy nie kontrolowali prędkości wentylatora, a zamiast tego pozwolili silnikowi pracować na pełnych obrotach, z pewnością dopływ świeżego powietrza byłby wystarczający. Jednak nawet niewielkie zmniejszenie prędkości wentylatora ma duży wpływ na zużycie energii elektrycznej przez wentylator. Typowy wentylator HVAC pracuje według kwadratowej krzywej momentu obrotowego. W zależności od typu silnika redukcja przepływu powietrza o 25% odpowiada 50% mniejszemu zużyciu energii. Ponadto niższe natężenie przepływu powietrza powoduje również cichszą pracę.
Wydłużona żywotność - Filtry powietrza działają dłużej przy zmniejszeniu natężenia przepływu powietrza. To jest logiczne; im więcej powietrza przepływa przez filtry, tym większe ryzyko zanieczyszczenia filtrów. Zmniejszony strumień objętości powietrza ma również pozytywny wpływ na żywotność mechanicznych części wentylatora. Te wydłużone okresy międzyobsługowe zmniejszają koszty operacyjne i całkowity koszt eksploatacji.
Minimalizuj straty ciepła – w chłodniejszych i umiarkowanych klimatach usuwane ciepłe powietrze z pomieszczeń zastępuje się świeżym powietrzem, które może być znacznie zimniejsze. Oznacza to, że jeśli będziemy wietrzyć, będziemy musieli wydać więcej energii na ogrzewanie. Nowoczesne systemy wentylacyjne wyposażone są w wymiennik ciepła, aby zminimalizować tego typu straty ciepła. Niemniej jednak, jeśli to możliwe, można zaoszczędzić dodatkową energię, zmniejszając prędkość wentylatora. Mierząc jakość powietrza w pomieszczeniu, można stale optymalizować prędkość wentylatora, przy jednoczesnym zapewnieniu jakości powietrza w pomieszczeniu.