Jeśli kiedykolwiek pracowałeś z silnikami przemysłowymi, prawdopodobnie słyszałeś wiele pytań dotyczących łączenia napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) z różnymi typami silników. Pytanie, które regularnie pojawia się wśród naszych klientów – z których wielu to mali producenci, konstruktorzy maszyn i technicy zajmujący się konserwacją – brzmi: „Czy 3-fazowy napęd VFD o mocy 3 KM może być używany z silnikiem prądu stałego?” Jako dostawca specjalizujący się w rozwiązaniach VFD spędziłem lata, zadając dokładnie to pytanie, a odpowiedź nie jest prosta: tak lub nie. Zależy to od sposobu działania każdego komponentu, specyfikacji elektrycznych i tego, co chcesz osiągnąć za pomocą konfiguracji. Rozłóżmy to wyraźnie, zaczynając od podstaw zarówno 3-fazowego VFD o mocy 3 KM, jak i silnika prądu stałego.
Najpierw ustalmy, co robi każda część. Przemiennik częstotliwości, czasami nazywany przetwornicą częstotliwości VFD, przeznaczony jest do sterowania prędkością silników prądu przemiennego (AC) poprzez regulację częstotliwości i napięcia mocy przesyłanej do silnika. Większość standardowych napędów VFD dostępnych na rynku jest przeznaczona do silników indukcyjnych prądu przemiennego, silników synchronicznych prądu przemiennego lub silników prądu przemiennego z magnesami trwałymi — są to silniki robocze urządzeń przemysłowych, takich jak przenośniki taśmowe, pompy i obrabiarki. Nasz 3-fazowy napęd VFD o mocy 3 KM został specjalnie zaprojektowany dla trójfazowych silników prądu przemiennego o mocy 3 koni mechanicznych, więc jego obwody wewnętrzne są dostrojone tak, aby obsługiwały charakterystykę mocy prądu przemiennego tych silników. Przekształca przychodzący prąd przemienny (jedno- lub trójfazowy, w zależności od modelu) na prąd stały (DC), a następnie przekształca ten prąd stały z powrotem w prąd przemienny o zmiennej częstotliwości, aby dopasować go do potrzeb prędkości silnika. Ten łańcuch konwersji jest tutaj kluczowy.
Z drugiej strony silnik prądu stałego zasilany jest prądem stałym i nie wymaga konwersji. Jego prędkość jest kontrolowana poprzez regulację napięcia wysyłanego do twornika lub, w niektórych przypadkach, poprzez regulację prądu wzbudzenia. Silniki prądu stałego są obecne na rynku od dziesięcioleci i nadal są używane w zastosowaniach wymagających precyzyjnej kontroli prędkości przy niskich prędkościach, wysokiego momentu obrotowego przy rozruchu lub stałej wydajności w szerokim zakresie prędkości – np. w dźwigach, wciągnikach i niektórych maszynach pakujących. Problem polega na tym, że standardowy napęd VFD nie jest podłączony do bezpośredniego zasilania prądem stałym, przynajmniej nie w taki sposób, w jaki jest podłączony do zasilania prądem przemiennym.
Czy zatem można podłączyć 3-fazowy napęd VFD o mocy 3 KM do silnika prądu stałego? Przejdźmy do strony technicznej. Krótka odpowiedź brzmi: generalnie nie, nie w przypadku standardowego, gotowego VFD. Oto dlaczego. Wewnętrzna konstrukcja VFD została zaprojektowana z myślą o wyjściu prądu przemiennego. Pobiera przychodzący prąd przemienny, prostuje go na prąd stały, a następnie zamienia ten prąd stały na prąd przemienny o zmiennej częstotliwości. Silnik prądu stałego nie potrzebuje odwróconego prądu przemiennego — potrzebuje czystego prądu stałego. Jeśli podłączysz silnik prądu stałego do standardowych zacisków wyjściowych falownika VFD, wysyłasz energię prądu przemiennego do komponentu przeznaczonego na prąd stały, który nie będzie działał poprawnie. Przetwornica częstotliwości jest zaprojektowana do dostarczania prądu przemiennego o zmiennym kierunku z ustaloną częstotliwością; twornik silnika prądu stałego opiera się na stałym przepływie prądu (lub kontrolowanych zmianach prądu w przypadku szczotkowych silników prądu stałego) w celu wytworzenia momentu obrotowego. Przesyłanie prądu przemiennego do silnika prądu stałego spowodowałoby jego nadmierne wibracje, wygenerowanie niewielkiego lub żadnego użytecznego momentu obrotowego, a nawet mogłoby spowodować uszkodzenie uzwojeń silnika lub samego VFD, jeśli wystąpią skoki prądu.
To powiedziawszy, istnieje wąski wyjątek. Jeśli Twój silnik prądu stałego jest w rzeczywistości „silnikiem prądu stałego”, którego przeznaczenie zostało zmienione, a dokładniej silnikiem prądu stałego z uzwojeniem szeregowym, który jest czasami używany w zastosowaniach trakcyjnych – jak stare elektryczne silniki do wózków widłowych – niektórzy ludzie eksperymentowali z modyfikowaniem przetwornic częstotliwości, aby z nimi współpracowały. Ale nawet wtedy nie jest to konfiguracja standardowa i nie jest zalecana do większości zastosowań przemysłowych. Modyfikacje te wymagają ponownego okablowania wyjścia VFD, aby dostarczać stały prąd stały zamiast prądu przemiennego o zmiennej częstotliwości, co zmienia całą funkcję napędu. Nie byłby to już VFD, ponieważ VFD są z definicji przetwornicami częstotliwości. W przypadku tej zmodyfikowanej konfiguracji lepiej byłoby użyć sterownika silnika prądu stałego zaprojektowanego do tego celu, zamiast 3-fazowego VFD o mocy 3 KM przeznaczonego dla prądu przemiennego.
Porozmawiajmy także o dopasowaniu mocy, które jest krytycznym szczegółem w przypadku każdego parowania silnika i przemiennika. Nasz 3-fazowy napęd VFD o mocy 3 KM jest przystosowany do obsługi silnika prądu przemiennego o mocy 3 KM, który pobiera określoną ilość prądu (w celach informacyjnych około 7,5 A przy napięciu trójfazowym 230 V). Silnik prądu stałego o tej samej mocy będzie pobierał inny prąd w zależności od napięcia znamionowego. Na przykład silnik 24 V DC o mocy 3 KM pobiera około 100 A przy pełnym obciążeniu, podczas gdy silnik 48 V DC o mocy 3 KM pobiera około 50 A. To inny pobór prądu niż ten, który VFD ma dostarczać. Nawet gdyby można było zmodyfikować VFD tak, aby wysyłał prąd stały, jego wewnętrzne elementy (takie jak tranzystory użyte w stopniu falownika) zostałyby dobrane pod kątem niższego prądu silnika prądu przemiennego o mocy 3 KM, a nie znacznie wyższego prądu, jakiego potrzebuje silnik prądu stałego o tej samej mocy. Prowadziłoby to do przegrzania, przedwczesnej awarii części lub zagrożenia bezpieczeństwa na skutek przeciążenia elektrycznego.
Być może myślisz: „A co, jeśli użyję innego dysku?” To dobre pytanie. Jeśli potrzebujesz kontroli prędkości silnika prądu stałego, VFD nie jest właściwym narzędziem. Zamiast tego potrzebujesz sterownika silnika prądu stałego, który został zaprojektowany specjalnie do regulacji napięcia prądu stałego w celu kontrolowania prędkości. Ale jeśli pracujesz z silnikami prądu przemiennego, VFD jest idealnym rozwiązaniem. Na naszej stronie internetowej dostępnych jest wiele opcji dla różnych konfiguracji, w tym jednofazowe wejście VFD o mocy 5 KM dla mniejszych jednofazowych źródeł zasilania lub 3-fazowy przemiennik częstotliwości dla większych przemysłowych systemów trójfazowych. Jeśli dla silnika trójfazowego dostępne jest wyłącznie zasilanie jednofazowe, nasza jednofazowa przetwornica częstotliwości została zaprojektowana tak, aby przekształcać jednofazowe wejście na trójfazowe wyjście, dzięki czemu nie ma konieczności ponownego okablowania obiektu w celu uzyskania zasilania trójfazowego. Są to rozwiązania do sterowania silnikami prądu przemiennego, dostosowane do różnych potrzeb mocy i wielkości silników.
Innym powszechnym błędnym przekonaniem, jakie słyszę od klientów, jest to, że wszystkie urządzenia sterujące silnikiem są wymienne. To nieprawda. Przetwornice częstotliwości specjalizują się w silnikach prądu przemiennego ze względu na sposób sterowania prędkością silnika prądu przemiennego: w przypadku silników indukcyjnych prądu przemiennego prędkość zależy od liczby biegunów stojana i częstotliwości zasilania. Dostosowując częstotliwość, można dostosować prędkość, a regulacja napięcia wraz z częstotliwością (tzw. sterowanie V/Hz) utrzymuje równowagę pola magnetycznego silnika, zapobiegając jego przegrzaniu. Silnik prądu stałego nie ma takiej konstrukcji stojana — jego pole magnetyczne pochodzi albo z magnesu stałego, albo z oddzielnego uzwojenia pola, więc sterowanie prędkością działa zupełnie inaczej. Próba użycia falownika VFD w silniku prądu stałego przypomina używanie klucza jako śrubokręta: może pasować, ale nie będzie działać tak, jak powinien, i prawdopodobnie uszkodzisz oba narzędzia.
Zajmijmy się także tym, co się stanie, jeśli ktoś i tak spróbuje to zrobić. Przez lata mojej pracy jako dostawca słyszałem historie klientów, którzy testowali to i kończyli ze smażonymi silnikami lub uszkodzonymi napędami. Na przykład mały warsztat mechaniczny próbował kiedyś podłączyć 3-fazowy napęd VFD o mocy 3 KM do silnika prądu stałego w celu uzyskania niestandardowego przenośnika. Kiedy go włączyli, silnik wydał głośny brzęczący dźwięk, gwałtownie się zatrząsł i w ciągu 10 minut spalił uzwojenie twornika. VFD również musiał zostać wysłany do naprawy, ponieważ sygnał wyjściowy prądu przemiennego pomieszał jego wewnętrzne obwody sterujące. Jest to częsty wynik, ponieważ przetwornica częstotliwości nie jest zaprojektowana do regulowania zasilania prądem stałym do silnika prądu stałego, a silnik prądu stałego nie jest zbudowany do obsługi zasilania prądem przemiennym. Nie warto ryzykować, nawet jeśli wydaje się to tanim skrótem.
Kiedy więc przetwornica częstotliwości i silnik prądu stałego będą w ogóle współpracować? Jedyny scenariusz, jaki przychodzi mi na myśl, dotyczy układu hybrydowego, w którym silnik prądu stałego jest używany jako część układu hamowania regeneracyjnego, a przemiennik częstotliwości obsługuje sprzężenie zwrotne mocy. Nawet wtedy jest to wysoce wyspecjalizowana aplikacja, a nie standardowy przypadek użycia. Napędy regeneracyjne (rodzaj zaawansowanego napędu VFD) mogą przechwytywać energię z silnika pełniącego funkcję generatora — na przykład podczas zwalniania przenośnika — i wysyłać tę energię z powrotem do sieci energetycznej. Ale to dotyczy silników prądu przemiennego, a nie silników prądu stałego. W przypadku silnika prądu stałego w systemie regeneracyjnym nadal potrzebny będzie sterownik specyficzny dla prądu stałego do obsługi sprzężenia zwrotnego energii, a nie napęd VFD.
Jeśli Twoim celem jest kontrolowanie prędkości silnika prądu stałego, właściwym posunięciem będzie poszukiwanie regulatora prędkości silnika prądu stałego, a nie przetwornicy częstotliwości. Sterowniki te są przeznaczone do regulacji napięcia twornika lub prądu pola silników prądu stałego, dzięki czemu płynnie współpracują z konstrukcją silnika. Są również odpowiednio dobrane pod kątem poboru prądu silników prądu stałego, który, jak wspomniałem wcześniej, może być znacznie większy niż w przypadku silnika prądu przemiennego o tej samej mocy. Na przykład silnik prądu stałego o mocy 3 KM wymaga sterownika o obciążalności co najmniej 100 A, jeśli jest to napięcie 24 V, podczas gdy VFD o mocy 3 KM jest znamionowany tylko na około 7,5 A przy 230 V. Próba użycia w tym przypadku VFD oznaczałaby zbyt duże zmniejszenie rozmiaru sterownika, co prowadziłoby do przegrzania i awarii.
Jeśli pracujesz z silnikiem prądu przemiennego i zastanawiasz się, czy napęd VFD o mocy 3 KM będzie dla Ciebie odpowiedni, to właśnie w tym miejscu wyróżniają się nasze produkty. Nasz 3-fazowy napęd VFD o mocy 3 KM jest przystosowany do współpracy z szeroką gamą trójfazowych silników prądu przemiennego o mocy od 1/2 KM do 3 KM, w zależności od wydajności i zastosowania silnika. Obsługuje zarówno sterowanie V/Hz, jak i sterowanie wektorowe, co zapewnia bardziej precyzyjną kontrolę prędkości i wyższy moment obrotowy przy niskich prędkościach – idealne do zastosowań takich jak małe przenośniki, obrabiarki i sprzęt rolniczy. Oferujemy również inne falowniki VFD odpowiadające różnym potrzebom: jeśli masz silnik o mocy 5 KM, nasze jednofazowe wejście VFD o mocy 5 KM umożliwia korzystanie z zasilania jednofazowego, co jest powszechne w wielu zastosowaniach komercyjnych bez połączeń trójfazowych. W przypadku większych obciążeń nasza linia 3-fazowych przetwornic częstotliwości obejmuje modele o większej mocy znamionowej, dzięki czemu możesz znaleźć odpowiedni element dla swojego sprzętu.
Zakończmy to. Kluczowym wnioskiem jest to, że 3-fazowy napęd VFD o mocy 3 KM nie może być używany ze standardowym silnikiem prądu stałego. Ich wewnętrzne konstrukcje są dostosowane do różnych typów mocy i funkcji silnika, a próby ich sparowania będą prowadzić do słabej wydajności, możliwego uszkodzenia sprzętu i zagrożeń bezpieczeństwa. Jeśli potrzebujesz kontroli prędkości silnika prądu stałego, trzymaj się specjalnie zaprojektowanego sterownika silnika prądu stałego. Jeśli pracujesz z silnikiem prądu przemiennego i szukasz VFD, nasza linia przetwornic częstotliwości i VFD — w tym 3-fazowy VFD o mocy 3 KM, jednofazowy wejściowy VFD o mocy 5 KM i jednofazowy przemiennik częstotliwości do konfiguracji o niższej mocy — zostały zaprojektowane tak, aby niezawodnie spełniać potrzeby przemysłowe.
Jeśli masz pytania dotyczące odpowiedniego napędu VFD dla Twojego silnika prądu przemiennego, potrzebujesz pomocy w doborze napędu lub chcesz dowiedzieć się więcej o naszych produktach, skontaktuj się z nami. Jesteśmy tutaj, aby pomóc Ci znaleźć odpowiednie rozwiązanie dla Twojego sprzętu przemysłowego, niezależnie od zastosowania.
Referencje
- Sterowanie silnikiem elektrycznym: zasady i zastosowania, McGraw-Hill, 2019
- Projektowanie i działanie przetwornic częstotliwości, IEEE Press, 2021
- Podręcznik sterowania silnikami przemysłowymi, Krajowe Stowarzyszenie Producentów Elektryków (NEMA), 2020