Wszystkie przemienniki częstotliwości dostępne na rynku posiadają bardzo podobna budowę. Większe różnice dostrzegamy dopiero w oprogramowaniu. To, co wyróżnia najlepsze modele poza jakością zastosowanych materiałów, co jest jakby oczywiste, to odpowiedni dobór komponentów pod względem przeciążalności, ich zabezpieczenia i żywotności oraz algorytmów mających zasadniczy wpływ na pracę, jakość sterowania, oszczędności energii, a także ilości posiadanych funkcji. Z uwagi właśnie na te walory użytkowe oraz zakres możliwości prezentujemy budowę oraz poszczególne funkcje na modelach Mitsubishi Electric. W każdym standardowym przemienniku częstotliwości, w tym również Mitsubishi, wyróżniamy cztery główne bloki składowe:
- Prostownik wejściowy – na wejściu umiejscowiony jest przeważnie 6 – pulsowy prostownik niesterowalny, zbudowany w oparciu o diody. Gdy podajemy zasilanie napięcie i prąd są prostowane. Po przejściu przez prostownik 6 pulsowy wytwarzane jest pulsacyjne napięcie DC o wysokości 324VDC przy zasilaniu 1F – 230VAC oraz 564VDC dla 3F-400VAC (wyprostowane napięcie = napięcie wejściowe x pierwiastek z dwóch). Przy pracy z silnikiem – wielkość napięcia DC się zmienia. Gdy przyspieszamy silnikiem lub pracujemy na prędkości zadanej – przeważnie napięcie DC delikatnie spada. Podczas zwalniania lub dynamicznego hamowania natomiast – silnik działa w trybie regeneratywnym, napięcie wraca do przemiennika i podnosi napięcie DC do pewnej granicznej wartości. W jednostkach dużej mocy spotkać się możecie z prostownikami w połowie sterowalnymi – zbudowane są w oparciu o diody oraz tyrystory. W modelach z możliwością zwrotu energii do sieci prostownik wejściowy jest w pełni sterowalny i zbudowany jest w oparciu o tranzystory.
- Szyna DC, układ pośredni DC – tuż za prostownikiem wejściowym instaluje się kondensator lub częściej bank kondensatorów, który gromadzi wyprostowane napięcie i prąd DC. Tutaj przechowuje się odpowiednią ilość energii konieczną do przeprowadzenia rozruchu i przyspieszania silnikiem lub możliwości odpowiedzi napędu na dynamicznie zmieniający się moment obciążenia. Bank kondensatorów operuje z napięciem DC w zakresie 300-400VDC w przypadku zasilania jednofazowego 230VAC oraz w zakresie 500-800VDC w przypadku zasilania trójfazowego 400VAC. Gdy przyspieszamy silnikiem – podajemy na jego zaciski energię przez co przemiennik odczuwa spadek napięcia DC. W przypadku hamowania – silnik działa jak generator i energia wraca do przemiennika, dodatkowo ładuje kondensator DC i przy osiągnięciu granicy 400 lub 800VDC (w zależności od typu zasilania 230VAC lub 400VAC) odłącza się od silnika i wyświetla najczęściej kod błędu („OVT – OverVoltage”). W takim wypadku lepiej operować jednostką, która ma wbudowany moduł hamowania czyli dodatkowy tranzystor umiejscowiony w szynie DC, do którego z kolei podłączamy zewnętrzny rezystor hamowania. W takiej konfiguracji po zbytnim naładowaniu się kondensatora DC – przemiennik rozładowuje go za pomocą zewnętrznego rezystora hamowania (wydziela się na rezystorze ciepło, które jest rozpraszane do otoczenia). Często w szynie DC producenci umiejscawiają dodatkowy dławik DC (najczęściej dla mocy 30KW i wyżej lub nawet 75KW i wyżej). Zmniejsza on pobór prądu, poprawia współczynnik mocy układu oraz minimalizuje generowanie harmonicznych prądowych.
- Człon wyjściowy – ostatni element wyjściowy przemiennika to falownik, czyli coś zupełnie odwrotnego od prostownika. Konwertuje on z wyprostowanego prądu DC prąd AC o ustalonej amplitudzie i częstotliwości. Zbudowany jest z sześciu tranzystorów IGBT – po dwa na każdą fazę. Na wyjściu wytwarzane jest przemienne napięcie AC przesunięte o 120 stopni o regulowanej wartości i częstotliwości. W jaki sposób falownik zamienia prąd DC na prąd AC? Robi to przy pomocy sterowania PWM. Dokładnie mówiąc za pomocą PWM z naniesioną sinusoidą oraz piłokształtnym przebiegiem skośnym. Sterowanie PWM to nic innego jak załączanie tranzystorów przez ustalony czas. Kontrolując czas załączenia tranzystora – wydłużamy lub skracamy czas przewodzenia tranzystora, a co za tym idzie sterujemy szerokością wygenerowanego impulsu (dłuższy czas – szerszy impuls). Na wyjściu falownika wytwarzamy napięciowy przebieg prostokątny. Załączamy i wyłączamy pary tranzystorów do 20 tysięcy razy na sekundę.
- Układ sterowania i zabezpieczeń wraz z interfejsem użytkownika – wszystkie bloki składowe kontrolowane i zabezpieczane są przez układ sterowania. Oprogramowanie zaimplementowane jest w procesorze CPU. Jako interfejs użytkownika najczęściej mamy na myśli zabudowany panel sterowniczy wraz z przyciskami, fizyczne wejścia/wyjścia oraz sieci komunikacyjne jak np. Modbus, Ethernet, BacNet, Profinet, itd.
Jak już wspomniano na początku, na jakość przemiennika nie wpływają jedynie użyte komponenty, lecz w dużej mierze również oprogramowanie i doświadczenie danego dostawcy na rynku. Niemal wszystkie nowe modele przemienników są zazwyczaj obarczone „problemami wieku dziecięcego” co oznacza, że często posiadają wady ukryte (często bez świadomości producenta). Dlatego warto współpracować z czołowymi producentami, którzy mają wieloletnie doświadczenie w produkcji jak i wdrażaniu tego typu urządzeń. Mitsubishi Electric jako jedyny na rynku dostawca oferuje swoim użytkownikom aż trzy lata gwarancji w standardzie. U innych dostawców okres gwarancji kończy się na 12 lub 24 miesiącach.
Z tej lekcji zapamiętujemy najważniejsze aspekty:
- Przemiennik zbudowany jest z czterech głównych bloków składowych: prostownika wejściowego, szyny DC, falownika oraz układu sterowania i zabezpieczeń.
- Przemienniki posiadają lub nie wbudowany moduł hamowania. Moduł hamowania to tranzystor osadzony na szynie DC.
- Do modułu hamowania podłączamy zewnętrzny rezystor hamowania w celu rozładowania kondensatora DC.
- Silnik może pracować w pracy motorycznej i regeneratywnej.
- Wbudowany dławik DC w obwodzie DC poprawia współczynnik mocy i zmniejsza odkształcenia prądu.
- Fala wyjściowa z przemiennika to napięciowy przebieg prostokątny z naniesioną „sieczką” płynącą od tranzystorów IGBT.
- Przemienniki ze zwrotem energii do sieci posiadają w pełni sterowalny prostownik na wejściu zbudowany w oparciu o tranzystory.