Przetwornice częstotliwości: Instalacja w szafie sterowniczej czy zdecentralizowana w miejscu eksploatacji?

Przetwornice częstotliwości umożliwiają elastyczną regulację prędkości obrotowej silnika i dlatego są niezbędnym elementem zautomatyzowanych rozwiązań produkcyjnych. Mogą być instalowane w szafie sterowniczej, jak i bezpośrednio na silniku lub w jego pobliżu. Jaka jest różnica między obiema strategiami? Jaka koncepcja napędu jest odpowiednia dla danego zastosowania? Przedstawiamy szereg różnych opcji i wskazujemy jakie czynniki należy uwzględniać.

Zwykle nie ma jednego właściwego rozwiązania – zbyt wiele czynników odgrywa rolę w wyborze koncepcji napędu. Każda strategia ma swoje zalety i wady. Zakres mocy przetwornicy częstotliwości nie jest jedynym kryterium decyzyjnym za lub przeciw instalacji w szafie sterowniczej. Takie aspekty jak struktura instalacji, środowisko instalacji, wymagania dotyczące efektywności, wymagania konserwacyjne i możliwości dopasowania również mają znaczenie i powinny być uwzględnione w rozważaniach. 

Wersja klasyczna: falownik w szafie

Tradycyjnie wszystkie elektryczne i elektroniczne komponenty systemu, a więc także przetwornice częstotliwości, są umieszczone w szafie sterowniczej. Chroni to zarówno wrażliwą elektronikę znajdującą się wewnątrz, jak i zewnętrzne środowisko produkcyjne. Zanieczyszczenia, pył, ciepło, wilgoć i wpływy elektromagnetyczne nie mogą przeniknąć, a emisje elektromagnetyczne, niebezpieczne napięcia lub potencjalne pożary nie mogą wydostać się na zewnątrz.

Ogólnie rzecz biorąc, elektronika napędowa znajduje się w szafie sterowniczej w 80% wszystkich zastosowań. Taka architektura sterowania dominuje przede wszystkim w budowie maszyn. W większości przypadków przestrzenne oddzielenie silnika i techniki sterowania ma podłoże historyczne, ale w niektórych zastosowaniach jest również korzystne, zwłaszcza w przypadku dużej mocy i ekstremalnych warunków otoczenia. Wybuchowe gazy, mgły i pary wymagają tak zaawansowanych środków ochronnych, że decentralizacja jest wprawdzie technicznie możliwa, ale byłaby ekonomicznie nieopłacalna. Obszary wrażliwe, takie jak przemysł przetwórczy, branża chemiczna i lakierowanie, w większości przypadków wykorzystują instalację w szafie sterowniczej. W niektórych zastosowaniach może również istnieć potrzeba centralnego dostępu do przetwornic częstotliwości.

Zalety decentralizacji

W związku z zaobserwowaniem rosnącego znaczenia koncepcji systemowej popularne stają się zdecentralizowane koncepcje automatyzacji. Użytkownicy sięgają po rozwiązania rozproszone w miejscu eksploatacji ze względu na zmianę w kierunku modułowych instalacji produkcyjnych i rosnące zapotrzebowanie na kompaktowe, łatwe w serwisowaniu i ekonomiczne napędy. Przede wszystkim takie branże jak intralogistyka, technika transportu, przemysł spożywczy, technika lotniskowa i przemysł opakowań coraz częściej polegają na zdecentralizowanych koncepcjach z przetwornicami częstotliwości montowanymi na silniku lub w jego pobliżu. Zalety rozporoszonej techniki napędowej są szczególnie widoczne w rozległych systemach, a także w systemach modułowych i mobilnych. Dzięki decentralizacji zadania napędowe są rozdzielane na poszczególne, inteligentne komponenty w miejscu eksploatacji.

Decentralizacja techniki napędowej ma miejsce głównie w zakresie małych i średnich mocy i umożliwia projektowanie systemu, składającego się z niezależnych wysp produkcyjnych, które w dużej mierze samodzielnie regulują własne procesy. Odciąża to nadrzędny system sterowania i zmniejsza złożoność systemu. Dla użytkownika oznacza to szybsze uruchomienie oraz uproszczone procesy konserwacji i utrzymania. Dzięki modułowej koncepcji system pozostaje tak elastyczny, jak to tylko możliwe, ponieważ zmiany w architekturze systemu są możliwe w dowolnym momencie bez większych zmian strukturalnych. W rezultacie daje to niższe koszty i większą efektywność.

Gdy przetwornice częstotliwości są instalowane bezpośrednio w miejscu eksploatacji, w szafie sterowniczej potrzeba mniej miejsca. Może ona być mniejsza lub nawet całkowicie niepotrzebna. Ponieważ falownik nie jest już dodatkowym źródłem ciepła w szafie sterowniczej, zmniejszają się również koszty klimatyzacji. To z kolei ma pozytywny wpływ na bilans energetyczny. Ponadto dzięki przestrzennej bliskości silnika i przetwornicy częstotliwości koszty okablowania między szafą i napędem są zredukowane do minimum. Zaletą zdecentralizowanych rozwiązań jest to, że są często wykonane jako wtykowe. To dodatkowo upraszcza instalację. Nie są potrzebne żadne kable lub tylko bardzo krótkie, które dzięki optymalnym właściwościom EMC przetwornic częstotliwości montowanych na silnikach niekoniecznie muszą być ekranowane. 

Zazwyczaj istnieją różnice między obiema koncepcjami ze względu na wyposażenie, działanie i wydajność. Podczas gdy urządzenia w szafie sterowniczej oferują pełen zakres funkcji, to te zdecentralizowane są często prostszymi, okrojonymi wersjami o mniejszym zakresie funkcji. NORD DRIVESYSTEMS przyjmuje inne podejście. W przeciwieństwie do powszechnej praktyki rynkowej firma specjalizująca się w napędach z północnych Niemiec stosuje taką samą koncepcję platformy dla urządzeń w szafach sterowniczych i rozwiązań zdecentralizowanych. W rezultacie przetwornice mają taką samą wydajność i zakres funkcji niezależnie od miejsca instalacji. Od ponad 40 lat NORD opracowuje i produkuje elektroniczną technikę napędową, co czyni ją jednym z pionierów innowacyjnej techniki przetwornic. Asortyment obejmuje rozruszniki silników, przetwornice częstotliwości i zdecentralizowaną elektronikę napędową, jak np. przetwornice częstotliwości o mocy do 22 kW i rozruszniki silników o mocy do 7,5 kW, a także przetwornice częstotliwości do instalacji w szafach sterowniczych o mocy do 160 kW.

Pytanie postawione w temacie sugeruje, że są to dwie przeciwstawne strategie, które się wykluczają. W żadnym wypadku tak nie jest. Wręcz przeciwnie. Połączenie obu koncepcji napędów jest w wielu przypadkach rozsądnym rozwiązaniem, a NORD jest w stanie zapewnić kombinację obu technik sterowania.

Źródło: NORD DRIVESYSTEMS