Obwód sterowania, lub karta sterowania jest czwartym głównym elementem w przemienniku częstotliwości i spełnia następujące zadania:

- sterowanie półprzewodnikowymi zaworami przemiennika częstotliwości (falownika, czasem obwodu pośredniego lub prostownika,

- wymiana danych pomiędzy przemiennikiem częstotliwości, a urządzeniami peryferyjnymi,

- zbieranie i raportowanie (sygnalizowanie) informacji o błędach i uszkodzeniach,

- pełni funkcję ochronną dla obwodu mocy przemiennika i silnika.

Mikroprocesory sukcesywnie zwiększają szybkość działania i ich wykorzystanie w obwodzie sterowania znacząco powiększyło możliwości obliczeniowe wykonywane w przemiennikach przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości niezbędnych obliczeń. Przyczyniło się to do wzrostu ilości aplikacji napędowych.

Zastosowanie mikroprocesorów w układach sterowania przemienników częstotliwości spowodowało, że stały się one obecnie ich integralną częścią. Przemiennik jest w stanie wyznaczyć optymalny sposób przełączania zaworów falownika (tablicę przełączeń) w procesie modulacji dla każdego stanu pracy.

Obwód sterowania dla przemiennika częstotliwości z modulacją PAM

Rys. 1 Zasada pracy układu sterowania przemiennika PAM z wykorzystaniem przerywacza prądu (ang. chopper) do regulacji wartości napięcia stałego w obwodzie pośrednim

Na powyższym rys. 1 przedstawiono przemiennik częstotliwości PAM z przerywaczem prądu w obwodzie pośrednim. Układ sterowania steruje pracą przerywacza (2) i falownikiem (3).

Wartość amplitudy napięcia wyjściowego falownika jest zależna od chwilowej wartości napięcia w obwodzie pośrednim.

Sterowanie napięciowe odbywa się w układzie sterowania obwodu pośredniego według pewnego wzorca zadanego w tabeli przełączeń zaworów falownika. Dla rożnych wartości napięcia stałego obwodu pośredniego w tabeli zadany jest odpowiedni wzorzec sekwencji przełączeń zaworów falownika. Układ sterowania mierzy wartość napięcia na wyjściu stopnia pośredniego i porównuje z wartością zadaną. Jeżeli nastąpi różnica tych wartości to następuje regulacja napięcia wyjściowego i częstotliwości poprzez wybranie odpowiedniego adresu do tabeli przełączeń. Jeśli napięcie w obwodzie pośrednim wzrośnie wówczas odliczanie okresu napięcia wyjściowego falownika wzrasta w konsekwencji wzrasta częstotliwość napięcia przemiennego na wyjściach mocy falownika.

W tym układzie przerywacza prądu - impulsator (chopper) reguluje napięcie w obwodzie pośrednim, mierzona jest wartość tego napięcia i porównywana z wartością referencyjną (zadaną), a następnie następuje korekcja wartości napięcia w obwodzie pośrednim do wartości zadanej. Wartość napięcia w obwodzie pośrednim określa amplitudę i częstotliwość napięcia przemiennego na wyjściach mocy falownika. Jeśli napięcie referencyjne i sygnały pomiarowe obwodu pośredniego się zmieniają, wtedy regulator PI przesyła informację do układu sterowania o konieczności zmiany okresu napięcia przemiennego. Prowadzi to do regulacji wartości napięcia obwodu pośredniego do wartości określonej napięciem referencyjnym.

PAM jest tradycyjną starszą metodą sterowania falownikiem przemiennika częstotliwości. Następną bardziej nowoczesną metodą modulacji napięcia falownika w przemienniku jest PWM. W dalszej części będą przedstawione szczegóły w jaki sposób firma Danfoss adoptowała te metodę dla uzyskania wielu specyficznych zalet produkowanych przez nią przemienników.

Zasada sterownia falownika PWM według firmy Danfoss

Rys. 2 Podstawowy układ sterowania stosowany przez firmę Danfoss

Algorytmem sterowania falownika metodą PWM w przemienniku napięciowym jest sterownie wektorem napięcia VVC (ang.: Voltage Vector Control).

VVC steruje amplitudą i częstotliwością wektora napięcia wykorzystując aktualną wartość obciążenia i kompensację poślizgu. Kąt wektora napięcia jest określany w stosunku do wartości częstotliwości napięcia silnika (referencja) a także częstotliwości przełączania zaworów półprzewodnikowych falownika. Przez co uzyskuje się:

- pełną nominalną wartość napięcia zasilania silnika dla nominalnej częstotliwości (to nie jest potrzebne przy redukcji mocy silnika),

- zakres regulacji prędkości silnika wynosi 1:25 bez sprzężenia zwrotnego,

- znaczną dokładność regulacji prędkości silnika }1% bez sprzężenia zwrotnego,

- odporność na skokowe zmiany momentu obciążenia silnika.

Ostatnie rozwinięcie metody modulacji VVC to VVCplus w której amplituda, a także kąt wektora napięcia jak i częstotliwość są bezpośrednio kontrolowane.

Dodatkowo rozwinięcie metody VVC do VVCplus zapewnia:

- polepszenie własności dynamicznych przy małych prędkościach silnika tj. w zakresie częstotliwości 0-10Hz,

- polepszona magnetyzacja silnika,

- zakres regulacji prędkości silnika 1:100 bez sprzężenia zwrotnego,

- dokładność stabilizacji prędkości: } 0,5% prędkości znamionowej silnika bez sprzężenia zwrotnego,

- aktywne tłumienie rezonansu,

- sterowanie momentem silnika (w otwartej pętli sprzężenia),

- praca przy ograniczonej (zadanej wartości maksymalnej) prądu

     Podstawy sterowania metodą wektora napięcia VVC

Metoda VVC wykorzystuje matematyczny model silnika, na podstawie którego obliczany jest optymalny strumień magnetyczny silnika dla założonych zmian jego obciążenia przy wykorzystaniu parametrów do kompensacji poślizgu.

Ponadto przy synchronicznej metodzie modulacji – 60⁰ PWM, zapisanej w specjalizowanym układzie scalonym ASIC, określone są optymalne czasy przełączeń dla zaworów półprzewodnikowych (IGBT's) falownika, rys.3.

Rys. 3 Synchroniczna modulacja - 60⁰  PWM jednej fazy (wg Danfoss - VVC)

Przełączanie zaworów trójfazowego falownika realizuje zasadę w której:

1. największa numerycznie faza przez 1/6 okresu sinusoidy (600) ma stały potencjał napięcia (dodatni lub ujemny),

2. dwie pozostałe fazy zmieniają w tym czasie proporcjonalnie wartości napięć fazowych tak, aby uzyskane  międzyfazowe napięcie na wyjściach mocy   falownika było sinusoidą i osiągało pożądaną wartość amplitudy, rys. 4.

Rys. 4  Synchroniczna modulacja - 60⁰ PWM dwóch faz: wzorzec przełączania dla fazy U, napięcie fazowe (między zerem i połową napięcia obwodu pośredniego), wynikowe napięcia międzyfazowe silnika

Odmiennie do metody PWM z sinusoidą modulującą, metoda VVC bazuje na cyfrowej generacji żądanego napięcia wyjściowego falownika. To zapewnia, że przemienne napięcie wyjściowe przemiennika częstotliwości osiąga wartość napięcia sieci zasilania. Prąd silnika jest sinusoidalny i praca silnika w warunkach nominalnej prędkości obrotowej jest taka sama jak przy zasilaniu bezpośrednio z sieci zasilania.

Uzyskiwany jest tutaj także optymalny strumień magnetyczny silnika, ponieważ przemiennik częstotliwości wyznacza rzeczywistą wartość rezystancji i indukcyjności stojana przy obliczaniu optymalnej wartości napięcia na wyjściach mocy falownika.

Ponieważ przemiennik częstotliwości mierzy prąd obciążenia, to może jednocześnie regulować wartość napięcia wyjściowego falownika dopasowując go do obciążenia. Napięcie wyjściowe przemiennika jest dopasowane zarówno do typu silnika jak i warunków obciążenia.

Podstawy sterowania metodą VVC PLUS

Modulacja napięcia wg metody VVCplus wykorzystuje zasadę modulacji wektorowej jako podstawę dla przemienników napięciowych typu PWM. Bazuje ona na ulepszonym modelu silnika. Powoduje to lepszą pracę przemiennika przy zmiennym obciążeniu i lepszą kompensację poślizgu, ponieważ oba prądy silnika - składowa czynna i składowa bierna prądu, są dostępne układowi sterowania. Określanie kąta wektora napięcia znacząco poprawia własności dynamiczne przemiennika w zakresie od 0-10Hz, gdzie standardowe napędy z przemiennikami o modulacji PWM U/F zwykle mają problemy ze sterowaniem silników.

Tablica przełączeń zaworów falownika jest tutaj wyznaczana w oparciu o zasadę sterowania wg modulacji SFAVM albo, 600 AVM co zapewnia bardzo małe pulsacje momentu w szczelinie powietrznej silnika (w porównaniu do przemiennika częstotliwości opartego na metodzie modulacji synchronicznego PWM).

Użytkownik może wybrać preferowaną przez siebie podstawę modulacji (SFAVM lub 60⁰ AVM) albo zezwolić na automatyczny wybór na podstawie temperatury radiatora przemiennika. Jeżeli temperatura jest poniżej 75⁰ C wtedy do sterowania falownikiem jest stosowana metoda SFAVM, gdy temperatura wzrośnie powyżej 75⁰ C stosowana jest modulacja 60⁰ AVM.

Tabela. 1  Krótki przegląd własności obu metod modulacji:

Zasada modulacji jest wyjaśniona przy pomocy elektrycznego schematu zastępczego silnika, rysunki 5a i 5b oraz schematu blokowego przemiennika, rys 6. Należy pamiętać, że w stanie nieobciążonym żaden prąd nie dopływa do silnika: Iw = 0, co znaczy, że napięcie nieobciążonego silnika jest wyrażone wzorem:

Rys. 5a  Równoważny schemat zastępczy silnika trójfazowego (silnik nieobciążony)

Napięcie w stanie jałowym UL zależy od parametrów silnika (napięcie znamionowe, prąd i częstotliwość).

Przy silniku obciążonym składowa czynna prądu Iw płynie w wirniku. Dla umożliwienia przepływu tego prądu, należy zapewnić dodatkowe napięcie Ucomp, na zaciskach silnika.

Rys. 5b Równoważny schemat zastępczy silnika trójfazowego (silnik obciążony).

Dodatkowe napięcie Ucomp jest wykorzystywane w stanie jałowym silnika dla zapewnienia odpowiedniej wartości prądu jałowego przy niskich i wysokich prędkościach. Wartość napięcia i zakresy prędkości są zależne od danych znamionowych silnika.

Na schemacie blokowym przemiennika częstotliwości, rys. 6 (te same oznaczenia dla rysunków 5a i 5b) wprowadzono oznaczenia jak niżej:

Rys. 6  Schemat blokowy przemiennika częstotliwości z kształtowaniem napięcia wg VVCplus

Jak pokazano na rys. 6, model silnika obliczony dla nominalnych wartości prądów i kątów stanu jałowego, wykorzystywany jest do kompensacji obciążenia (Isxo,Isyn) i generowania wektora napięcia (I0,Q0). Znajomość aktualnych parametrów silnika dla stanu jałowego umożliwia dużo dokładniejszą estymację momentu obciążenia wału silnika. Generator wektora napięcia oblicza wektor napięcia w stanie jałowym UL i kąt Q0 wektora napięcia w oparciu o częstotliwość stojana, prąd w stanie jałowym, rezystancję i indukcyjność stojana, rys. 5a. W rezultacie amplituda wektora napięcia wynika z dodania wartości napięcia początkowego (startowego) i napięcia kompensacji obciążenia. Kąt wektora napięcia QL jest sumą czterech składowych czasowych i jego wartość bezwzględna definiuje położenie wektora napięcia. Jako że rozdzielczość składowych: kąta Q i częstotliwości napięcia stojana f określa rozdzielczość częstotliwości wejściowej, ich wartości są reprezentowane z 32 bitową rozdzielczością. Pierwszy składnik, kąt Q jest kątem wektora napięcia dla stanu jałowej pracy silnika i jest on uwzględniany, ażeby poprawić sterowanie tego wektora podczas przyśpieszania silnika przy małych prędkościach. W efekcie uzyskuje się dobre własności sterowania bieżącym położeniem i amplitudą wektora, dlatego że bieżący prąd do wytworzenia momentu obrotowego, jest związany z aktualnym obciążeniem. Bez uwzględniania składowej wektora napięcia - kąta Qdla stanu jałowego silnika, wektor prądu ma tendencję nadmiernego wzrostu i przemagnesowywania silnika (tym samym przegrzewania), bez generowania momentu obrotowego.

Pomiar prądów przewodowych silnika IU,IW,IV na wyjściach mocy falownika wykorzystywany jest do obliczenia składowej biernej prądu Isx, i składowej czynnej Isy.

Bazując w obliczeniach na faktycznych wartościach prądów i wartościach wektora napięcia, kompensator obciążenia wyznacza moment w szczelinie powietrznej i oblicza jak duża wartość napięcia UComp wymagana jest do utrzymania odpowiedniego pola magnetycznego przy określonym obciążeniu. Można oczekiwać kąta odchylenia wektora napięcia Δθ dlatego, że kompensowane jest obciążenie wału silnika. Napięcie wyjściowe jest przedstawione w formie polarnej jako p. To daje możliwość bezpośredniego przemodulowania i umożliwia powiązanie z układem PWM-ASIC.

Zastosowanie sterownia falownika metodą modulacji wektora napięcia (VVC) jest bardzo korzystne dla małych prędkości napędu, co znacznie poprawia jego osiągi dynamiczne w porównaniu do modulacji U/f dzięki bieżącej kontroli położenia kąta wektora napięcia. Ponadto znacznie poprawiają się warunki pracy stojana silnika dlatego, że układ sterowania lepiej estymuje wektor napięcia dla wymuszenia napięcia i prądu silnika przy danym obciążeniu wału silnika. To jest podstawowa różnica w porównaniu do sterowania sygnałami skalarnymi ( wartości amplitudy).

Polowo zorientowane sterowanie wektorowe silników

Sterowanie wektorowe może być realizowane różnymi rozwiązaniami technicznymi. Podstawowa różnica polega na kryterium obliczania wartości składowej czynnej prądu, prądu magnesującego (strumienia) i wartości momentu obrotowego silnika.

Porównanie silnika prądu stałego DC i 3-fazowego asynchronicznego rys. 7, ukazuje problem określania prądów silnika. W silniku DC wielkości, które są istotne dla generowania momentu – strumień Φ i prąd twornika są sztywne pod względem wielkości i kąta względnego przesunięcia (90°). Wynika to ze zorientowania pola uzwojeń i pozycji szczotek komutatora, rys. 7a.

W silniku DC prąd twornika i strumień są pod kątem prostym, a żaden z nich nie osiąga zbyt dużych wartości. W silnikach asynchronicznych położenie strumienia Φ i prądu wirnika IL zależą od obciążenia. Dalej w silnikach DC bezpośrednio nie da się wyznaczyć kąta fazowego i prądu na podstawie danych elektrycznych stojana.

Rys. 7 Porównanie silnika prądu stałego DC i asynchronicznego silnika 3−fazowego

Używając matematycznego modelu silnika DC, moment może być obliczony na podstawie związku między strumieniem a prądem stojana.

Mierzony prąd silnika asynchronicznego Is jest jednym ze składników prądu silnika , który generuje moment (prąd IL). Wraz ze strumieniem Φ, przy kącie prostym ze składową prądu IB generuje się moment obrotowy (IL). Przy właściwym kącie między dwoma składowymi prądu silnika IΦ i IL, generowany jest odpowiedni strumień silnika, rys. 8.

Rys. 8  Obliczanie składników prądu silnika AC przy sterowaniu zorientowanym polowo

Używając dwóch składowych prądu, na moment i strumień można oddziaływać niezależnie. Jednakże, jak przy obliczeniach z dynamicznym modelem silnika, procedura obliczeń jest dość skomplikowana i dlatego stosuje się ją w droższych cyfrowych przemiennikach napędowych.

Dlatego, że technika ta zapewnia możliwość rozdzielenia sterowania obciążeniem silnika - niezależne sterowanie jego momentem na wale, jest tutaj możliwe takie sterowanie pracą silnika asynchronicznego w taki sposób, że dynamicznie zachowuje się on jak silnik prądu stałego, pod warunkiem zastosowania prędkościowego sprzężenia zwrotnego. Ta metoda sterowania 3-fazowym silnikiem asynchronicznym ma także następujące zalety:

 - dobra reakcja na zmiany obciążenia,

 - precyzyjna regulacja prędkości,

 - pełny moment napędowy przy zerowej prędkości,

 - osiągi (dynamika) porównywalne z napędami silników prądu stałego.

źródło :Dr inż. Jerzy Szymański , ELPOL Centrum Elektroniki i Automatyki Sp. z o.o. (www.elpol.biz)