O zastosowaniu falowników (a dokładnie przemienników częstotliwości) słyszał już każdy, kto miał choć odrobinę styczności z automatyką przemysłową. Standardowo, sterując silnikiem elektrycznym przy pomocy falownika, wykorzystujemy przedział częstotliwości od 0 do 50 Hz, odpowiadający maksymalnej częstotliwości napięcia zasilającego. W tym zakresie moment obrotowy silnika jest stały, a dalsze zwiększanie częstotliwości napięcia zasilania powyżej 50 Hz w celu zwiększenia prędkości powoduje gwałtowny spadek momentu. Istnieje jednak sposób, który pozwala na uniknięcie tego zjawiska – tak zwana „technika 87 Hz”, o której mało kto słyszał, a może być wykorzystana w większości powszechnie używanych silników. W niniejszym artykule opisano w jaki sposób i w jakich przypadkach możliwe jest zastosowanie tytułowej techniki 87 Hz.
Jak to zrobić?
W pierwszej kolejności musimy dysponować silnikiem umożliwiającym podłączenie trójkąt/gwiazda o napięciu znamionowym 230/400 V AC (większość silników o mocy do 5,5 kW). Tabliczka znamionowa przykładowego silnika spełniającego warunek przedstawiona jest na rys. 1. Uzwojenia takiego silnika należy podłączyć w trójkąt (3×230 V AC), a następnie dobrać falownik uwzględniając fakt, że prąd pobierany przez silnik będzie o około 1,73 razy większy, niż prąd znamionowy odczytany z tabliczki (przy podłączeniu uzwojeń w gwiazdę). W dobranym falowniku ustawiamy parametry:
-częstotliwość znamionową na 87 Hz,
-napięcie znamionowe 3×400 V (pomimo połączenia w trójkąt 3×230 V).
Rys. 1. Tabliczka znamionowa silnika z uzwojeniem 230/400 V trójkąt/gwiazda.
Tyle od strony praktycznej, teraz krótkie wyjaśnienie teoretyczne, skąd to wszystko się wzięło. W metodzie sterowania skalarnego, aby zachować stały moment wraz ze zmianą prędkości, musimy zachować stały stosunek napięcia do częstotliwości (U/f = const). Silnik podłączony w trójkąt działa na napięcie 230 V przy częstotliwości 50 Hz. Stosunek U/f wynosi wówczas 230/50 = 4,6. Przy podłączeniu w gwiazdę napięcie zasilania wzrasta do 400 V, zatem aby zachować stały moment, musimy zwiększyć częstotliwość do 87 Hz (400/87 = 4,6), jak na rys.2. Napięcie 400 V na fazę silnika nie stanowi zagrożenia, ponieważ jest ono podane przy zwiększonej proporcjonalnie częstotliwości, więc nie powoduje to zwiększenia wartości prądu. Z powyższego wynika również, że nie można zastosować techniki 87 Hz w silnikach dużej mocy z uzwojeniem 400/690 V, ponieważ przy połączeniu takiego silnika w trójkąt nie mamy możliwości zasilenia napięciem większym niż dostępne w sieci, czyli 400 V.
Rys. 2. Porównanie charakterystyki U/f i techniki 87 Hz.
O czym należy pamiętać?
Wykorzystanie techniki 87 Hz zachowuje stały moment znamionowy, jednak powoduje zmianę parametrów silnika takich jak moc, prędkość i prąd znamionowy. Wzrastają one o 1,73 (pierwiastek z 3). W wyniku zwiększenia prędkości, wzrastają drgania generowane przez napęd, łożyska poddawane są większym obciążeniom, a tym samym żywotność ulega skróceniu. Chcąc skorzystać z techniki 87 Hz musimy zwrócić uwagę, czy producent silnika przewidział możliwość pracy przy zwiększonej prędkości obrotowej. Często w takich sytuacjach zalecane jest użycie silnika o jeden typoszereg większy, niż wymagany w danym zastosowaniu (przykładowo zamiast silnika o mocy znamionowej 5,5 kW, wykorzystujemy silnik 7,5 kW), w celu zapewnienia odpowiedniego chłodzenia. Zwykle jednak napędy dobierane są z zapasem mocy i nie jest konieczne ich dodatkowe przewymiarowanie.
Technika nie jest zalecana w przypadku silników dwubiegunowych, ponieważ ich prędkość mogłaby wzrosnąć do niebezpiecznej wartości 5000 obr/min. W związku z tym główne zastosowanie znajduje w przypadku silników czterobiegunowych, których prędkość maksymalna wzrośnie z 1500 obr/min do około 2800 obr/min.
Innym zjawiskiem wynikającym z zastosowania techniki 87 Hz jest zwiększenie hałasu, co również musi być wzięte pod uwagę.
W jakich sytuacjach możemy wykorzystać?
Z techniki 87 Hz możemy skorzystać wszędzie tam, gdzie brakuje wydajności urządzeń, które już pracują na częstotliwości napięcia 50 Hz (pompy, wentylatory, napędy jazdy), a wiemy, że ich konstrukcja pozwala na pracę przy większej prędkości. Dzięki temu możemy uniknąć stosowania dodatkowych przekładni.
Podsumowując, technika 87 Hz pozwala na zwiększenie wydajności istniejącej maszyny, lub pozwala na dobór napędów o mniejszych wymiarach w przypadku projektu nowego urządzenia. Przed jej zastosowaniem należy się jednak upewnić, że w rozważanej aplikacji, nie spowoduje uszkodzenia wynikających z przyspieszonego zużycia elementów mechanicznych.
