Przemienniki częstotliwości zyskały ogromną popularność dzięki efektywnemu sterowaniu prędkością i momentem obrotowym silników elektrycznych. Ich zastosowanie przynosi wiele korzyści – od redukcji zużycia energii (sięgającej nawet 30-60% w zastosowaniach pompowych i wentylatorowych), przez lepsze dopasowanie parametrów pracy do aktualnego obciążenia, aż po ochronę mechaniczną układu napędowego. Jednak wprowadzenie falowników znacząco zmienia sposób, w jaki należy projektować zabezpieczenia  elektryczne  silników.

Ograniczenia klasycznych zabezpieczeń silnikowych

Tradycyjne przekaźniki termiczne i wyłączniki nadprądowe zostały zaprojektowane z myślą o silnikach zasilanych bezpośrednio z sieci. Prąd ma wówczas przebieg czysto sinusoidalny, a charakterystyka prądu rozruchowego jest stabilna i przewidywalna. W przypadku napędów opartych na przemiennikach częstotliwości sytuacja jest jednak dużo bardziej złożona.

Klasyczne przekaźniki termiczne opierają swoje działanie na bimetalicznych elementach grzejnych, reagujących na wartość skuteczną (root mean square – RMS) prądu. Jednak w obecności wyższych harmonicznych, które pojawiają się w sygnale z przemiennika, wartość RMS może być poprawnie zmierzona tylko przez urządzenia o odpowiednio szerokiej charakterystyce częstotliwościowej (true RMS). Typowe przekaźniki bimetaliczne reagują głównie na składową podstawową prądu, ignorując częściowo lub całkowicie składowe harmoniczne, które mogą stanowić nawet 30–40% całkowitej wartości RMS przy niskiej częstotliwości pracy silnika (poniżej 20 Hz).

Dodatkowo przemienniki częstotliwości implementują algorytmy ograniczania prądu, które, w zależności od producenta i modelu, utrzymują przez określony czas wartość prądu wyjściowego na poziomie 150–200% prądu znamionowego. Ograniczenie to ma charakter aktywny – przemiennik monitoruje prąd w czasie rzeczywistym oraz dynamicznie moduluje współczynnik wypełnienia PWM, aby nie przekroczyć bezpiecznej wartości.  

W rezultacie, nawet w przypadku zwarcia wewnętrznego w silniku, pobierany prąd może nie osiągnąć poziomu koniecznego do zadziałania klasycznego zabezpieczenia nadprądowego. Warto także podkreślić, że klasyczne przekaźniki termiczne nie uwzględniają zmiennej efektywności chłodzenia silnika przy różnych prędkościach obrotowych. Silniki z własnym chłodzeniem (IC411 wg normy PN-IEC 34-6) mają znacząco zredukowaną zdolność odprowadzania ciepła przy niskich prędkościach obrotowych.

Funkcje zabezpieczające wbudowane w falowniki

Współczesne falowniki wyposażone są w wiele funkcji zabezpieczających, które mogą stanowić pierwszą linię ochrony silnika. Do najważniejszych należą:

• Zabezpieczenie termiczne silnika przez ciągłe obliczanie wartości I2t – algorytm monitoruje wartość prądu i czas jego trwania, obliczając przyrost temperatury uzwojeń. Zaawansowane modele uwzględniają zmienną efektywność chłodzenia zależną od prędkości obrotowej silnika.
• Wykrywanie przepięcia i spadku napięcia w linii zasilającej – zabezpieczenie chroni falownik i silnik przed skutkami przepięć (powyżej 800 V DC dla falowników 400 V AC) oraz spadków napięcia (poniżej 350 V DC).
• Detekcja zwarć i prądów upływu – system wykrywa prądy upływu między fazami wyjściowymi a ziemią (zwarcia doziemne) oraz zwarcia międzyfazowe, zazwyczaj poprzez monitoring asymetrii prądów fazowych.
• Kontrola przegrzania silnika za pomocą czujników PTC/NTC – bezpośredni pomiar temperatury uzwojeń zapewnia najdokładniejszą ochronę termiczną. Czujniki PTC gwałtownie zmieniają rezystancję przy przekroczeniu temperatury nominalnej.
• Zabezpieczenie przed stratą fazy wejściowej – systemy analizują asymetrię napięć i prądów fazowych, wykrywając różnice przekraczające typowo 5-10%, co mogłoby prowadzić do uszkodzenia przemiennika lub silnika.
• Zabezpieczenie przed zablokowaniem wirnika – wykrywa stan, w którym silnik jest zasilany, ale wirnik się nie obraca, co może prowadzić do gwałtownego przegrzania jego uzwojeń. Pomimo tych zaawansowanych funkcji wiele przemienników nie spełnia wszystkich wymagań stawianych zewnętrznym zabezpieczeniom w przemysłowych systemach bezpieczeństwa. Główne ograniczenia to niepełna zgodność z normami bezpieczeństwa funkcjonalnego, brak redundancji kluczowej dla aplikacji krytycznych i uzależnienie działania zabezpieczeń od poprawnej pracy elektroniki przemiennika. 

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Sterowanie

Bezpośrednie sterowanie momentem napędów przemysłowych

Metoda bezpośredniego sterowania momentem zrewolucjonizowała sposób zarządzania silnikami elektrycznymi w aplikacjach przemysłowych. Zapewniając błyskawiczną reakcję i wysoką precyzję bez potrzeby stosowania pętli prądowych ani klasycznej modulacji PWM, stała się fundamentem nowoczesnych systemów napędowych.

Raporty

Branża elektrotechniczna w Polsce i na świecie wielkość, trendy, szanse i zagrożenia

Branża elektrotechniczna w 2024 r. znajdowała się wciąż w fazie intensywnych przemian, które są napędzane m.in. przez postęp technologiczny, rosnące znaczenie zrównoważonego rozwoju i presję na zwiększenie efektywności energetycznej.

Przekaźniki elektroniczne – skuteczne uzupełnienie ochrony

Nowoczesne przekaźniki elektroniczne przeznaczone do współpracy z falownikami oferują rozszerzoną funkcjonalność w porównaniu z klasycznymi zabezpieczeniami termicznymi. Ich kluczowe cechy obejmują:

• Pomiar true RMS – przekaźniki elektroniczne mierzą rzeczywistą wartość skuteczną prądu, uwzględniając wszystkie harmoniczne typowo do 13. rzędu (ok. 650 Hz przy częstotliwości podstawowej 50 Hz).
• Adaptacyjne modele termiczne – zaawansowane algorytmy uwzględniają zróżnicowane chłodzenie silnika przy zmiennej prędkości. Dla przykładu, przy pracy z częstotliwością 25 Hz (50% nominalnej), efektywność chłodzenia spada o ok. 40–50% dla silników z własnym chłodzeniem.
• Monitorowanie asymetrii faz – przekaźniki wykrywają asymetrię napięć i prądów na poziomie 5-15% (konfigurowalnym w zależności od aplikacji). Długotrwała asymetria rzędu 3–5% może zwiększać temperaturę uzwojeń nawet o 25%, co dramatycznie skraca żywotność izolacji.
• Komunikacja cyfrowa – integracja z systemami automatyki przez protokoły, takie jak Modbus RTU/TCP, Profibus DP, Ethernet/IP czy CANopen, umożliwia przesyłanie nie tylko stanów alarmowych, ale również pełnych danych diagnostycznych.
• Pamięć z czasem zdarzeń – rejestracja historii ostatnich zdarzeń z dokładnymi znacznikami czasowymi pozwala na retrospektywną analizę sekwencji prowadzących do awarii.
• Zdalny reset – możliwość programowego resetowania zabezpieczeń po ustąpieniu awarii, bez konieczności fizycznej interwencji na obiekcie.

Funkcje predykcyjne w zaawansowanych przekaźnikach elektronicznych wykorzystują analizę trendów elektrycznych i termicznych. Stopniowy wzrost prądu np., przy niezmiennym obciążeniu, może wskazywać na pogarszający się stan łożysk, podczas gdy narastająca asymetria prądów może sugerować rozwijające się uszkodzenie izolacji uzwojeń.

Integracja zabezpieczeń z systemami sterowania i SCADA

Podłączenie zabezpieczeń silnikowych do systemów sterowania obejmuje dziś znacznie więcej niż samo wykrycie awarii. Nowoczesne rozwiązania zapewniają ciągły monitoring parametrów elektrycznych (prądy fazowe, asymetria, temperatura uzwojeń, wykorzystanie pojemności cieplnej) z odświeżaniem co 0,5–2 s, umożliwiając wizualizację i archiwizację danych. Wprowadza się też alarmy prewencyjne z wielopoziomowymi progami i dwukierunkową komunikację diagnostyczną, pozwalającą na dynamiczne dostosowanie parametrów zabezpieczeń. Analiza korelacji danych z innymi parametrami procesowymi umożliwia wczesne wykrywanie anomalii.

Zaawansowana analiza danych historycznych, wspierana uczeniem maszynowym, pozwala na wykrycie nietypowych wzorców wiele godzin przed awarią. W systemach napędowych z falownikami kluczowe jest uwzględnienie specyfiki napięć, degradacji izolacji, prądów łożyskowych 
i strat harmonicznych.