Pogoni s frekvenčnimi pretvorniki
Indukcijski motorji, ki jih je izumil Nikola Tesla leta 1888 kot študent, danes v industriji porabijo okoli 90% električne energije. Električni indukcijski motorji so izredno učinkoviti pri pretvarjanju električne energije v mehansko. Energetska učinkovitost asinhronskih motorjev znaša med 85% in 97%, kar je veliko, če vemo, da je energetska učinkovitost motorjev z notranjim izgorevanjem okoli 30%.
Frekvenčni pretvorniki omogočajo frekvenčno krmiljenje električnih motorjev in s tem spreminjanje njihove hitrosti vrtenja. Njihovo delovanje lahko programiramo in jih krmilimo z zunanjimi signali senzorjev, kot so fotocelice, induktivni senzorji, krmilniki v procesu, itd. S tem lahko dosežemo, da se električni motor vrti počasneje ali zaustavi, npr. ko izdelki napolnijo transportni trak, fotocelica, ki je povezana s frekvenčnim pretvornikom zaustavi električni motor.
Osnove elektronskega spreminjanja hitrosti vrtenja asinhronskih električnih motorjev
Najpogosteje se v industriji uporabljajo asinhronski izmenični motorji, ki so zgrajeni iz statorja, rotorja in ohišja. V ohišje so vgrajeni ležaji, v katere je vpet rotor. Hitrost vrtenja asinhronskih električnih motorjev zaostaja za vrtenjem magnetnega polja, ki ga ustvarja napajalna električna napetost.
Teoretična hitrost vrtenja dvopolnega električnega motorja:
N= 50Hz*60s = 3000 rpm
Število obratov v minuti je zmnožek frekvence omrežne napetosti (50Hz = 50 menjav polaritete napetosti v sekundi in številom sekund v minuti). Realna hitrost vrtenja električnega motorja pa zaostaja za vrtenjem magnetnega polja in znaša med 2800 in 2900 rpm.
Iz zgornje enačbe lahko vidimo, kako je hitrost vrtenja električnega motorja neposredno povezana s frekvenco napajanja motorja. To pomeni, da z zniževanjem frekvence vhodne napetosti, linearno zmanjšujemo hitrost vrtenja električnega motorja in z zviševanjem frekvence vhodne napetosti, povečujemo število obratov električnega motorja.
Uporaba frekvenčnih pretvornikov
Aplikacije s spremenljivimi obremenitvami motorja
Frekvenčni pretvorniki so najprimernejši za aplikacije s spremenljivimi obremenitvami, kot so pogoni črpalk, ventilatorjev, itd. To so področja uporabe, kjer je pogon skonstruiran za 100% obremenitve, ki pa jih v praksi redko dosežemo. Z uporabo frekvenčnega krmiljenja električnih motorjev spreminjamo hitrost vrtenja le teh in tako dosegamo optimalno porabo električne energije.
Aplikacije s potrebnim konstantnim navorom
Z današnjo tehnologijo lahko dosežemo najboljše rezultate kontroliranja hitrosti vrtenja električnih motorjev ob najmanjših izgubah, ravno z inverterskimi frekvenčnimi pretvorniki. Vektorski frekvenčni pretvorniki lahko ponudijo polni navor v območju od nazivnih obratov pa do 0 rpm. Navor je lahko natančno voden, kar omogoča celo največjim motorjem pozicioniranje bremena, podobno kot pri servo motorjih.
V razmislek pri uporabi frekvenčnih pretvornikov
Ob krmiljenju motorja s spremenljivimi obremenitvami je potreben razmislek o mehanskih in električnih vprašanjih. Frekvenčno krmiljenje električnih motorjev lahko dodatno obremeni izolacijo statorskega navitja. Vsak dvig delovne temperature električnega motorja za 10˚C pa prepolovi življenjsko dobo izolacije žice statorskega navitja.
Potrebno je poskrbeti, da ima motor, ki ga krmilite s frekvenčnim pretvornikom ustrezno visoko stopnjo izolacije statorskega navitja ali pa da ima električni motor dodano prisilno hlajenje (hladilni ventilator z ločenim napajanjem).
Pri spreminjanju hitrosti vrtenja električnih motorjev pa moramo biti pozorni tudi na mehaniko pogona. Natančneje, na mehansko resonanco in nekompatibilnost gnane obremenitve. Mehanska resonanca se pojavi pri hitrosti vrtenja električnega motorja izenačeni z resonančno frekvenco bremena. Delovanje pri resonančni frekvenci* lahko razvije visoke stopnje vibracije, katere lahko poškodujejo opremo. Prav tako moramo biti pozorni, da opreme ne poganjamo s hitrostmi vrtenja električnih motorjev izven specificiranih meja. Kot primer lahko vzamemo reduktor, ki ima pogosto specificirano minimalno vhodno hitrost vrtenja, da so lahko vsi sestavni deli ustrezno mazani z oljem.
* Frekvenčne pretvornike lahko programirate tako, da se pri delovanju izogibajo frekvenci, ki povzroča resonanco.
Kvaliteta moči pri uporabi frekvenčnih pretvornikov
Frekvenčni pretvorniki napajajo električne motorje z impulzi visoke frekvence različnih amplitud, iz katerih je sestavljena navidezna frekvenca napajalne električne napetosti (glej sliko).
Slika: Prikaz kvalitete moči pri uporabi frekvenčnih pretvornikov
Pri procesu frekvenčnega krmiljenja električnih motorjev frekvenčni pretvorniki proizvajajo višje harmonske frekvence napajalne napetosti. Te uhajajo nazaj v omrežje napajalne električne napetosti in lahko motijo ali celo poškodujejo ostale elektronske naprave. Zato imajo frekvenčni pretvorniki vgrajene filtre, ki to bolj ali manj uspešno preprečujejo (odvisno od kvalitete frekvenčnega pretvornika).
Posledice višje harmonskih komponent električne napetosti pa se lahko kažejo tudi v električnih motorjih in sicer v tokovih, ki tečejo od rotorja prek ležajev na ozemljeno ohišje. Ti tokovi uničujejo ležaje, kar se rešuje na dva načina: z dragimi električno izoliranimi ležaji (dobavimo jih po potrebi) in z dograditvijo Garlock izolatorja ležajev (https://www.garlock.com/en/products/bearing-isolators).
Naša ponudba frekvenčnih pretvornikov
Našim strankam nudimo svetovanje pri načrtovanju pogonov strojev. Na osnovi vaših zahtev vam pomagamo pri realizaciji projektov.
Zastopamo frekvenčne pretvornike podjetja Teco pod blagovno znamko Motovario. Podjetje Teco je eden največjih proizvajalcev električnih motorjev in pripadajočega krmiljenja na svetu. V lanskem letu je Teco prevzelo italijansko podjetje Motovario (priznani proizvajalec reduktorjev). Na ta način je Teco razširil prodajni program in danes velja za najcelovitejšega ponudnika pogonskih komponent na svetu. Tehnična dovršenost in inovativnost pretvornikov je plod sodelovanja med podjetjema Teco in Westinghousom.
Prednosti uporabe frekvenčnih pretvornikov Teco-Westinghouse so
- popolna kontrola hitrosti vrtenja električnih motorjev,
- omogočajo delovanje električnih motorjev s konstantnim navorom,
- s stopnjo zaščite IP66 so primerni celo za delovanje v izredno mokrem okolju.
Frekvenčni pretvorniki so primerni za uporabo tudi v najzahtevnejših okoljih.