Falowniki są dziś standardowym elementem nowoczesnych instalacji przemysłowych. Sterują silnikami, pompami, wentylatorami, przenośnikami, sprężarkami i wieloma innymi odbiornikami. Ich awaria może jednak zatrzymać pojedynczą maszynę, a w skrajnym przypadku całą linię produkcyjną.
Żywotność falownika zależy od wielu czynników – nie tylko od jakości samego urządzenia. Znaczenie mają warunki środowiskowe, sposób obciążenia, temperatura, jakość chłodzenia, a także parametry zasilania.
W praktyce częste uszkodzenia falowników, kondensatorów DC-link czy modułów mocy mogą być sygnałem, że warto spojrzeć szerzej na całą instalację.
Od czego zależy żywotność falownika?
Nie ma jednej wartości określającej, ile lat powinien pracować każdy falownik. Warunki eksploatacji w różnych zakładach mogą się znacząco różnić.
Na trwałość urządzenia wpływają między innymi:
- temperatura pracy,
- sposób chłodzenia,
- stopień zapylenia,
- liczba cykli obciążenia,
- przeciążenia,
- częstotliwość rozruchów i hamowania,
- jakość połączeń elektrycznych,
- parametry napięcia zasilającego,
- poziom zakłóceń w instalacji,
- wyższe harmoniczne,
- warunki pracy elementów DC-link.
Dlatego dwa identyczne falowniki pracujące w dwóch różnych zakładach mogą mieć zupełnie inną trwałość.
Temperatura – jeden z kluczowych czynników
Elektronika mocy jest szczególnie wrażliwa na podwyższoną temperaturę.
Jeżeli falownik pracuje w szafie sterowniczej o niewystarczającej wentylacji, w pobliżu innych źródeł ciepła lub w środowisku o wysokiej temperaturze otoczenia, jego podzespoły mogą starzeć się szybciej.
Szczególnie narażone są m.in.:
- kondensatory,
- moduły mocy,
- elementy półprzewodnikowe,
- układy zasilania pomocniczego.
Dlatego przy częstych awariach warto sprawdzić nie tylko sam falownik, ale również temperaturę wewnątrz szafy i skuteczność chłodzenia.
Kondensatory DC-link a żywotność falownika
Kondensatory obwodu pośredniego DC są jednym z elementów, których stan może wpływać na niezawodność całego falownika.
Podczas normalnej pracy są poddawane obciążeniom elektrycznym i cieplnym. Ich degradację mogą przyspieszać między innymi:
- wysoka temperatura,
- duże tętnienia prądu,
- częste cykle pracy,
- niekorzystne warunki zasilania,
- przeciążenia.
Jeżeli w zakładzie regularnie dochodzi do wymiany kondensatorów DC-link w wielu falownikach, warto sprawdzić, czy problem rzeczywiście dotyczy wyłącznie pojedynczych urządzeń.
Powtarzalność podobnych awarii może wskazywać na wspólny czynnik po stronie środowiska pracy lub instalacji elektrycznej.
Co skraca żywotność modułów IGBT?
IGBT to jeden z kluczowych elementów części mocy falownika.
Moduły te pracują przy dużych prądach i wysokiej częstotliwości przełączania. Szczególnie niekorzystne mogą być dla nich cykliczne zmiany temperatury oraz przeciążenia.
Ryzyko awarii może wzrastać m.in. przy:
- częstym przeciążaniu napędu,
- niewłaściwym chłodzeniu,
- wysokiej temperaturze otoczenia,
- nieprawidłowych parametrach pracy,
- częstych stanach awaryjnych.
Jeżeli jednak podobne uszkodzenia występują w różnych falownikach pracujących w jednej instalacji, warto również przeanalizować parametry zasilania.
Czy jakość energii może wpływać na pracę falownika?
Falownik sam jest odbiornikiem nieliniowym, ale jednocześnie pracuje jako część większej instalacji elektrycznej.
W zakładach, w których funkcjonuje wiele przemienników częstotliwości i innych urządzeń energoelektronicznych, mogą występować między innymi:
- wyższe harmoniczne,
- asymetria obciążeń,
- wahania napięcia,
- zakłócenia w sieci,
- podwyższony poziom THDi.
Falowniki to jedna z grup odbiorników, które mogą przyczyniać się do pogorszenia parametrów jakości energii i wprowadzania wyższych harmonicznych do sieci.
W takiej instalacji warto więc analizować nie tylko pojedynczy napęd, ale również zależności pomiędzy urządzeniami a siecią zasilającą.
Wyższe harmoniczne w instalacji z dużą liczbą falowników
W zakładach z dużym udziałem odbiorników nieliniowych przebieg prądu może znacznie odbiegać od idealnej sinusoidy.
Wyższe harmoniczne mogą prowadzić do dodatkowego obciążenia elementów instalacji i wzrostu strat.
W materiałach Elsta Elektronika jako możliwe skutki wysokiego poziomu zakłóceń wskazywane są m.in.:
- zwiększona awaryjność urządzeń i instalacji,
- przegrzewanie przewodów,
- przegrzewanie transformatorów,
- dodatkowe zaburzenia pracy instalacji.
Jeżeli więc awarie falowników występują razem z nadmiernym nagrzewaniem infrastruktury lub innymi nieprawidłowościami, warto wykonać pomiary jakości energii.
Częste błędy Overvoltage i Undervoltage – czy to sygnał ostrzegawczy?
Pojedynczy błąd falownika nie musi oznaczać problemu z siecią.
Jeżeli jednak komunikaty związane z napięciem pojawiają się regularnie lub równocześnie w kilku urządzeniach, warto sprawdzić warunki zasilania.
Szczególnie istotne może być zweryfikowanie:
- poziomu napięcia,
- jego zmienności,
- asymetrii napięć,
- warunków podczas załączania dużych odbiorników,
- występowania krótkotrwałych zaburzeń.
Powtarzające się alarmy mogą być skutkiem samej aplikacji, ustawień napędu lub procesu technologicznego, dlatego bez pomiarów nie należy automatycznie przypisywać ich jakości energii.
Co powinno zaniepokoić utrzymanie ruchu?
Szczególnej uwagi wymagają sytuacje, w których podobny problem zaczyna dotyczyć wielu urządzeń.
Przykładowo:
- kilka falowników regularnie zgłasza błędy napięciowe,
- kondensatory DC-link wymagają częstszej wymiany,
- dochodzi do powtarzających się uszkodzeń IGBT,
- falowniki przegrzewają się mimo prawidłowej wentylacji,
- pojawiają się losowe wyłączenia napędów,
- jednocześnie występują problemy z PLC lub serwonapędami,
- nagrzewają się przewody albo transformator.
W takim przypadku diagnozowanie każdego urządzenia osobno może nie wystarczyć.
Warto sprawdzić, czy wszystkie problemy nie mają wspólnego źródła.
Jak sprawdzić warunki pracy falowników?
Dobrym punktem wyjścia jest zestawienie informacji z samych urządzeń z pomiarami instalacji.
Warto przeanalizować:
1. Historię błędów
Czy awarie powtarzają się w podobnych momentach?
Czy kilka urządzeń zgłasza problem jednocześnie?
Czy błąd występuje np. podczas uruchamiania określonej maszyny?
2. Temperaturę pracy
Należy zweryfikować temperaturę otoczenia oraz warunki wewnątrz szafy.
3. Obciążenie napędu
Falownik może pracować w warunkach cięższych, niż zakładano podczas projektowania.
4. Napięcia zasilające
Warto sprawdzić zarówno poziom napięcia, jak i jego stabilność w czasie.
5. Harmoniczne
Pomiar THDi oraz analiza widma pozwalają ocenić poziom odkształcenia prądu.
6. Asymetrię
Należy porównać warunki pracy na wszystkich fazach.
Takie podejście pozwala oddzielić problem konkretnego urządzenia od problemu całej instalacji.
Jak ograniczyć awaryjność falowników?
Nie ma jednego rozwiązania dla każdego przypadku.
W zależności od źródła problemu działania mogą obejmować:
- poprawę wentylacji szafy,
- czyszczenie układu chłodzenia,
- zmianę parametrów pracy falownika,
- weryfikację doboru urządzenia do aplikacji,
- poprawę jakości połączeń,
- analizę instalacji zasilającej,
- redukcję zakłóceń,
- kompensację wyższych harmonicznych.
Dlatego skuteczna diagnostyka powinna poprzedzać zakup kolejnego urządzenia czy wymianę podzespołów.
Kiedy warto sprawdzić jakość energii?
Analiza jakości energii jest szczególnie uzasadniona wtedy, gdy problemy nie dotyczą jednego falownika, ale zaczynają powtarzać się w różnych częściach zakładu.
Przykładowo:
- kilka napędów wykazuje podobne objawy,
- awarie pojawiają się po modernizacji instalacji,
- dołożono dużą liczbę nowych falowników,
- jednocześnie występuje podwyższone THDi,
- obserwowane jest przegrzewanie transformatora,
- występują problemy z mocą bierną lub asymetrią.
W takich przypadkach pomiar może pozwolić ustalić, czy źródło problemu rzeczywiście leży po stronie parametrów sieci.
Czy filtr aktywny może poprawić warunki pracy instalacji z falownikami?
Jeżeli analiza potwierdzi wysoki poziom wyższych harmonicznych lub inne problemy, jednym z możliwych rozwiązań może być zastosowanie filtra aktywnego.
Filtry APF-100 i APF-300 Elsta Elektronika są przeznaczone do pracy w sieciach czteroprzewodowych niskiego napięcia i realizują m.in.:
- filtrację wyższych harmonicznych prądu,
- kompensację mocy biernej,
- symetryzację prądów fazowych,
- redukcję prądu przewodu neutralnego.
Urządzenia dynamicznie dostosowują się do aktualnego obciążenia, dzięki czemu mogą pracować w instalacjach o zmiennym charakterze odbiorów.
Nie oznacza to jednak, że filtr aktywny jest rozwiązaniem każdej awarii falownika. Jego zastosowanie powinno wynikać z wykonanych pomiarów i rozpoznania rzeczywistego problemu.
Częste awarie falowników? Szukaj wspólnego mianownika
Jeżeli pojedynczy falownik uległ awarii, przyczyna może leżeć po stronie konkretnego urządzenia.
Jeżeli jednak w jednej instalacji regularnie pojawiają się podobne problemy z wieloma falownikami, warto zadać inne pytanie:
czy wszystkie te urządzenia pracują w tych samych niekorzystnych warunkach?
Temperatura, przeciążenia, sposób eksploatacji i jakość zasilania mogą wpływać na niezawodność elektroniki mocy.
Dlatego przed kolejną wymianą falownika, kondensatorów DC-link czy modułu mocy warto spojrzeć na instalację jako na całość.
Elsta Elektronika projektuje i produkuje rozwiązania Power Quality przeznaczone do poprawy parametrów energii elektrycznej w instalacjach przemysłowych.
Jeżeli w Twoim zakładzie występują powtarzające się problemy z falownikami lub inną elektroniką mocy, zacznij od pomiarów i ustalenia rzeczywistej przyczyny.
