Softstarty i przemienniki częstotliwości

W czasie rozruchu napędu softstart stopniowo podwyższa napięcie zasilania na zaciskach silnika (rys. 2a). Na początku jest ono na tyle niskie, że nie występuje gwałtowne szarpnięcie i możliwa jest wyłącznie płynna regulacja, na przykład luzów komponentów mechanicznych albo naprężenia pasów. Następnie, wraz ze zwiększaniem przez softstart napięcia zasilania, zwiększa się moment obrotowy silnika. W efekcie maszyna się rozpędza. Analogicznie przez stopniowe zmniejszanie napięcia zasilającego silnik (rys. 2b) softstart umożliwia jego płynne zatrzymanie.

Rys. 1 Softstarty (b) i przemienniki częstotliwości (c) stanowią alternatywę dla bezpośredniego podłączenia silnika elektrycznego do sieci zasilającej (a)

Główne komponenty softstartów

Taką funkcjonalność softstartów, inaczej układów łagodnego rozruchu, zapewniają ich główne komponenty, którymi są połączone przeciwsobnie tyrystory. Wykorzystywane są po dwa takie elementy dla każdej fazy napięcia zasilającego silnik napędu. Dla przypomnienia, tyrystory to półprzewodnikowe przyrządy mocy, które pracują jako łączniki dwustanowe. To oznacza, że (w uproszczeniu) mogą być przełączane między stanem przewodzenia (włączenia) o niskiej rezystancji a stanem zablokowania (wyłączenia), charakteryzującym się dużą rezystancją.

Rys. 2 Podczas rozruchu softstart stopniowo podwyższa napięcie zasilania na zaciskach silnika (a), a w czasie hamowania – zmniejsza je (b)

Jest to wykorzystywane w czasie rozruchu napędu, kiedy tyrystory załączane są w taki sposób, żeby stopniowo przewodziły przez coraz większą część każdego półokresu sinusoidy napięcia zasilającego (rys. 3), rozpoczynając od jej fragmentu, a kończąc na 100%. Łagodne hamowanie napędu przebiega w sposób odwrotny – najpierw tyrystory przewodzą napięcie w 100%, a potem stopniowo przepuszczają go coraz mniej, aż do jego odłączenia.

Rys. 3 Najważniejszymi komponentami softstartów są połączone przeciwsobnie tyrystory pracujące jako łączniki dwustanowe.

Case study 1

Przemiennik częstotliwości rozwiązuje problem z przestojami młynka

Pewien dostawca paszy produkowanej z ziaren zbóż odnotowywał duże straty w związku z często powtarzającymi się przestojami w jednym z zakładów. Nieplanowane przerwy w produkcji były spowodowane blokowaniem się maszyny mielącej składniki paszy. Do tego urządzenia zboża doprowadzane były ze stołu wibracyjnego. Sprzęt ten był przestarzały, przez co często ulegał awariom oraz przeciążał silnik. Dochodziło do tego wówczas, gdy mielone były twarde ziarna, które blokowały młynek. W konsekwencji przeciążenia silnika aktywowały się zabezpieczenia i następowało jego automatyczne wyłączenie. Wówczas za każdym razem młynek należało ręcznie opróżnić z ziaren. To wymagało przerwania produkcji nawet na kilka godzin.

By rozwiązać ten problem, zdecydowano się na modernizację stanowiska mielenia zbóż. W ramach tego zadania dotychczasową instalację załadunku młynka zastąpiono przenośnikiem ślimakowym wyposażonym w przemiennik częstotliwości. Od tej pory system sterowania transporterem monitoruje prąd silnika maszyny mielącej. Na jego podstawie prędkość przenośnika zostaje dopasowana do aktualnego obciążenia młynka. W praktyce oznacza to, że jest zwiększana albo zmniejszana odwrotnie proporcjonalnie do prądu pobieranego przez silnik maszyny mielącej. Im zatem "mocniej" młynek miele, tym wolniej przesuwa się przenośnik, zaś im "słabsze" mielenie, tym większa jest prędkość przesuwu transportera. Dzięki temu twardsze ziarna są dostarczane wolniej niż te miękkie. W efekcie młynek się nie przeciąża i nie dochodzi do nieplanowanych przestojów. Maszyna ta nie pracuje też na biegu jałowym z niską prędkością w czasie mielenia miękkich ziaren, których wydajność mielenia dzięki temu znacznie się zwiększyła.

Jaką funkcję pełni stycznik obejściowy?

Uproszczony schemat blokowy układu łagodnego rozruchu został przedstawiony na rysunku 4. Oprócz tyrystorów oraz ich sterownika dodatkowe wyposażenie softstartów obejmuje: układy chłodzenia, czujniki, układy zabezpieczeń oraz złącza komunikacyjne.

Rys. 4 Uproszczony schemat blokowy softstartu

Ważnym komponentem softstartów, mającym wpływ na sprawność energetyczną całego układu napędowego, jest również stycznik obejściowy (bypass). Bywa on integralną częścią układów łagodnego rozruchu albo jest dołączany zewnętrznie. W obu przypadkach stycznikiem steruje kontroler softstartu.

Stycznik obejściowy odpowiada za odłączenie obwodów układu łagodnego rozruchu od zasilania i bezpośrednie podłączenie do niego napędzanej maszyny, zaraz po jej rozpędzeniu. W przypadku przejścia w tryb hamowania sterownik softstartu odłącza obwód obejściowy i przełącza napędzaną maszynę na zasilanie za swoim pośrednictwem. Dzięki temu w czasie normalnej pracy napędu, tzn. pomiędzy rozruchem a zatrzymaniem, energia zasilająca nie jest dodatkowo tracona w obwodach softstartu.

Marek Bukieda

Yaskawa Polska

Jakie są wymogi klientów poszukujących napędów? Na jakie cechy techniczne zwraca się dzisiaj uwagę?

Odbiorcy oczekują jako standardu wbudowanych funkcji bezpieczeństwa oraz filtrów EMC. Również port USB nie jest już egzotyką, ale wymogiem, bowiem zapewnia on możliwość łatwej konfiguracji napędu z telefonu czy tabletu. Klienci oczekują też krótkich czasów dostaw i bezawaryjnego sprzętu. Przyszłość przemienników częstotliwości to z pewnością obsługa różnych sieci przemysłowych, łatwość wymiany danych i prosta diagnostyka on-line. Duży nacisk kładzie się na zwrot energii do sieci.

Jakie są najczęstsze zastosowania softstartów oraz przemienników częstotliwości? Czym różni się to pomiędzy branżami?

Przemienniki małej mocy do 7,5 kW to rynek OEM, zaś większe moce to głównie klienci końcowi. Nasza firma dostarcza produkty do obydwu grup odbiorców, przy czym duże firmy OEM obsługujemy bezpośrednio, a do klientów końcowych docieramy poprzez dystrybucję. Producenci maszyn kładą nacisk na cenę, zaś klienci końcowi pytają przede wszystkim o wsparcie i kwestie serwisowe.

Przemienniki są ciągle udoskonalane, a ich gabaryty maleją. Dużą wagę przywiązuje się do oprogramowania, tak aby osoby bez specjalistycznego wykształcenia mogły szybko sparametryzować urządzenie lub zdiagnozować alarmy. W przeszłości stosowano często przemienniki skalarne z aplikacji HVAC w przemyśle, zaś efekt nie był dobry. Dziś klienci dobierają przemienniki do konkretnych aplikacji np. windowe lub suwnicowe muszą być przeznaczone do tych branż.

Jakie są cechy energooszczędności napędów i systemów napędowych?

Przemienniki częstotliwości są z natury energooszczędne i raczej wszystkie mają podobną sprawność. Dopiero zastosowanie silników w klasie np. IE4 daje jeszcze większą korzyść. Ale to urządzenia dość drogie z uwagi na użycie magnesów trwałych. W branży windowej od kilkunastu lat są stosowane silniki synchroniczne, czyli wciągarki bezreduktorowe oparte na silnikach PM z magnesami neodymowymi. Dają one nie tylko blisko dwukrotną oszczędność energii ale są praktycznie bezobsługowe. Tradycyjny przemysł preferuje standardowe silniki indukcyjne.

Jak pandemia wpłynęła na branżę przemysłową, w szczególności na omawiany sektor?

Obecnie wszystko jest w normie i nie widać już takich problemów jak na początku roku. Jednak pierwsza faza postoju w przemyśle w kwietniu oraz maju była odczuwalna w wielu branżach. Wiele przetargów i zakupów wiosną nie odbyło się. Odczuwalny był też brak imprez targowych i trudniej było prezentować nowości. Widoczne jest też przenoszenie spotkań do sieci, co może okazać się w przyszłości korzystne, jeżeli chodzi o sposoby docierania do klientów.