Ce este un convertizor de frecvență? Ce este un soft starter?
Fig. 1 Convertizor de frecvență Danfoss Micro FC51
Un convertizor de frecvență (întâlnit în literatură și ca variator de frecvență, variator de turație, convertor de frecvență sau invertor, în engleză Variable Frequency Drive – VFD sau Variable Speed Drive – VSD), este un aparat care generează o tensiune electrică alternativă de frecvență variabilă, folosit pentru acționarea motoarelor electrice, în aplicații unde este necesară varierea turației lor. Folosirea lor poate conduce la importante economii de energie electrică, ele eliminând de asemenea șocul de curent care apare la pornirea directă a motoarelor, deoarece pornirea nu se face brusc, ci crescând gradual turația motorului de la 0 rotații/min, până la turația nominală a acestuia.
Convertizoarele de frecvență sunt utilizate pe scară largă: în sistemele HVAC (încălzire, ventilație, aer condiționat), grupuri de pompare, acționari macarale, lifturi, scări rulante, benzi transportoare, etc. În sistemele de ventilație ale clădirilor mari convertizoarele de frecvență ale ventilatoarelor ajută la economia de energie prin reglarea turației acestora în funcție de necesarul de aer din clădire. În grupurile de pompare convertizoarele reglează turația motoarelor ce acționează pompele în funcție de consumul de apă, așa încât acestea să nu pompeze mai multă apă decât este nevoie. În fiecare din cazuri convertizorul de frecvență citește prin intermediul unui traductor sau senzor (de presiune, de temperatură, de debit, etc) parametrii procesului reglat, urmând să ajusteze turația motoarelor controlate la parametrii doriți de utilizator prin ceea ce se numește reacție inversă (feedback).
În industrie ele sunt folosite pe scară largă atât pentru economia de energie pe care o oferă, dar și pentru alte avantaje, cum ar fi înlocuirea completă a cutiilor de viteze mecanice. Dacă acum câteva zeci de ani o anumită turație la un cuplu constant nu putea fi obținută decât cu ajutorul cutiilor de viteză mecanice, în momentul de față, convertizoarele de frecvența permit obținerea unei plaje foarte largi de turații, la un cuplu constant și la prețuri mult mai mici.
Designul și funcționarea unui convertizor de frecvență
Este un lucru binecunoscut că viteză unui motor asincron depinde de numărul de poli ai motorului și de frecvența tensiunii aplicate acestuia. Amplitudinea tensiunii aplicate, precum și sarcina motorului influențează de asemenea viteză motorului, însă nu în aceeași măsură.
Ca urmare, variind frecvența tensiunii aplicate motorului este cea mai bună metodă de a controla viteza motorului.
Fig. 2 Deplasarea caracteristicii cuplului motor la varierea frecvenței.
Controlul frecvența/tensiune determina o deplasare a caracteristicii cuplului motor, odată cu varierea turației. Figura de mai sus arată caracteristică cuplului motor(M) că funcție de viteză, în două puncte de frecvența/tensiune diferite.
Nu are loc o reducere notabilă a eficienței, de aceea această metodă este mai atractivă decât altele (de exemplu prin controlul defazajului prin care se pierde foarte multă energie). Economia de energie este unul din principalele motive pentru care grupurile de pompare (dar nu numai) sunt acționate prin intermediul convertizoarelor de frecvența.
Componentele unui convertizor de frecvență
Principial, toate convertizoarele de frecvența sunt alcătuite din aceleași blocuri funcționale, indiferent dacă vorbim de convertizoare de frecvența integrate, cum este cazul pompelor Grundfos din gama E (de exemplu UPE 2000, TPE, CRE) sau de sine stătătoare, cum este cazul celor din gama Danfoss VLT (MicroDrive, VLT2800, HVAC, AquaDrive, AutomationDrive). Funcția de baza este de a converti tensiunea de la rețea (3 x 400 V, 50Hz) într-o tensiune continuă, apoi utilizând un circuit intermediar de stocare a energiei sub formă unei baterii de condensatoare de a converti această tensiune continuă intermediară într-o tensiune alternativă cu alți parametri de amplitudine și frecvența. Această succesiune de transformări de la o tensiune alternativă, la una continuă și apoi din nou la una alternativă a făcut că în literatură de specialitate, convertizorul de frecvența să fie numit și invertor, deoarece “inversează” de două ori formă de energie absorbită din rețeaua de alimentare națională (alternativ – continuu – alternativ).
Controlul vitezei prin metodă U/f (tensiune/frecvența) este foarte important, deoarece permit integrarea în multe aplicații. De exemplu motorul unui conveior are nevoie de un cuplu constant la ax, întrucât sarcina să nu variază semnificativ, convertizorul trebuind să ofere o tensiune la care raportul dintre tensiune și frecvența să fie constant. O aplicație de pompare pe de altă parte este caracterizată printr-o scădere rapidă cuplului la scăderea vitezei, ceea ce necesită un raport U/f variabil. Rezultatul acestui control al U/f este o eficientă crescută la variațiile de viteză. Algortimii de reglare sunt atât de eficienți încât permit gamei Danfoss VLT HVAC să aibă o eficientă energetică minimă de doar 98%!
Blocurile funcționale ce compun un convertizor de frecvență sunt următoarele:
A. Electronică de putere
- Filtrul RFI (Radio Frequency Interference)
- Punctea rectificatoare
- Circuitul intermediar
- Circuitul de protecție
- Invertorul
B. Electronică de control
- Driverul
- Modulatorul sinusoidal
- Circuitul de măsură
- Procesorul
- Interfața cu utilizatorul
Mai jos le vom analiza pe fiecare în parte.
A. Electronica de putere
1. Filtrul RFI (electronica de putere)
Acest bloc nu face parte din funcțiile de baza ale unui convertizor de frecvența și ar putea fi omis . Totuși, pentru a se îndeplini cerințele directivei EMC (compatibilitate electromagnetica) a Uniunii Europene, acest filtru este necesar. Compatibilitatea electromagnetica este proprietatea unui echipament de a nu fi afectat de zgomotul electric din rețeaua de alimentare (perturbații electromagnetice) și totodată de a nu emite zgomot electric înapoi în rețea.
Filtrul RFI face posibilă blocarea armonicelor (perturbații) de un nivel ridicat înspre rețeaua de alimentare, armonice ce ar putea provoca funcționarea defectuasă a altor echipamente. De asemenea filtrul RFI blochează și perturbațiile care vin din rețea, generate de alte echipamente, protejând astfel convertizorul atât pentru o funcționare corectă, cât și împotriva distrugerii anumitor componente electronice ale acestuia.
Compatibilitatea electromagnetică, așa cum este definită de standardele europene actuale, împarte emisiile electromagnetice în două clase, după zona în care sunt folosite echipamentele care provoacă sau care trebuie protejate de aceste emisii: zone rezidențiale și zone industriale. La rândul ei, fiecare zona mai are două clase definite de standardul EN55011, care însă nu fac obiectul acestui tutorial.
2. Puntea rectificatoare
Puntea rectificatoare constă în general din 6 diode (pentru cazul în care convertizorul de frecvența are alimentare trifazică). În cazul în care convertizorul de frecvența are alimentare monofazatanumarul diodelor se reduce la 4. Rolul acestei punți este de a rectifică tensiunea alternativă, adică de a o transformă într-o tensiune continuă, energia sub această formă fiind stocată în circuitul intermediar. Transferul de energie de la punctea rectificatoare la circuitul intermediar este foarte neuniform, având că o consecință directă absorbirea unui curent nesinusoidal de la rețea de către convertizorul de frecvența (cum ar fi în cazul în care motorul asincron ar fi cuplat direct la rețea). Curentul absorbit de convertizorul de frecvența constă din pulsuri de durata scurtă, având amplitudine mare. Mai jos vom arată cum se corectează acest comportament.
3. Circuitul intermediar
Circuitul intermediar conține câteva capacități, în care puntea rectificatoare “depozitează” energia absorbită din rețea și de unde invertorul absoarbe energia pe care o debitează către motor. Între puntea rectificatoare și circuitul intermediar există o bobină de șoc, al cărei rol este de a “netezi” formă de undă nesinusoidala despre care am discutat la paragraful precedent și totodată de a reduce valoarea maximă a curentului de încărcare a capacităților. Prin această se asigura un timp de viață mai lung al capacităților, precum și proprietăți de compatibilitate electromagnetica mai bune ale convertizorului de frecvența.
4. Circuitul de protecție
Când convertizorul de frecvența este conectat la rețea, circuitul intermediar trebuie să se încarce cu energie, pentru a atinge tensiunea nominală de funcționare. Prima încărcare nu trebuie să se producă prea repede, deoarece ar putea provoca o supratensiune în circuitul intermediar. De asemenea, încărcarea unei capacități prea repede are că rezultat un vârf de curent în rețeaua de alimentare, fapt ce poate determina arderea sigurantelor de protecție a convertizorului. Pentru a realiza o încărcare lentă se inseriaza o rezistență în acest circuit. Când tensiunea continuă a atins nivelul nominal de funcționare, rezistență este scurtcircuitată de activarea unui tranzistor aflat în paralel cu această. În decursul funcționarii normale tranzistorul scurtcircuiteaza rezistență, asigurând o încărcare normală a capacității, fără pierderi notabile de energie.
5. Invertorul
Invertorul constă din 6 tranzistoare care comută în urmă comenzilor venite de la circuitul de control. Toate cele 6 tranzsitoare au câte o diodă în paralel și sunt aranjați pe trei ramuri, fiecare ramură conținând două tranzistoare. Punctele centrale ale celor 3 ramuri sunt conectate la bornele motorului, făcând posibilă conectarea unei borne a motorului fie la o bornă pozitivă fie la una negativă a invertorului.
Exemplu: Dacă tranzistorul numărul 1 este deschis, bornă U este conectată la plus. Dacă tranzsitorul numărul 4 este deschis în același timp, bornă V este conectată la minus, făcând astfel că dinspre bornă UV a motorului să se vadă tensiunea pe care o produce circuitul intermediar. Inversarea stării celor două tranzistoare face că tensiunea pe care o vede motorul să fie inversă. În acest fel, din perspectiva motorului, invertorul produce o tensiune alternativă (de aceea convertizorul de frecvența mai este denumit și invertor). De fapt invertorul produce o formă de undă dreptunghiulară cu factor de umplere variabil, așa cum este ilustrat în figura de mai jos:
Fig. 3 Tensiune alternativa cu frevență variabilă (fm) și amplitudine variabilă(Umotor)
Valoarea medie a acestei forme de unde este aproximativ sinusoidală, având frecvența și amplitudinea dorite. Tensiunea aplicată la bornele motorului este variată prin varierea factorului de umplere, fără a schimbă frecvența. Acest principiu se numește PWM (Pulse Widht Modulation, adică modularea prin varierea factorului de undă al unei forme de unde dreptunghiulare) și este cel mai folosit în convertizoarele de freceventa actuale, curentul absorbit de motor fiind aproape sinusoidal.
B. Electronică de control
6. Driverul
Toate tranzistoarele din circuitul invertor și din circuitul de protecție sunt comandate de un singur circuit, circuitul driver. Rolul acestui circuit este să comute tranzistoarele într-o manieră sigură, care să evite hazardul combinațional. În eventualitatea unei suprasarcini, acest circuit are rolul de a detecta și opri funcționarea înainte ca echipamentele să intre într-o stare critică de funcționare.
7. Modulatorul sinusoidal
Acest circuit generează modelul pe care trebuie să îl urmeze în comutare cele 6 tranzistoare ale invertorului, în urmă comenzilor primite de la circuitul driver pentru a obține tensiunea dorită la motor.
8. Circuitul de măsură
Circuitul de măsură monitorizează parametrii electrici ai curentului și tensiunii, pentru a asigura funcționarea corectă a convertizorului de frecvența și a motorului pe care acesta îl deservește. De asemenea acest circuit măsoară temperatura în punctele critice ale convertizorului de frecvența, în zona de putere a acestuia. Procesorul preia toate aceste date și ia măsurile care se impun (de exemplu oprește convertizorul de frecvența în cazul în care se atinge o temperatura prea mare a acestuia).
9. Procesorul
Procesorul se ocupă cu controlul general al funcționarii convertizorului de frecvența, cum ar fi rampă de pornire sau de oprire, interpretarea semnalelor start/stop, protecția motorului și tratarea erorilor. În același timp se ocupă și cu controlul aplicației în care este integrat convertizorul de frecvența. De exemplu într-o aplicație de pompare , folosindu-se de regulatorul PID integrat și de un semnal de la un traductor de presiune, variază turația pompei astfel încât să mențînă o presiune constanța in rețea indiferent de consumul acesteia, care de mai multe ori este variabil. De asemenea procesorul se ocupă și de comunicația la distanță prin intermediul diverselor protocoale puse la dispoziție de producător. În general toate aplicațiile software și datele despre motor sau pompă sunt interpretate de procesor.
10. Interfața cu utilizatorul
Întreaga comunicație dintre convertizorul de frecvența și alte echipamente sau utilizatorii umani se desfășoară prin intermediul această interfață. Aici semnalele foarte sensibile din electronică de control sunt transformate în semnale industriale standard (0 – 20mA, 4 – 20mA, 0 – 10V, etc) sau protocoale de comunicație (Modbus, Profibus, DeviceNet, EtherNet/IP, etc).
Soft starterul este fratele mai mic al convertizorului de frecvența nu atât prin tehnologia utilizată, ci prin funcția pe care o îndeplinește. Un soft starter se folosește atunci când se dorește pornirea “în rampă” a unui motor, adică pornind de la starea de repaus, se crește gradual turația acestuia până când se atinge turația nominală. Acest lucru nu mai este făcut prin varierea frecvenței, că la convertizorul de frecvența, ci prin varierea tensiunii aplicate. Spre deosebire de convertizorul de frecvența însă, soft starterul nu are capacitatea de reglare a turației. Acest lucru se manifestă prin preț, un soft starter fiind cu mult mai ieftin decât un convertizor de frecvența.
Din prezentarea de mai sus este clar că cel mai avantajos echipament din punct de vedere tehnic este convertizorul de frecvența. Cu toate acestea, el nu se justifică economic în toate situațiile.
Avantajele pe care convertizorul de frecvență le introduce sunt:
- economia de energie de ordinul zecilor de procente față de varianta fără convertizor de frecvența obținută în principal datorită faptului că motorul va funcționa exact la turația optimă.
- diminuarea sensibilă a șocurilor provocate de pornirea motoarelor mari
- creșterea semnificativă a factorului de putere până la peste 0,95. Această are că o consecință directă o altă economie de energie (reactivă) pe de o parte, iar pe de altă parte nu mai este necesară instalația de compensare a energiei reactive.
- integrare facilă în cadrul echipamentelor de automatizare, rețelelor PLC, DCS, etc
Ca dezavantaje putem menționa prețul mai mare decât al unui soft starter.
Aplicațiile cele mai frecvente pentru un soft starter sunt cele în care acesta este folosit la pornirea lentă a unui motor, pentru a evita șocul de curent pe care acesta îl provoacă în rețea atunci când este pornit direct. Mai multe detalii despre modalitățile de pornire a motoarelor asincrone trifazate găsiți la tutorialul despre pornirea motoarelor.