Ce este un convertizor de frecventa? Ce este un soft starter? Ce este si la ce folosesc convertizorul de frecventa si soft starterul? Rolul convertizorului de frecventa si al soft starterului intr-o instalatie industriala. Un convertizor de frecventa (intalnit in literatura si ca variator de frecventa, variator de turatie, convertor de frecventa sau invertor, in engleză Variable Frequency Drive – VFD sau Variable Speed Drive – VSD), este un aparat care generează o tensiune electrica alternativa de frecventa variabila, folosit pentru actionarea motoarelor electrice, in aplicatii unde este necesara varierea turatiei lor. Folosirea lor poate conduce la importante economii de energie electrica, ele eliminand deasemenea socul de curent care apare la pornirea directa a motoarelor, deoarece pornirea nu se face brusc, ci crescand gradual turatia motorului de la 0 rotatii/min, pana la turatia nominala a acestuia. Convertizoarele de frecventa sunt utilizate pe scara larga: in sistemele HVAC (incalzire, ventilatie, aer conditionat), grupuri de pompare, actionari macarale, lifturi, scari rulante, benzi transportoare, etc. In sistemele de ventilatie ale cladirilor mari convertizoarele de frecventa ale ventilatoarelor ajuta la economia de energie prin reglarea turatiei acestora in functie de necesarul de aer din cladire. In grupurile de pompare convertizoarele regleaza turatia motoarelor ce actioneaza pompele in functie de consumul de apa, asa incat acestea sa nu pompeze mai multa apa decat este nevoie. In fiecare din cazuri convertizorul de frecventa citeste prin intermediul unui traductor sau senzor (de presiune, de temperatura, de debit, etc) parametrii procesului reglat, urmand sa ajusteze turatia motoarelor controlate la parametrii doriti de utilizator prin ceea ce se numeste reactie inversa (feedback). In industrie ele sunt folosite pe scara larga atat pentru economia de energie pe care o ofera, dar si pentru alte avantaje, cum ar fi inlocuirea completa a cutiilor de viteze mecanice. Daca acum cateva zeci de ani o anumita turatie la un cuplu constant nu putea fi obtinuta decat cu ajutorul cutiilor de viteza mecanice, in momentul de fata, convertizoarele de frecventa permit obtinerea unei plaje foarte largi de turatii, la un cuplu constant si la preturi mult mai mici. Designul si functionarea unui convertizor de frecventa Este un lucru binecunoscut ca viteza unui motor asincron depinde de numarul de poli ai motorului si de frecventa tensiunii aplicate acestuia. Amplitudinea tensiunii aplicate, precum si sarcina motorului influenteaza de asemenea viteza motorului, insa nu in aceeasi masura. Ca urmare, variind frecventa tensiunii aplicate motorului este cea mai buna metoda de a controla viteza motorului.
Fig. 1 Deplasarea caracteristicii cuplului motor la varierea frecventei. Controlul frecventa/tensiune determina o deplasare a caracteristicii cuplului motor, odata cu varierea turatiei. Figura de mai sus arata caracteristica cuplului motor(M) ca functie de viteza, in doua puncte de frecventa/tensiune diferite.
Nu are loc o reducere notabila a eficientei, de aceea aceasta metoda este mai atractiva decat altele (de exemplu prin controlul defazajului prin care se pierde foarte multa energie). Economia de energie este unul din principalele motive pentru care grupurile de pompare (dar nu numai) sunt actionate prin intermediul convertizoarelor de frecventa. Componentele unui convertizor de frecventa Principial, toate convertizoarele de frecventa sunt alcatuite din aceleasi blocuri functionale, indiferent daca vorbim de convertizoare de frecventa integrate, cum este cazul pompelor Grundfos din gama E (de exemplu UPE 2000, TPE, CRE) sau de sine statatoare, cum este cazul celor din gama Danfoss VLT (MicroDrive, VLT2800, HVAC, AquaDrive, AutomationDrive). Functia de baza este de a converti tensiunea de la retea (3 x 400 V, 50Hz) intr-o tensiune continua, apoi utilizand un circuit intermediar de stocare a energiei sub forma unei baterii de condensatoare de a converti aceasta tensiune continua intermediara intr-o tensiune alternativa cu alti parametri de amplitudine si frecventa. Aceasta succesiune de transformari de la o tensiune alternativa, la una continua si apoi din nou la una alternativa a facut ca in literatura de specialitate, convertizorul de frecventa sa fie numit si invertor, deoarece “inverseaza” de doua ori forma de energie absorbita din reteaua de alimentare nationala (alternativ – continuu – alternativ). Controlul vitezei prin metoda U/f (tensiune/frecventa) este foarte important, deoarece permit integrarea in multe aplicatii. De exemplu motorul unui conveior are nevoie de un cuplu constant la ax, intrucat sarcina sa nu variaza semnificativ, convertizorul trebuind sa ofere o tensiune la care raportul dintre tensiune si frecventa sa fie constant. O aplicatie de pompare pe de alta parte este caracterizata printr-o scadere rapida cuplului la scaderea vitezei, ceea ce necesita un raport U/f variabil. Rezultatul acestui control al U/f este o eficienta crescuta la variatiile de viteza. Algortimii de reglare sunt atat de eficienti incat permit gamei Danfoss VLT HVAC sa aiba o eficienta energetica minima de doar 98%! Blocurile functionale ce compun un convertizor de frecventa sunt urmatoarele: A. Electronica de putere 1. 2. 3. 4. 5.
Filtrul RFI (Radio Frequency Interference) Punctea rectificatoare Circuitul intermediar Circuitul de protectie Invertorul
B. Electronica de control 1. 2. 3. 4. 5.
Driverul Modulatorul sinusoidal Circuitul de masura Procesorul Interfata cu utilizatorul
Mai jos le vom analiza pe fiecare in parte. A. Electronica de putere 1. Filtrul RFI (electronica de putere) Acest bloc nu face parte din functiile de baza ale unui convertizor de frecventa si ar putea fi omis . Totusi, pentru a se indeplini cerintele 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 reteaua de alimentare (perturbatii electromagnetice) si totodata de a nu emite zgomot electric inapoi in retea. Filtrul RFI face posibila blocarea armonicelor (perturbatii) de un nivel ridicat inspre reteaua de alimentare, armonice ce ar putea provoca functionarea defectuasa a altor echipamente. De asemenea
filtrul RFI blocheaza si perturbatiile care vin din retea, generate de alte echipamente, protejand astfel convertizorul atat pentru o functionare corecta, cat si impotriva distrugerii anumitor componente electronice ale acestuia. Compatibilitatea electromagnetica, asa cum este definita de standardele europene actuale, imparte emisiile electromagnetice in doua clase, dupa zona in care sunt folosite echipamentele care provoaca sau care trebuie protejate de aceste emisii: zone rezidentiale si zone industriale. La randul ei, fiecare zona mai are doua clase definite de standardul EN55011, care insa nu fac obiectul acestui tutorial. 2. Puntea rectificatoare Puntea rectificatoare consta in general din 6 diode (pentru cazul in care convertizorul de frecventa are alimentare trifazica). In cazul in care convertizorul de frecventa are alimentare monofazatanumarul diodelor se reduce la 4. Rolul acestei punti este de a rectifica tensiunea alternativa, adica de a o transforma intr-o tensiune continua, energia sub aceasta forma fiind stocata in circuitul intermediar. Transferul de energie de la punctea rectificatoare la circuitul intermediar este foarte neuniform, avand ca o consecinta directa absorbirea unui curent nesinusoidal de la retea de catre convertizorul de frecventa (cum ar fi in cazul in care motorul asincron ar fi cuplat direct la retea). Curentul absorbit de convertizorul de frecventa consta din pulsuri de durata scurta, avand amplitudine mare. Mai jos vom arata cum se corecteaza acest comportament. 3. Circuitul intermediar Circuitul intermediar contine cateva capacitati, in care puntea rectificatoare “depoziteaza” energia absorbita din retea si de unde invertorul absoarbe energia pe care o debiteaza catre motor. Intre puntea rectificatoare si circuitul intermediar exista o bobina de soc, al carei rol este de a “netezi” forma de unda nesinusoidala despre care am discutat la paragraful precedent si totodata de a reduce valoarea maxima a curentului de incarcare a capacitatilor. Prin aceasta se asigura un timp de viata mai lung al capacitatilor, precum si proprietati de compatibilitate electromagnetica mai bune ale convertizorului de frecventa. 4. Circuitul de protectie Cand convertizorul de frecventa este conectat la retea, circuitul intermediar trebuie sa se incarce cu energie, pentru a atinge tensiunea nominala de functionare. Prima incarcare nu trebuie sa se produca prea repede, deoarece ar putea provoca o supratensiune in circuitul intermediar. De asemenea, incarcarea unei capacitati prea repede are ca rezultat un varf de curent in reteaua de alimentare, fapt ce poate determina arderea sigurantelor de protectie a convertizorului. Pentru a realiza o incarcare lenta se inseriaza o rezistenta in acest circuit. Cand tensiunea continua a atins nivelul nominal de functionare, rezistenta este scurtcircuitata de activarea unui tranzistor aflat in paralel cu aceasta. In decursul functionarii normale tranzistorul scurtcircuiteaza rezistenta, asigurand o incarcare normala a capacitatii, fara pierderi notabile de energie. 5. Invertorul Invertorul consta din 6 tranzistoare care comuta in urma comenzilor venite de la circuitul de control. Toate cele 6 tranzsitoare au cate o dioda in paralel si sunt aranjati pe trei ramuri, fiecare ramura continand doua tranzistoare. Punctele centrale ale celor 3 ramuri sunt conectate la bornele motorului, facand posibila conectarea unei borne a motorului fie la o borna pozitiva fie la una negativa a invertorului. Exemplu: Daca tranzistorul numarul 1 este deschis, borna U este conectata la plus. Daca tranzsitorul numarul 4 este deschis in acelasi timp, borna V este conectata la minus, facand astfel ca dinspre borna UV a motorului sa se vada tensiunea pe care o produce circuitul intermediar. Inversarea starii celor doua tranzistoare face ca tensiunea pe care o vede motorul sa fie inversa. In acest fel, din perspectiva motorului, invertorul produce o tensiune alternativa (de aceea convertizorul de frecventa mai este denumit si invertor). De fapt invertorul produce o forma de unda dreptunghiulara
cu factor de umplere variabil, asa cum este ilustrat in figura de mai jos:
Fig. 2 Tensiune alternativa cu freventa variabila(fm) si amplitudinevariabila(Umotor) Valoarea medie a acestei forme de unde este aproximativ sinusoidala, avand frecventa si amplitudinea dorite. Tensiunea aplicata la bornele motorului este variata prin varierea factorului de umplere, fara a schimba frecventa. Acest principiu se numeste PWM (Pulse Widht Modulation, adica modularea prin varierea factorului de unda al unei forme de unde dreptunghiulare) si este cel mai folosit in convertizoarele de freceventa actuale, curentul absorbit de motor fiind aproape sinusoidal. B. Electronica de control 6. Driverul Toate tranzistoarele din circuitul invertor si din circuitul de protectie sunt comandate de un singur circuit, circuitul driver. Rolul acestui circuit este sa comute tranzistoarele intr-o maniera sigura, care sa evite hazardul combinational. In eventualiztatea unei suprasarcini, acest circuit are rolul de a detecta si opri functionarea inainte ca echipamentele sa intre intr-o stare critica de functionare. 7. Modulatorul sinusoidal Acest circuit genereaza modelul pe care trebuie sa il urmeze in comutare cele 6 tranzistoare ale invertorului, in urma comenzilor primite de la circuitul driver pentru a obtine tensiunea dorita la motor. 8. Circuitul de masura Circuitul de masura monitorizeaza parametrii electrici ai curentului si tensiunii, pentru a asigura functionarea corecta a convertizorului de frecventa si a motorului pe care acesta il deserveste. De asemenea acest circuit masoara temperatura in punctele critice ale convertizorului de frecventa, in zona de putere a acestuia. Procesorul preia toate aceste date si ia masurile care se impun (de exemplu opreste convertizorul de frecventa in cazul in care se atinge o temperatura prea mare a acestuia). 9. Procesorul Procesorul se ocupa cu controlul general al functionarii convertizorului de frecventa, cum ar fi rampa de pornire sau de oprire, interpretarea semnalelor start/stop, protectia motorului si tratarea erorilor. In acelasi timp se ocupa si cu controlul aplicatiei in care este integrat convertizorul de frecventa. De exemplu intr-o aplicatie de pompare , folosindu-se de regulatorul PID integrat si de un semnal de la un traductor de presiune, variaza turatia pompei astfel incat sa mentina o presiune constanta in retea indiferent de consumul acesteia, care de mai multe ori este variabil. De asemenea procesorul se ocupa si de comunicatia la distanta prin intermediul diverselor protocoale puse la dispozitie de producator. In general toate aplicatiile software si datele despre motor sau pompa sunt interpretate de procesor. 10. Interfata cu utilizatorul Intreaga comunicatie dintre convertizorul de frecventa si alte echipamente sau utilizatorii umani se desfasoara prin intermediul aceasta interfata. Aici semnalele foarte sensibile din electronica de
control sunt transformate in semnale industriale standard (0 – 20mA, 4 – 20mA, 0 – 10V, etc) sau protocoale de comunicatie (Modbus, Profibus, DeviceNet, EtherNet/IP, etc). Soft starterul este fratele mai mic al convertizorului de frecventa nu atat prin tehnologia utilizata, ci prin functia pe care o indeplineste. Un soft starter se foloseste atunci cand se doreste pornirea “in rampa” a unui motor, adica pornind de la starea de repaus, se creste gradual turatia acestuia pana cand se atinge turatia nominala. Acest lucru nu mai este facut prin varierea frecventei, ca la convertizorul de frecventa, ci prin varierea tensiunii aplicate. Spre deosebire de convertizorul de frecventa insa, soft starterul nu are capacitatea de reglare a turatiei. Acest lucru se manifesta prin pret, un soft starter fiind cu mult mai ieftin decat un convertizor de frecventa. Din prezentarea de mai sus este clar ca cel mai avantajos echipament din punct de vedere tehnic este convertizorul de frecventa. Cu toate acestea, el nu se justifica economic in toate situatiile. Avantajele pe care convertizorul de frecventa le introduce sunt: • economia de energie de ordinul zecilor de procente fata de varianta fara convertizor de frecventa obtinuta in principal datorita faptului ca motorul va functiona exact la turatia optima. • diminuarea sensibila a socurilor provocate de pornirea motoarelor mari • cresterea semnificativa a factorului de putere pana la peste 0,95. Aceasta are ca o consecinta directa o alta economie de energie (reactiva) pe de o parte, iar pe de alta parte nu mai este necesara instalatia de compensare a energiei reactive. • integrare facila in cadrul echipamentelor de automatizare, retelelor PLC, DCS, etc