Polscy producenci i dystrybutorzy falowników, softstartów i silników

Drugim elementem falownika jest specjalizowany mikrokontroler lub procesor DSP, który włączając i wyłączając tranzystory w module wykonawczym, „faluje” stałe napięcie zasilające tworząc wielofazowe przemienne napięcie wyjściowe o potrzebnych parametrach. Użycie specjalizowanego mikrokontrolera lub procesora DSP, jako elementu sterującego, jest tutaj szczególnie wygodnie i uzasadnione.

Oprócz generacji wielofazowych sygnałów PWM, które sterują tranzystorami IGBT, elementy te pozwalają na podłączenie wyświetlacza, realizację interfejsu komunikacyjnego, jak również na stworzenie wielu funkcji użytkowych, których nie dałoby się wykonać inaczej. Rozpędzanie silnika i hamowanie, regulacja i stabilizacja obrotów w połączeniu z układami zabezpieczeń stanowi istotę klasycznego falownika i jest przykładem potencjału, jaki drzemie w tych urządzeniach.

Tworzenie sygnałów sterujących dla przełączników mocy oraz skomplikowane algorytmy sterujące, które pozwalają do maksimum wykorzystać możliwości drzemiące w silnikach, wymagają sporej mocy obliczeniowej, dlatego w wielu produktach zadanie sterujące jest realizowane za pomocą układów DSP. Nie ma jednak wątpliwości, że w przyszłości sterowanie falownikami będzie należało do mikrokontrolerów, które coraz lepiej radzą sobie z nowoczesnymi napędami.

Coraz większe możliwości procesorów wynikają z tego, że wielu producentów wypuściło na rynek specjalizowane układy przeznaczone właśnie do pracy w roli sterowników napędów. Układy zostały wyposażone w dedykowane bloki sprzętowe i w połączeniu z dostępnością oprogramowania, które realizuje najtrudniejszą część algorytmu związaną ze sterowaniem tranzystorami, zaniosły falowniki w wiele różnych obszarów rynku, niekiedy daleko poza domyślny świat automatyki przemysłowej i zastosowań o dużej mocy wyjściowej.

Falowniki to nie tylko gotowe produkty, ale również moduły OEM przeznaczone do zabudowy w większych systemach. Przykładem może być nowoczesny sprzęt AGD, gdzie podzespoły te sterują od blisko 10 lat silnikami w pralkach. Znalazły one swoje trwałe miejsce w systemach wentylacji i klimatyzacji i powoli pojawiają się w nowoczesnych lodówkach.

Szczególnie ten ostatni przykład zastosowania jest wymowny, gdyż pokazuje, że ekonomiczny próg opłacalności użycia falownika stale się przesuwa w kierunku małych mocy. Korzyści związane z możliwością płynnej regulacji obrotów, miękkim startem w wielu miejscach stają się na tyle istotne, że przeważają nad większymi kosztami.

Falowniki

Na rynku istnieje blisko sto różnych typów silników elektrycznych. Nie wdając się w szczegóły można powiedzieć, że za jedną z lepszych konstrukcji uważa się asynchroniczny trójfazowy silnik prądu zmiennego. Charakteryzuje się on prostą konstrukcją mechaniczną, wysoką mocą w przeliczeniu na jednostkę objętości i dużym momentem napędowym. Silniki tego typu spotykane są powszechnie w wielu urządzeniach przemysłowych i pokrywają szeroki zakres mocy rozpoczynający się już od 100-200W.

W zakresie mocy do ok. 200W stosuje się silniki asynchroniczne jednofazowe, na przykład w wersji ze zwartą fazą rozruchową. Stosowane są one na przykład do napędu wentylatorów i powszechnie spotyka się je w urządzeniach AGD, co wynika z prostej konstrukcji mechanicznej i dużej trwałości.

Oba typy silników, poza wymienionymi zaletami, mają szereg trudnych w przezwyciężeniu wad. Najdotkliwszą jest brak możliwości zmiany szybkości wirowania za pomocą regulacji napięcia zasilającego. Liczba obrotów na minutę silników asynchronicznych jest, nieco wbrew nazwie, proporcjonalna do częstotliwości napięcia zasilającego.

Siłę napędową tworzy w nich wirujące pole magnetyczne od stojana zawierającego trzy uzwojenia zasilane napięciem trójfazowym. Obniżenie napięcia zasilającego powoduje wprawdzie zmianę obrotów na skutek powstania tzw. poślizgu, a więc różnicy między szybkością wirowania pola magnetycznego a obrotami wirnika, jednak ten sposób zmiany nie nadaje się do większości zastosowań. Oprócz regulacji obrotów spory kłopot sprawia zmiana kierunku wirowania, a funkcje takie jak płynne rozpędzanie i hamowanie nie są praktycznie realizowalne.

Te i wiele innych mniej dotkliwych ograniczeń likwiduje użycie falownika. Z punktu widzenia elektronika falownik najpierw przekształca napięcie sieci energetycznej, jedno- lub trójfazowej, na napięcie stałe. Potem to wyprostowane napięcie sieci jest zamieniane na trzy szybkozmienne przebiegi PWM, o amplitudzie równej wyprostowanemu napięciu sieci.

Chwilowy współczynnik wypełnienia tych przebiegów jest zmieniany okresowo w taki sposób, aby płynący w uzwojeniach silnika prąd przypominał kształtem sinusoidę. Wysoka impedancja uzwojeń silnika działa tutaj jak filtr dolnoprzepustowy, który likwiduje impulsowy charakter napięcia wyjściowego falownika, dzięki czemu ruch wirnika jest płynny i taki sam jak przy zasilaniu napięciem o charakterze ciągłym. Trzy napięciowe sygnały wyjściowe z falownika są przesunięte między sobą w fazie, co powoduje, że w ogólnym przypadku falownik zamienia 3-fazowe napięcie przemienne sieci, na trójfazowe napięcie wyjściowe o regulowanych parametrach.

Odpowiednie sterowanie chwilowym współczynnikiem wypełnienia sygnału PWM pozwala na regulację częstotliwości napięcia wyjściowego w dość szerokim zakresie, pozwala też na zmianę amplitudy prądu płynącego przez uzwojenia, co pozwala w pełni wykorzystać dostępną moc bez przeciążania silnika. Podstawowe funkcje falownika związane z regulacją częstotliwości i kolejności faz pozwalają regulować obroty i kierunek wirowania w zasadzie bez negatywnych konsekwencji jakim jest na przykład spadek momentu napędowego.

Regulacja nie jest banalna

Regulacja obrotów silnika asynchronicznego za pomocą zmiany częstotliwości napięcia zasilającego wydaje się być nieskomplikowana od strony technicznej. Tak byłoby gdyby obciążenie miało charakter rezystancyjny, jednak silnik reprezentuje sobą obciążenie o charakterze zmieniającym się w funkcji wielu czynników, co ogromnie komplikuje sterowanie.

Zjawisk fizycznych związanych z napędem, które muszą być obsługiwane przez oprogramowanie sterownika jest kilka. Przede wszystkim zmiana częstotliwości zmusza w większości przypadków także do regulacji napięcia zasilającego.

Zmniejszenie częstotliwości napięcia zasilania, przy stałym napięciu, spowodowałoby przeciążenie silnika, gdyż impedancja uzwojeń jest proporcjonalna do częstotliwości. Jest to szczególnie kłopotliwe w przypadku bardzo małych prędkości wirowania, bo falowniki są w stanie dostarczyć napięcie o częstotliwości ułamka herca.

Przy częstotliwościach wyższych od nominalnej duża indukcyjność uzwojeń ograniczała maksymalną wartość prądu i napęd nie byłby w stanie osiągnąć mocy nominalnej. Zapanowanie nad tym zjawiskiem wymaga na przykład utrzymania stałego stosunku U/f i dlatego większość z dostępnych na rynku urządzeń oferuje taki tryb pracy (skalarny).

Redukcja maksymalnej wartości prądu może być dokonana za pomocą ograniczenia maksymalnej wartości współczynnika wypełnienia impulsów PWM, który dla maksimum sinusoidy prądu wyjściowego nie będzie przyjmował wartości bliskich jedności, ale mniej. Regulacja napięcia w górę, nie jest możliwa w analogicznie szerokim zakresie, ale układ sterujący falownika może w pewnym zakresie kompensować niekorzystne zjawisko zmieniając kształt tworzonej obwiedni prądu na bardziej prostokątny.

Zapanowanie przez układ sterowania nad układem mechanicznym silnika, bezwładnością, możliwością zatrzymania się silnika przy niskich prędkościach (utykiem), wymaga znacznego rozbudowania i komplikacji układu sterującego. Gdy celem staje się szybkie i płynne rozpędzanie lub hamowanie, stabilizacja prędkości lub też zdalne sterowanie silnikiem za pomocą zewnętrznych sygnałów, konieczne bywa wprowadzenie pętli sprzężenia zwrotnego, która dostarcza informacji kontrolnych dla algorytmu sterującego.

Najkorzystniejszym wyjściem jest oparcie sterowania o sygnały płynące z umieszczonych w silniku czujników, jednak praktyka pokazuje, że klienci nie chcą inwestować w dodatkowe okablowanie i droższe silniki z zamontowanymi czujnikami i wolą, aby o jakość sterowania odpowiedzialne były rozbudowane algorytmy wektorowe, które dobrze radzą sobie z panowaniem nad silnikiem w stanach przejściowych, np. przy rozpędzaniu.

Dlatego większość falowników dostępnych na rynku, a zwłaszcza te przeznaczone dla silników większej mocy pracujących w przemyśle, jest urządzeniami złożonymi. Oprócz regulacji obrotów i tempa ich zmian sterownik falownika realizuje wiele obwodów zabezpieczających, monitoruje i zapisuje w pamięci informacje na temat awarii, temperatury silnika, napięć i prądów. Informacje takie mogą być przesyłane łączem cyfrowym do urządzenia nadrzędnego, np. komputera przemysłowego.

Wszystko to powoduje, że układem sterującym jest zwykle 32-bitowy szybki mikrokontroler, a w najbardziej złożonych konstrukcjach spotyka się układy DSP. Niemniej trend jest taki, że sterowanie napędami staje się domeną 32- lub nawet 16-bitowych mikrokontrolerów. Rosnąca wydajność przetwarzania, jak też duże wsparcie ze strony producentów mikrokontrolerów w postaci dedykowanych zasobów sprzętowych, powodują, że są one chętniej wybierane do projektów.

Regulacje zaawansowane obejmują też dobór wartości momentu silnika, częstotliwości zabronione, które pozwalają uniknąć kłopotliwych rezonansów mechanicznych. W sytuacji, gdy cała konstrukcja bazuje na mikrokontrolerze, rozwój konstrukcji o takie funkcje nie jest na szczęście skomplikowany. Widać to chociażby po tym jak wiele opcji oferują nawet najtańsze urządzenia.

Bezpieczeństwo i elastyczność

Bogata lista funkcji zabezpieczających w wielu przypadkach przesądza w decyzji do użyciu falownika, gdyż silniki nie zaliczają się do tanich komponentów, a dodatkowo w wielu miejscach koszt likwidacji awarii i związanego z tym przestoju jest bardzo wysoki.

Lista zabezpieczeń obejmuje sytuacje związane z nieprawidłową wartością napięcia zasilania (nadnapięciowe i podnapięciowe, chwilowy zanik napięcia), przeciążeniem wyjścia, przegrzaniem silnika i podobnymi. Falownik wykrywa też sytuacje awaryjne, np. próbę rozpędzenia silnika powyżej dopuszczalnych wartości, zapewnia automatyczny i łagodny rozruch po zaniku napięcia itp.

Popularną opcją jest wbudowanie układu hamującego, którego zadaniem jest szybkie zatrzymanie silnika, na przykład w sytuacji alarmowej. Realizuje się je za pomocą dodatkowego układu tranzystorowego zwierającego uzwojenia silnika. Użytkownik ma nawet możliwość zmiany częstotliwości sygnału sterującego tranzystorami mocy, co pozwala skuteczniej walczyć z problemem magnetostrykcji rdzenia silnika. W większości przypadków wynosi ona od kilku do kilkunastu kiloherców, co w niesprzyjającej sytuacji może powodować przykre szumy akustyczne w uzwojeniach.

Konstrukcja falowników

Dostępne na rynku rozwiązania dzielą się na dwie grupy. Pierwszą i dominującą stanowią gotowe moduły wyposażone w wyświetlacz, niewielką klawiaturę lub potencjometr do regulacji szybkości wirowania. Przeznaczone są do zastosowań przemysłowych, co powoduje, że mają odporną na czynniki środowiskowe obudowę i łącze komunikacyjne w jednym z popularnych standardów automatyki przemysłowej.

Część dostępnych na rynku produktów stanowi połączenie falownika i sterownika PLC. Jest to zgodne z potrzebami wielu prostych aplikacji, co ogranicza koszty. Innym pomysłem jest wbudowanie do środka regulatora PID, co pozwala za pomocą jednego urządzenia zbudować coś więcej niż tylko sam napęd.

Znacznie mniej popularną grupę tworzą produkty do zastosowań OEM, a więc przeznaczone do zabudowy wewnątrz większego urządzenia. Powodów jest kilka. Najprostsze układy falowników, na przykład przeznaczone do sprzętu AGD, mają stosunkowo prostą konstrukcję (patrz ramka) i w wielu przypadkach są wykonywane przez producentów samodzielnie, jako część większego układu elektronicznego.

Zjawisku temu sprzyja dostępność bibliotek darmowego oprogramowania, jak też wsparcie od strony sprzętowej, głównie w zakresie konstrukcji stopnia mocy. Jest to analogiczne zjawisko jak w przypadku sterowników silników krokowych – mimo, że można kupić gotowe moduły, a nawet gotowe sterowniki w obudowach, znaczna część producentów bazuje na swoich projektach.

Wiele konstrukcji falowników dostępnych na rynku ma wyraźną konstrukcję modułową z podziałem na sterownik, stopień mocy oraz układy interfejsu (wyświetlacz, klawiatura). Do zastosowań OEM można wtedy wykorzystać taki jeden wydzielony element i dlatego część produktów dostępnych na rynku ma faktyczne taki uniwersalny charakter. Dostawcy podkreślają, że koszt sterownika i stopnia mocy stanowi ogromną większość kosztów urządzenia, przez co wersje OEM, z uwagi na mniejszą popularność na rynku mogą kosztować tyle samo, co urządzenia gotowe.