Przemienniki cz stotliwo ci i silniki trójfazowe 

 

 

Moment obrotowy 

M

rozwijany przez silnik asynchroniczny jest proporcjonalny do 

pr du 

w

I

i strumienia 

φ

: 

w

I

M

×

φ

~

, gdzie 

w

I

 jest pr dem wirnika, a 

φ

 jest strumieniem 

magnetycznym w szczelinie powietrznej silnika. 

Do optymalizacji momentu obrotowego silnika, strumie  magnetyczny (

f

V

~

φ

)  

w szczelinie powietrznej silnika musi by  utrzymany na stałym poziomie. To znaczy,  e 

je li  zmieniamy  warto   cz stotliwo ci,  warto   napi cia  musi  by   zmieniona 

proporcjonalnie, rys. 1. 

 

 

Rys. 1. Sterowanie napi ciem w funkcji cz stotliwo ci - charakterystyka 

const

f

U

=

. 

 

Dla  ci kich  rozruchów  np.  w  podno nikach  rubowych,  konieczna  jest 

optymalizacja  momentu  rozruchowego  i  wymuszenie  dodatkowego  napi cia 

pocz tkowego 

0

U

.  W  le  dobranych  warunkach  zasilania  silnik  po  prostu  nie  ruszy. 

Kiedy silnik jest obci ony i pracuje w zakresie małych pr dko ci - 

Hz

f 10

−

, wyst puje 

du y  spadek  napi cia  na  rezystancji  uzwoje   stojana.  W  szczególno ci  dotyczy  to 

małych  silników.  W  konsekwencji  ten  spadek  napi cia  prowadzi  do  wyra nego 

osłabienia strumienia 

φ

 w szczelinie powietrznej. 

Aby  utrzyma   stały  strumie   silnika  spadek  napi cia  na  rezystancji  uzwoje  

silnika musi by  kompensowany, a najprostszymi metodami realizuj cymi ten cel s : 

•  zwi kszenie  napi cia  wyj ciowego  przemiennika  cz stotliwo ci  w  zakresie  małych 

pr dko ci silnika przez wykorzystanie otwartej p tli sterowania. 

•  regulacja  napi cia  wyj ciowego  przemiennika  cz stotliwo ci  poprzez  wykorzystanie 

oddziaływania na warto  składowej czynnej pr du wyj ciowego przemiennika. 

Ta  kompensacja  nazywana  jest:  kompensacj  

R

I

×

,  podbiciem  napi cia  (ang.  boost), 

zwi kszeniem  momentu  (ang.  torque  raising).  Taki  sposób  oddziaływania  na  warto  

napi cia  wyj ciowego  przemiennika  cz stotliwo ci  ma  pewne  ograniczenia  wynikaj ce  

z  wyst puj cych  zakłóce .  Uniemo liwiaj   one  wła ciwe  przeprowadzenie  pomiarów 

warto ci  skutecznej  napi cia  wyj ciowego  przemiennika,  szczególnie  przy  szybkich 

zmianach obci enia, np. w nap dach z wahadłowym obci eniem silnika rezystancja 

uzwojenia  fazowego  waha  si   w  granicach  25%  mi dzy  silnikiem  ciepłym  a  zimnym. 

Warto  napi cia kompensacji powinna wtedy przyjmowa  ró ne warto ci. Niewła ciwa 

warto   tego  napi cia  przy  silniku  nie  obci onym  mo e  prowadzi   do  jego 

przemagnesowania, a gdy silnik jest obci ony do zmniejszenia głównego strumienia. W 

przypadku  przemagnesowania  silnika,  nast pi  przepływ  składowej  biernej  pr du  o 

nadmiernej  warto ci,  co  prowadzi  do  przegrzewania  silnika.  W  przypadku  doci enia 

silnika  przemagnesowanego  b dzie  rozwijał  on  mały  moment  z  powodu  osłabionego 

strumienia głównego, co mo e spowodowa  jego zatrzymanie. 

 

Warunki pracy silnika 

 

Kompensacja 

 

W  niektórych  przypadkach  trudno  jest  wła ciwie  dostroi   przemiennik 

cz stotliwo ci  do  silnika,  niektóre  z  funkcji  kompensacyjnych  takie  jak  napi cie  startu 

0

U

, start, kompensacja po lizgu, s  trudne do zrozumienia.  

Jakkolwiek,  obecnie  bardziej  zaawansowane  technicznie  przemienniki 

cz stotliwo ci  automatycznie  kontroluj   te  parametry  kompensacyjne  na  podstawie 

cz stotliwo ci, napi cia i pr du silnika. Zwykle nastawy kompensacyjne mog  by  tak e 

zmieniane r cznie. 

 

Zale ne i niezale ne od obci enia silnika parametry kompensacji 

 

Parametry kompensacyjne umo liwiaj  zapewnienie optymalnego magnesowania 

i tym samym maksymalnego momentu, zarówno przy starcie silnika jak i od małych do 

maksymalnie  dopuszczalnych  pr dko ci  silnika.  Napi cie  przemiennika  otrzymuje 

odpowiednie napi cie dodatkowe, które efektywnie kompensuje wpływ spadku napi cia 

na rezystancji uzwoje  przy niskich cz stotliwo ciach. Zale ne od obci enia parametry 

wpływaj ce  na  warto   napi cia  dodatkowego  napi cia  kompensacji  -  start  

i  kompensacja  po lizgu,  zale   od  dokładno ci  pomiaru  pr du  obci enia  -  składowej 

czynnej  tego  pr du.  Parametr  -napicie  startu,  nie  zale y  od  obci enia  i  zapewnia 

optymaln  warto  momentu w zakresie małych pr dko ci silnika. 

Silniki,  które  s   znacznie  mniejsze  od  wymaganych  dla  danego  przemiennika 

cz stotliwo ci  potrzebuj   r cznego  ustawienia  napi cia  startu  dla  zapewnienia 

wła ciwego magnesowania w zakresie małych pr dko ci silnika – niskich cz stotliwo ci 

pracy przemiennika.  

Je li  kilka  silników  jest  doł czonych  do  jednego  przemiennika  cz stotliwo ci  -

praca  równoległa,  funkcje  kompensacji  napi cia  zale ne  od  obci enia  powinny  by  

wył czone.  W  przypadku  stosowania  przemienników  cz stotliwo ci  najnowszych 

generacji  kompensacja  napi cia,  w  typowych  zastosowaniach,  jest  realizowana 

automatycznie przez przemiennik cz stotliwo ci. 

 

 

 

Kompensacja po lizgu 

 

Po lizg  w  silnikach  asynchronicznych  jest  zale ny  od  obci enia  i  wynosi  około  5% 

pr dko ci nominalnej silnika. St d, dla dwubiegunowego silnika po lizg b dzie wynosi  

150  obr./min.  Przy  sterowaniu  silnika  przemiennikiem  cz stotliwo ci  po lizg  mo e 

wynosi   ok.  50%  w  zakresie  małych  obrotów  np.  300  obr./min.  (tj.  10%  warto ci 

nominalnej).Je li  przemiennik  cz stotliwo ci  steruje  prac   silnika  w  zakresie  5% 

warto ci  nominalnej  pr dko ci  obrotowej  przy  pełnym  obci eniu,  to  silnik  mo e  nie 

ruszy . Po lizg nie jest zjawiskiem korzystnym, lecz mo e by  w pełni skompensowany 

przez przemiennik cz stotliwo ci poprzez efektywny pomiar składowej czynnej pr du na 

wyj ciach fazowych - fazowych pr dów silnika. 

Kompensacja  po lizgu  jest  realizowana  przez  odpowiednie  zwi kszenie  cz stotliwo ci 

napi cia  wyj ciowego  przemiennika  cz stotliwo ci.  Ta  metoda  jest  nazywana  czynn  

kompensacj  po lizgu (ang. active slip compensation). 

 

 

Charakterystyki momentu silnika 

 

Ograniczenie pr dowe 

 

Je li  przemiennik  cz stotliwo ci  byłby  zdolny  do  przesłania  pr dów  wielokrotnie 

wi kszych  od  pr dów  znamionowych  silnika,  charakterystyki  momentu  mogłyby 

przebiega  jak przedstawione na rysunku 2. 

 

 

Rys. 2. Charakterystyki momentu silnika zasilanego z przemiennika cz stotliwo ci mog  by  

zawarte w zakresach zaznaczonych prostok tami. 

 

Tak du e pr dy, które mogłyby uszkodzi  silnik lub elementy energoelektroniczne 

przemiennika cz stotliwo ci, nie s  wymagane dla zapewnienia normalnej pracy silnika. 

W  konsekwencji  przemiennik  ogranicza  pr d  silnika  przez  zmniejszanie  napi cia  

i  cz stotliwo ci  wyj ciowej.  Poziom  ograniczenia  pr dowego  jest  regulowany  

i  gwarantuje,  e  silnik  nie  b dzie  pobierał  zbyt  du ego  pr du  przez  dłu szy  czas,  co 

mogłoby  doprowadzi   do  jego  uszkodzenia.  Poniewa   przemiennik  cz stotliwo ci 

steruje  pr dko ci   silnika  niezale nie  od  obci enia  mo liwe  jest  zadanie  ró nych 

warto ci poziomu ogranicze  pr dowych (pr dów granicznych) dla ró nych przedziałów 

pr dko ci obrotowych silnika. 

Charakterystyki momentu silnika zawieraj  si  w obszarze pr dów znamionowych 

przemiennika  cz stotliwo ci.  Jednak e  przewag   przemiennika  cz stotliwo ci  jest 

mo liwo   zwi kszenia  momentu  silnika  ponad  jego  moment  znamionowy,  

np. uzyskanie 160% warto ci momentu znamionowego przez dłu szy lub krótszy okres 

czasu. Jest tak e mo liwe dla przemiennika cz stotliwo ci sterowanie prac  silnika przy 

pr dko ciach wi kszych od jego pr dko ci synchronicznej. Silnik mo e pracowa  przy 

pr dko ciach nadsynchronicznych w zakresie ok. 200% nominalnych obrotów.  

Przemiennik  nie  jest  w  stanie  dostarczy   wy szego  napi cia  ni   napi cie  sieci,  

z  której  jest  zasilany,  co  prowadzi  do  zmniejszania  si   stosunku  napi cia  zasilania 

silnika  do  cz stotliwo ci  przy  przekraczaniu  pr dko ci  znamionowych.  Wówczas  pole 

magnetyczne  słabnie  i  moment  wytwarzany  na  wale  silnika  zmniejsza  si   w  stosunku 

n

1

. 

 

 

Rys. 3.  Moment silnika w I i II strefie regulacji (I - obszar pr dko ci podsynchronicznych,  

II – obszar pr dko ci nadsynchronicznych). 

 

Maksymalny pr d na wyj ciu przemiennika cz stotliwo ci pozostaje niezmieniony 

(

const

I

s

=

).  To  prowadzi  do  utrzymania  stałej  mocy  silnika  w  przedziale  pr dko ci  od 

nominalnej do ok. 200% ponad pr dko  nominaln . 

 

 

Rys. 4. Przebieg mocy czynnej silnika w funkcji pr dko ci obrotowej. 

 

Szybko  silnika mo e by  wyra ona na trzema ro nymi sposobami: 

• w obrotach na minut  - rpm, 

• w hercach - Hz, 

• 

w procentach nominalnej pr dko ci silnika - %. 

 

 

 

 

Punktem  odniesienia  jest  zawsze  pr dko   nominalna  przy  nominalnej 

cz stotliwo ci. 

 

 

Rys. 5. Przedstawienie opisu pr dko ci silnika (tutaj dla silnika dwubiegunowego). 

 

Zmiana  stosunku  napi cia  do  cz stotliwo ci  ma  wpływ  na  przebieg 

charakterystyk  momentu  obrotowego  silnika.  Na  rysunkach  poni ej  pokazany  jest 

przebieg  charakterystyk  momentu  w  zale no ci  od  stosunku 

f

U

,  zmniejszenie 

stosunku z warto ci 

Hz

V

0

.

8

 na 

Hz

V

7

.

6

 powoduje zmniejszenie warto ci momentu. 

 

 

Rys. 6. Przebieg momentu przy ró nych stosunkach U/f. 

 

Wymagania stawiane zaawansowanym cyfrowym przemiennikom 

cz stotliwo ci 

 

Rozwój  energoelektroniki,  technologii  mikroprocesorowej  oraz  układów  scalonych 

odegrały  ogromn   rol   w  rozwoju  nowoczesnych  przemienników  cz stotliwo ci,  

a  w  szczególno ci  opartych  na  układach  cyfrowych,  które  cechuj   si   wi ksz  

szybko ci  i dokładno ci  przetwarzania danych. 

Dodatkowymi atutami cyfrowych urz dze  stosowanych w nap dach s : 

• polepszenie powtarzalno ci i stabilno  parametrów sterowania, 

• łatwiejsze sterowanie układami pomiarowymi, 

• elastyczno  urz dze  w zastosowaniach do nietypowych aplikacji, 

•  precyzyjniejsze  sterowanie,  tak e  z  wi kszych  odległo ci  np.:  ł cza  modemowe 

RS485, itp. 

 

Stare  analogowe  przemienniki  cz stotliwo ci  posiadały  analogowe  podzespoły 

regulacyjne:  potencjometry,  elementy  bierne,  których  parametry  zmieniały  si   wraz  ze 

zmian   temperatury  i  co  stwarzało  dodatkowo  szereg  problemów  z  cz ciami 

zamiennymi.  Natomiast  w  przemiennikach  cyfrowych  jest  to,  e  wszystkie  parametry 

sterowania mog  by  zapisane w pami ci EEPROM. 

Mikroprocesor  pozwala  na  łatw   realizacj   takich  funkcji  jak:  czynna  kontrola 

przemiennika,  przeł czanie  mi dzy  zestawami  wprowadzanych  danych,  itp.  Nawet 

kompletne  procedury  programowe  -  sterowania  procesami  i  inne  w  pełni  inteligentne 

procedury dla nietypowych nap dów silników mog  by  zawarte w układzie sterowania 

przemiennika  cz stotliwo ci.  Produkowane  dzisiaj  przemienniki  cz stotliwo ci  do 

nap dów  silników  pr du  przemiennego  -  AC  charakteryzuj   si   odpowiednio  du  

dynamik   pracy  dla  szerokiego  zakresu  regulacji  pr dko ci  i  s   stosowane  

w  aplikacjach,  gdzie  poprzednio  jedynie  mo na  było  stosowa   przekształtniki  napi cia 

stałego - DC i silniki pr du stałego. Wymagania nap dów w nowych obszarach aplikacji 

spowodowały  porzucenie  techniki  sterowania  przemienników  wg  metody 

f

U

  

i  wprowadzone  zostały  do  przemienników  metody  sterowania  napi ciem  silnika  wg 

wektora napi cia zorientowanego polowo (ang. Field Oriented Vector Control). 

 

Dobór przemiennika cz stotliwo ci 

 

Kiedy decydujemy o rodzaju przemiennika cz stotliwo ci, pierwszym krokiem jest 

rozwa enie  przebiegu  charakterystyki  obci enia  silnika  funkcji  pr dko ci.  Mo emy 

wyró ni  cztery metody wyznaczania wymaganych osi gów wyj ciowych przemiennika 

cz stotliwo ci, wybór metody zale y od danych silnika. 

 

Rodzaje charakterystyk obci enia 

 

Zanim  zdecydujemy  si   na  okre lenie  rodzaju  przemiennika  cz stotliwo ci,  nale y 

rozwa y ,  która  z  dwóch  najcz ciej  wyst puj cych  charakterystyk  obci enia  jest  

w danym przypadku, rysunku 7.  

 

 

Rys. 7. Stałe i zmienne w kwadracie do pr dko ci obci enie momentem roboczym silnika. 

 

Przesłanki dla odró nienia charakterystyk obci enia s  nast puj ce: 

  kiedy  pr dko   pomp  od rodkowych  i  wentylatorów  wzrasta,  moc  równie  

wzrasta proporcjonalnie do pr dko ci w trzeciej pot dze 

)

(

3

n

f

P

=

, 

  podczas  normalnej  pracy  pomp  od rodkowych  i  wentylatorów  pr dko   jest 

regulowana  w  zakresie 

%

90

50

−

pr dko ci  znamionowej.  Obci enie  wzrasta  

w kwadracie pr dko ci obrotowej silnika i mo e przykładowo kształtowa  si  na 

poziomie 

%

80

30

−

. 

Te  dwa  czynniki  s   uwzgl dniane  w  charakterystykach  momentu  przemiennika 

cz stotliwo ci przy sterowaniu silnika. 

Rysunki  8  i  9  pokazuj   przebieg  charakterystyk  momentu  dla  dwóch  ro nych  pod 

wzgl dem mocy przemienników cz stotliwo ci - jeden z nich ma moc mniejsz  od mocy 

nominalnej silnika. Oba przemienniki obci one s  tym samym momentem, typowym dla 

pomp od rodkowych. 

 

 

Rys. 8. Du y przemiennik cz stotliwo ci - moc i pr dy dobrane do warto ci nominalnych silnika. 

 

 

Rys. 9. Mniejszy przemiennik cz stotliwo ci - moc i pr dy mniejsze od warto ci nominalnych silnika. 

 

Na  rysunku  8  mo emy  zauwa y ,  e  całkowity  obszar  pracy  pompy  (

%

100

0

−

) 

le y  w  granicach  warto ci  silnika.  Poniewa   obszar  normalnej  pracy  pompy  do  tego 

przypadku wynosi 

%

80

30

−

 pr dko ci znamionowej, dlatego przemiennik cz stotliwo ci  

o mniejszej mocy mo e by  tu tak e zastosowany.  

Je eli  obci enie  silnika  jest  stale,  silnik  musi  by   zdolny  do  wytworzenia 

wi kszego  momentu  ni   moment  obci aj cy.  Nadwy ka  momentu  zu ywana  jest  do 

zapewnienia odpowiedniego rozp dzania (przyspieszania) wału silnika.  

Moment  nadmiarowy  o  warto ci  ok. 

%

60

  wytwarzany  przez  przemiennik 

cz stotliwo ci  przez  krótki  okres  czasu,  jest  wystarczaj cy  dla  zapewnienia 

odpowiedniego  przyspieszenia  silnika  i  uzyskania  du ego  momentu  rozruchowego;  

np. w nap dzie ta moci gu. Mo liwo  przeci enia przemiennika zapewnia,  e system 

jest  zdolny  radzi   sobie  z  nagłym  chwilowym  wzrostem  obci enia.  Przemiennik 

cz stotliwo ci nie dopuszcza, aby jakiekolwiek przeci enie momentem M

B 

wykraczało 

poza  granice  zało one  granice,  np.  okre lone  parametrami  znamionowymi 

przemiennika, rysunek 10. 

 

 

Rys. 10. Nadmiarowy moment rozruchowy silnika jest wykorzystywany dla zapewnienia 

odpowiedniego przy pieszenia. 

 

Mo liwo   przeci enia  gwarantuje,  e  system  jest  zdolny  radzi   sobie  z  nagł  

zmian  obci enia. 

Kiedy  charakterystyki  obci enia  maszyny  roboczej  s   znane  –  przebieg 

momentu  obci enia  w  funkcji  pr dko ci  silnika,  wtedy  o  doborze  typu  przemiennika 

cz stotliwo ci decyduj  4 ro ne zestawy danych technicznych silnika. 

 

1.  Typ  przemiennika  cz stotliwo ci  mo e  zosta   szybko  i  dokładnie  wybrany  na 

podstawie pr du I

M

, który pobiera silnik. Je eli silnik nie jest w pełni obci ony, 

pr d  silnika  mo e  zosta   zmierzony  w  podobnym  nap dzie  pracuj cym  przy 

pełnej wydajno ci. 

 

 

Rys. 11. Wybór przemiennika cz stotliwo ci na podstawie nominalnego pr du silnika. 

 

2.  Przemiennik  cz stotliwo ci  mo na  dobiera   na  podstawie  mocy  pozornej 

M

S

 

pobieranej przez silnik i dostarczanej z przemiennika cz stotliwo ci.

 

 

 

Rys. 12. Wybór przemiennika cz stotliwo ci bazuj cy na warto ci mocy pozornej 

M

S

. 

 

3.  Przemiennik  mo e  by   równie   dobierany  wg  mocy  czynnej 

M

P

 

wytwarzanej 

przez silnik. Jednak e, poniewa  

ϕ

cos

 i sprawno  

η

 silnika zmieniaj  si  wraz 

z obci eniem, to ta metoda jest nieprecyzyjna. 

 

 

Rys. 13. Wybór przemiennika cz stotliwo ci w zale no ci od mocy czynnej na wale silnika. 

 

4.  Z  praktycznych  przyczyn  moc  znamionowa  wi kszo ci  przemienników  jest 

specyfikowana dla standardowych serii - typoszeregu silników asynchronicznych.  

W wyniku tego przemienniki cz sto s  dobierane na tej podstawie, ale mo e to 

prowadzi   do  nie  precyzyjnego  dopasowania,  w  szczególno ci  je eli  silnik  jest 

przeznaczony do pracy z nie pełnym obci eniem. 

 

Rys. 14. Wybór przemiennika na podstawie na podstawie standardowych serii silników. 

 

Rozpływ  pr du  w  przemienniku  cz stotliwo ci.  Współczynnik  mocy 

silnika 

ϕ

cos

 

 

Pr d  magnesuj cy  silnika  jest  przesyłany  z  kondensatora  obwodu  po redniego 

przemiennika cz stotliwo ci. Pr d magnesuj cy jest pr dem biernym płyn cym mi dzy 

kondensatorem i silnikiem, rys. 15. 

 

 

Rys. 15. Pr dy w przemienniku cz stotliwo ci. 

 

Tylko  pr d  czynny 

w

I

 

jest  pobierany  bezpo rednio  z  sieci  zasilaj cej.  Dlatego 

pr d  wyj ciowy  przemiennika  jest  zawsze  wi kszy  ni   jego  pr d  na  wej ciu  zasilania. 

Dodatkowo  cz

  pr du  czynnego 

SS

I

I

0

  pobierana  z  transformatora  sieci  zasilania 

powoduje  straty  wydzielane  w  sieci  zasilaj cej,  co  mo na  wyra nie  zaobserwowa   

w czasie pracy przemiennika cz stotliwo ci bez obci enia. 

 

 

Producenci  silników  normalnie  okre laj  

ϕ

cos

  przy  pr dzie  nominalnym.  Przy 

ni szej warto ci 

ϕ

cos

 - np. dla silnika reluktancyjnego, nominalny pr d silnika – przy tej 

samej mocy i nominalnym napi ciu – b dzie wi kszy, jak pokazuje poni sze równanie: 

ϕ

cos

w

s

I

I

=

 

Je eli  przemiennik  został  dobrany  zgodnie  z  kryterium  pr dowym  -  metoda  1, 

wtedy  nie  b dzie  mo liwa  adna  redukcja  nominalnego  momentu  obrotowego. 

Kondensator doł czony do zacisków uzwoje  silnika zapewnienia odpowiedniego pr du 

biernego kompensacji musi by  usuni ty. Wysoka cz stotliwo  przeł czania zaworów 

mocy falownika przemiennika cz stotliwo ci powoduje, składowej przemiennej pr du na 

kondensatorze obwodu po redniego, prowadzi to do znacznego wzrostu pr du upływu 

w  obwodzie  po rednim.  Przemiennik  b dzie  traktował  to  jako  zwarcie  doziemne  lub 

zwarcie mi dzyfazowe zasilania i wył czy si . 

 

Sterowanie pr dko ci  obrotow  silnika 

 

Cz stotliwo  na wyj ciu przemiennika cz stotliwo ci, a wiec pr dko  obrotowa 

silnika  jest  sterowana  przez  jeden  lub  wi cej  sygnałów:  0-10V;  4-20mA  albo  napi cie 

pulsacyjne,  -  okre lanych  jako  sygnały  referencyjne  pr dko ci.  Je eli  warto   sygnału 

referencji wzrasta, pr dko  silnika tak e si  zwi ksza i pionowa cz

 charakterystyki 

momentu obrotowego silnika jest przesuwana w prawo rys. 16. 

 

 

Rys.16. Zale no  pomi dzy sygnałem zadawania pr dko ci i charakterystyk  momentu silnika 

obrotowego silnika. 

 

Gdy  moment  obci aj cy  jest  mniejszy  ni   maksymalny  moment  nap dowy 

silnika,  pr dko   silnika  osi gnie  zadan   warto .  Jak  pokazano  na  rysunku  17 

charakterystyka  momentu  obci enia  przecina  charakterystyk   momentu  nap dowego 

silnika w pionowej cz ci - punkt A. Je eli przeci cie znajduje si  w poziomej cz ci - 

punkt  B,  pr dko   silnika  nie  mo e  osi gn   wymaganej  dla  pracy  ci głej  zadanej 

warto ci.  Przemiennik  umo liwia  przekroczenie  -  przez  krótki  czas,  uderzenia 

pr dowego,  tj.  pr du  wi kszego  ni   zadana  maksymalna  warto   pr du  ci głego,  bez 

zatrzymania nap du - punkt C, ale trzeba pami ta  o ograniczeniu czasu jego trwania. 

 

Rys. 17. Pr d silnika mo e przez krótki czas przekroczy  dopuszczaln  warto  okre lon  

nastawami przemiennika cz stotliwo ci. 

 

Minimalne czasy zwi kszania i zmniejszania pr dko ci silnika 

 

Czas  zwi kszania  pr dko ci,  rozruchu  silnika  (ang.  ramp  up  time,  acceleration 

time)  okre la,  kiedy  nast pi  osi gni cie  maksymalnej  pr dko ci  silnika  od  chwili  jego 

startu.  Czas  ten  oznaczany  jest  jako 

acc

t

  i  bazuje  zwykle  na  cz stotliwo ci  nominalnej 

silnika,  np. 

sek

t

acc

5

=

.,  co  oznacza,  e  przemiennik  osi gnie  po  5  sekundach 

cz stotliwo  synchroniczn  pracy silnika od 

Hz

0

 do 

Hz

50

. 

 

 

Rys. 18. Minimalne czasy przyspieszania i zwalniania pr dko ci obrotowej silnika. 

 

Czas  zmniejszania  pr dko ci  (ang.  ramp  down  time,  deceleranion  time)  - 

hamowania silnika, wskazuje jak szybko silnik od pr dko ci nominalnej mo e osi gn  

pr dko   zerow .  Oznaczany  jest  jako 

dec

t

.Mo liwe  jest  bezpo rednie  przej cie  od 

przyspieszania  do  hamowania,  poniewa   obroty  silnika  zawsze  uzale nione  s   od  

cz stotliwo ci napi cia na wyj ciach mocy falownika przemiennika cz stotliwo ci. Je eli 

moment  bezwładno ci  wału  silnika  jest  znany,  optymalne  czasy  przyspieszania  

i hamowania mog  by  obliczone wg równa : 

 

gdzie: J - moment bezwładno ci wału silnika, 

fric

T

 

- moment oporów tarcia układu, 

acc

T

 

-  moment  przyspieszaj cy, 

dec

T

  -  moment  hamuj cy,  który  wyst puje,  gdy 

pr dko   zadana  –  referencyjna  jest  redukowana, 

1

n

  i 

2

n

 

pr dko ci  przy 

cz stotliwo ci 

1

f

 

i 

2

f

. 

Je li  przemiennik  cz stotliwo ci  na  pewien  krótki  czas  zostanie  przeci ony, 

wtedy momenty silnika w czasie przyspieszania i zmniejszania jego pr dko ci obrotowej 

d

  do  warto ci  znamionowej.  W  praktyce  czasy  przyspieszania  i  hamowania  s  

identyczne. 

 

Hamowanie dynamiczne 

 

Kiedy  pr dko   jest  zmniejszana  silnik  pracuje  jako  generator  i  hamuje. 

Efektywno   hamowania  zale y  od  zastosowanej  metody  hamowania,  wielko ci  

i  rodzaju  obci enia  silnika.  Dla  przykładu,  przy  hamowaniu  maszyn   synchroniczn  

silnika  obci onego  du   mas   bezwładn :  wirówki,  młyny  kulowe,  du a  ilo   energii 

jest przekazywana przez silnik do sieci zasilania.  

Silniki  podł czone  bezpo rednio  do  sieci  zasilaj cej  dostarczaj   moc  hamuj c  

(odzyskow ) bezpo rednio do niej.  

Je eli  silnik  jest  sterowany  przez  przemiennik  cz stotliwo ci,  moc  wytworzona 

przez silnik w czasie hamowania jest dostarczana i gromadzona w obwodzie po rednim 

DC  przemiennika.  Gdy  moc  hamuj ca  (odzyskowa)  przewy sza  straty  mocy  

w przemienniku, napi cie stałe kondensatorów w obwodzie po rednim wzrasta. 

Napi cie  w  obwodzie  po rednim  mo e  wzrasta   do  czasu,  a   nast pi 

zatrzymanie  pracy  przemiennika  wskutek  zadziałania  układów  zabezpieczaj cych, 

czasami  jest  konieczne  umieszczenie  modułu  obci enia  obwodu  po redniego 

przemiennika,  nazywanego  modułem  hamuj cym  i  rezystora  zewn trznego  do 

absorbowania  mocy  wytworzonej  podczas  hamowania.  U ycie  modułu  hamowania  

i rezystora hamuj cego umo liwia szybkie hamowanie układów z du ym obci eniem, 

rys 19. Jednak e mo e to spowodowa  problemy z odprowadzaniem ciepła. Alternatyw  

jest  jednostka  hamuj ca  umo liwiaj ca  przekazywanie  energii  do  sieci  zasilania. 

Rekuperacja  energii  do  sieci  zasilaj cej  w  przemiennikach  z  niesterowanym 

prostownikiem  jest  mo liwa  jedynie,  poprzez  moduły  hamowania  odzyskowego 

współpracuj ce z obwodem po rednim przemiennika, które przetwarzaj  napi cie stałe 

na przemienne o parametrach sieci zasilania. Przykładowo moc hamowania mo e by  

przesyłana do sieci - rysunek 20, np. przez dodatkowy falownik w przeciw równoległym 

poł czeniu do niesterowanego lub sterowanego prostownika. 

 

 

Rys.19. Układ hamowania rezystancyjnego silnika: moduł hamuj cy (przerywacz pr du - ang. 

chopper) i rezystor. 

 

 

Rys. 20. Układ hamowania odzyskowego: falownik przeciw równolegle doł czony do 

sterowanego prostownika przemiennika cz stotliwo ci. 

 

Innym  rodzajem  hamowania  jest  hamowanie  pr dem  stałym  (ang.  DC  brake). 

Polega  ono  na  przył czeniu  pomi dzy  dwie  fazy  pracuj cego  silnika  napi cia  stałego, 

które  wytwarza  w  uzwojeniach  silnika  stałe  pole  magnetyczne  w  stojanie.  Moc 

hamowania  wydziela  si   w  postaci  ciepła  w  silniku,  dlatego  mo liwe  jest  jego 

przegrzanie.  Aby  do  tego  nie  dopu ci   zaleca  si   stosowanie  tego  hamowania  

w  zakresie  mniejszych  pr dko ci  wówczas  pr d  silnika  nie  b dzie  przekraczał  jego 

warto ci.  Podstawowym  ograniczeniem  hamowania  pr dem  stałym  jest  przede 

wszystkim warto  stałego napi cia hamowania i czas hamowania. 

 

Zmiana kierunku wirowania 

 

Kierunek wirowania w silnikach asynchronicznych jest okre lony przez kolejno  

doł czonych faz napi cia zasilania. Je eli dwie fazy zostan  mi dzy sob  zamienione 

zmieni si  kierunek wirowania wału silnika. Wi kszo  silników jest produkowana tak,  e 

wał  obraca  si   zgodnie  ze  wskazówkami  zegarka,  je eli  jest  poł czony  według 

nast puj cego schematu: 

 

Rys. 21. Zmiana kierunków obrotów przez zmian  kolejno ci faz: kierunek normalny - kierunek 

rewersyjny. 

 

Kolejno   faz  na  wyj ciach  mocy  przemiennika  cz stotliwo ci  jest  wła ciwa  dla 

pracy  w  normalnym  kierunku  wirowania  wału  silnika  niezale nie  od  kolejno ci  faz 

napi cia zasilania.  

Przy  współpracy  przemiennika  z  silnikiem  przemiennik  mo e  programowo  –  

w  sposób  elektroniczny,  dokonywa   zmiany  kolejno ci  faz  zasilania  silnika.  Zmiana 

kierunku jest realizowana przez zadanie sygnału referencji o przeciwnej polaryzacji lub 

cyfrowy sygnał wej ciowy. Je eli od silnika wymagany jest okre lony kierunek wirowania 

wału  silnika  przy  pierwszym  rozruchu,  wtedy  wa na  jest  informacja  o  nastawach 

fabrycznych przemiennika. Poniewa  przemiennik cz stotliwo ci ogranicza pr d silnika 

do  ustalonej  -  zwykle  nominalnej  warto ci,  dlatego  zmiana  kierunku  wirowania  wału 

mo e by  realizowana o wiele cz ciej ni  w silniku zasilanym bezpo rednio do sieci. 

 

 

Rys. 22. Moment hamuj cy przemiennika podczas zmiany kierunku obrotów. 

 

Czasy rozruchu i hamowania silnika 

 

Wszystkie  przemienniki  maj   funkcje  programowania  warto ci  czasów  rozruchu  

i  hamowania,  zapewniaj ce  łagodne  warunki  pracy  układu  nap dowego.  Czasy  te  s  

zadawane  i  gwarantuj ,  e  szybko   wirowania  wału  silnika  wzrasta  lub  maleje  wg 

ustalonej wst pnie warto ci. 

 

 

Rys. 23. Ustawiany przez u ytkownika czas zwi kszania i zmniejszania pr dko ci silnika. 

 

Je eli  zadane  czasy  zmian  pr dko ci  silnika  s   zbyt  małe,  wtedy  w  pewnych 

sytuacjach silnik nie b dzie nad ał ze zmian  pr dko ci. Prowadzi to do wzrostu pr du 

silnika  a   do  osi gni cia  jego  warto ci  granicznej.  W  przypadku  zbyt  krótkiego  czasu 

zmniejszania pr dko ci (ang. rampdown time) t

-rd

, napi cie stałe w obwodzie po rednim 

mo e  wzrosn   do  takiego  poziomu,  e  zadziała  obwód  ochronny  przemiennika  

i zostanie on wył czony. Optymalny czas zwi kszania i zmniejszania pr dko ci silnika 

mo e by  obliczany na podstawie poni szych wzorów: 

 

 

gdzie:   t

ramp-up 

- czas rozp dzania wału silnika od warto ci zero do warto ci znamionowej, 

t

ramp-down 

- czas zwalniania pr dko ci wału silnika od pr dko ci znamionowej do zera, 

n

N 

- obroty znamionowe w obr./min, 

T

N 

- moment znamionowy, 

T

fric 

- moment oporów tarcia układu, 

J - moment bezwładno ci układu nap dowego. 

Czasy narastania s  zwykle wyznaczane na podstawie nominalnej pr dko ci silnika 

 

 

Rys. 24. Sposób wyznaczania czasów zwi kszania i zmniejszania pr dko ci wału silnika. 

 

Monitorowanie nap du 

 

Przemienniki mog  monitorowa  sterowany nap d i interweniowa  w przypadku 

wyst pienia  zakłóce .  To  monitorowanie  mo e  dotyczy   trzech  obszarów  zagadnie : 

urz dzenia produkcyjnego, silnika i przemiennika cz stotliwo ci.  

Monitorowania urz dzenia produkcyjnego opiera si  na informacji o warto ciach: 

cz stotliwo ci wyj ciowej, pr du i momentu obci enia silnika.  

Pewna grupa tych parametrów granicznych mo e zosta  zapisana i je eli zostan  

one przekroczone zadziała funkcja kontroli przemiennika. Bazuj c na tych wielko ciach 

mog   by   ustawione  okre lone  ich  ograniczenia  i  ich  przekroczenie  spowoduje 

okre lon  reakcj  układu sterowania przemiennika.  

Te  granice  mog   dotyczy   dopuszczalnych  minimalnych  pr dko ci  silnika, 

dopuszczalnego maksymalnego pr du silnika lub dopuszczalnego momentu obci enia. 

Je li  warto ci  graniczne  zostan   przekroczone  przemiennik  mo e,  np.:  by  

zaprogramowany  na  wysłanie  sygnału  ostrzegawczego,  zmniejszenie  pr dko ci 

obrotowej silnika lub zatrzymanie go - tak szybko jak to mo liwe. 

 

Wpływ obci enia na nagrzewanie si  silnika 

 

Gdy silnik jest poł czony z przemiennikiem cz stotliwo ci to w czasie jego pracy 

musi by  utrzymywana wła ciwa temperatura, a wpływ na to maj  czynniki: 

• je li nast puje spadek pr dko ci silnika, to jest słabsza wentylacja uzwoje , 

•  je li  wyst pi  niesinusoidalny  pr d  silnika,  to  spowoduje  wytworzenie  zwi kszonej 

temperatury uzwoje . 

Przy  niskich  obrotach  silnika  jego  wentylator  nie  jest  zdolny  zapewni  

wystarczaj cej ilo ci powietrza do odbioru ciepła. Ten problem powstaje, je eli moment 

obci enia  jest  stały  w  całym  obszarze  regulacji  pr dko ci  silnika.  Ta  zmieszona 

wentylacja  decyduje  o  dopuszczalnej  warto ci  stało  momentowego  obci enia  silnika. 

Je eli  silnik  pracuje  w  obszarze  regulacji  pr dko ci  ze  100%  momentem  obci enia  

i  jego  pr dko   obrotowa  jest  mniejsza  od  połowy  jego  pr dko ci  nominalnej,  wtedy 

silnik potrzebuje dodatkowego powietrza dla zapewnienia wła ciwego chłodzenia, szary 

obszar na rys. 25).  

Alternatywnie  stopie   obci enia  silnika  mo e  by   zmniejszony  przez  dobranie 

wi kszego silnika. Jednak e nale y zwróci  uwag  na to,  e nie mo e by  dobrany za 

du y silnik do danego przemiennika. 

 

 

Rys. 25. Obszary zapotrzebowania na wymuszone chłodzenie dla silnika dopasowanego 

i przewymiarowanego w stosunku do obci enia: 

 wykres 1 - silnik o mocy nominalnej np. 15kW, 

 wykres 2 - silnik przewymiarowany np. 22kW. 

 

 

Je eli  pr d  silnika nie  jest sinusoidalny,  to nie  mo e  on  by   obci any  w  100% przez 

cały czas pracy, poniewa  wy sze harmoniczne pr du powoduj  zwi kszone straty i tym 

samym zwi kszan  temperatur  silnika. 

 

 

Rys. 26. Pr d niesinusoidalny silnika powoduje powstawanie dodatkowych strat. 

 

Sprawno  urz dze  układu nap dowego 

 

Sprawno    jest definiowana jako stosunek czynnej mocy oddanej 

2

P

 

do czynnej 

mocy pobranej 

1

P

: 

1

2

P

P

=

η

. 

Ró nica  miedzy  P

1 

i  P

2 

jest  definiowana  jako  moc  strat 

v

P

 

,  np.  jest  to  moc 

wydzielana w postaci ciepła w danym urz dzeniu. 

 

Rys. 27. Moc czynna dostarczona, moc strat i moc czynna oddana - sprawno . 

Sprawno   mo e  by   oddzielnie  wyznaczona  dla  przemiennika  cz stotliwo ci  

i  silnika  oraz  dla  układu  nap dowego:  przemiennik  -  silnik  (sprawno   systemu).  
Sprawno   przemiennika: 

1

2

P

P

,  Sprawno   silnika: 

2

3

P

P

,  Sprawno   systemu: 

1

3

P

P

.  Na 

poni szych  wykresach  przedstawiono  do wiadczalnie  wyznaczone  charakterystyki 

sprawno ci urz dze  układu nap dowego. 

 

 

Rys. 28. Sprawno  przemiennika cz stotliwo ci przy obci eniu 100%(A) i 25%(B) obci eniu. 

 

 

Rys. 29. Sprawno  typowego silnika zasilanego z przemiennika cz stotliwo ci przy obci eniu 

100%(A) i 25%(B). 

 

Wykresy  pokazuj   ze  sprawno   silnika  ma  bardzo  podstawowy  wpływ  na 

sprawno   systemu.  Sprawno   przemiennika  cz stotliwo ci  jest  wysoka  dla  du ych  

i małych poziomów obci enia w całym zakresie regulacji pr dko ci silnika. Mo na te  

zauwa y ,  e  sprawno ci  s   najni sze  przy  małych  pr dko ciach.  Jednak e  to  nie 

znaczy,  e całkowite straty s  najwi ksze przy tych pr dko ciach. 

 

 

Rys. 30. Sprawno  całego układu nap dowego: przemiennik – silnik  

przy obci eniu 100%(A) i 25%(B) 

 

Dane i obliczenia do rysunku 30. 

1. 

min

/

 

800 obr

n

=

, 

W

P

 

9628

3

=

 , 

%

 

3

,

77

=

η

.

 

  

W

P

P

 

4

,

12455

3

1

=

=

η

, 

W

P

P

P

v

 

4

,

2827

2

1

=

−

=

. 

2. 

min

/

 

500 obr

n

=

, 

W

P

 

1500

3

=

, 

%

 

70

=

η

,

 

W

P

P

 

2143

3

1

=

=

η

, 

W

P

P

P

v

 

643

2

1

=

−

=

 

 

Wysoka sprawno  przemienników cz stotliwo ci daje wiele korzy ci: 

  wi ksza sprawno  powoduje mniejsze straty cieplne systemu, które musz  by  

usuni te z instalacji. Jest to wa ne, gdy przemiennik jest zintegrowany z panelem 

sterowania, 

  mniejsze  straty  cieplne  wyst puj   w  półprzewodnikowych  zaworach  mocy 

falownika  i  dławikach  przemiennika  cz stotliwo ci  co  wpływa  na  zmniejszenie 

zu ywania  si   tych  elementów  -  zwi ksza  si   ich  ywotno ,  a  przez  to  jest 

dłu szy okres bezawaryjnego u ytkowania przemiennika, 

 

wy sza sprawno  to ni sze zu ycie energii.