Charakterystyka U/f i sterowanie wektorem strumienia silnika

Sterowanie prędkością 3-fazowych silników rozwija się dynamicznie w ostatnich latach na bazie dwóch różnych zasad kształtowania napięcia w falowniku przemienników częstotliwości:

- typowe sterowanie U/f (sterowanie skalarne),

- sterowanie wektorem strumienia.

Obie te metody mają swoje zalety zależne od specyfiki wymagań napędu dla zapewnienia właściwej dynamiki i dokładności.

Sterowanie wg charakterystyki U/f ogranicza głębokość regulacji prędkości do zakresu w przybliżeniu 1:20 i przy niskich prędkościach wymagana jest inna (uzupełniająca) metoda sterowania. Stosowanie tej techniki jest względnie proste i polega na dopasowaniu przemiennika częstotliwości do silnika. Ta technika jest niewrażliwa na chwilowy wzrost obciążenia w całym zakresie prędkości – nie zapewnia utrzymania stałej prędkości przy zmianach obciążenia silnika.

W napędach sterowanych wektorem strumienia przemiennik częstotliwości musi być dokładnie dopasowany do danego silnika, potrzebne jest tutaj wprowadzenie precyzyjnych danych elektrycznego modelu tego silnika. Dodatkowe komponenty są wymagane przy stosowaniu sygnału sprzężenia zwrotnego.

Niektóre korzyści przy tej metodzie sterowania napędem są następujące:

- szybka reakcja dla potrzeb zmian prędkości napędu w szerokim zakresie regulacji prędkości,

- zwiększona dynamika napędu na wymuszenie zmiany kierunku wirowania,

- możliwość zastosowania tylko jednej metody sterowania napędem w całym zakresie regulacji prędkości.

Dla użytkownika optymalne rozwiązanie leży w technice, która łączy najlepsze właściwości obu metod sterowania napędem.

Cechy takie jak niewrażliwość przemiennika na skokowe zmiany obciążenia, - przeciążone lub niedociążenie silnika w całym zakresie regulacji prędkości, to typowy bardzo ważny niekorzystny efekt sterowania wg metody U/f. Dobra i szybka reakcja przemiennika na prędkość zadaną (referencyjną), w przypadku jego sterowania metodą zorientowaną polowo, musi być brana pod uwagę przy doborze przemiennika częstotliwości dla układu napędowego.

Zastosowane przez firmę Danfoss sterowanie wg metody VVCplus, to kombinacja korzystnych cech sterowania napędem wg metody U/f, ze zwiększonymi osiągami dynamicznymi napędu uzyskiwanymi przy sterowaniu metody zorientowanej polowo. Ustawiło to nowe standardy dla napędów z regulowaną prędkością obrotową.

Modulacja VVCplus i kompensacja poślizgu

Niezależnie od rzeczywistego momentu obciążenia, natężenie pola magnetycznego i prędkość obrotową wału napędowego silnika są utrzymane na zadanym poziomie. W tym celu są wykorzystywane dwie wyrównujące prędkość wału funkcje: kompensacja poślizgu i kompensacja obciążenia.

Kompensacja poślizgu powoduje dodanie obliczanej wartości poślizgu częstotliwości (Δf) do wartości wygaszanej przez układ sterowania, aby utrzymana była żądana wartość prędkości wirowania wału silnka, rys. 3.39. Szybkość narastania częstotliwości napięcia stojana silnika jest ograniczona przez wartość nastawy wprowadzonej przez użytkownika (ang. run up time, ramp). Estymowana wartość poślizgu − jest wyznaczana na podstawie szacowanego momentu obciążenia i aktualnego natężenia pola magnetycznego - stąd zbyt słabe namagnesowanie silnika powinno też być uwzględniane.

Rys. 1 Charakterystyki zależności momentu od prędkości obrotowej wału silnika

Automatyczne dopasowanie przemiennika do silnika (AMA)

Automatyczne dostrojenie wybranych funkcji przemiennika częstotliwości ułatwia instalację oraz obsługę, przez optymalizowanie parametrów zasilania silnika.

Ażeby identyfikacja dołączonego silnika i dostrojenie przemiennika przebiegły poprawnie należy przeprowadzić pomiary rezystancji stojana i indukcyjności uzwojeń silnika. Przed przeprowadzeniem operacji automatycznego pomiaru parametrów silnika przez przemiennik należy sprawdzić prawidłowość podłączenia silnika do zacisków przemiennika, aby zapewnić poprawność wprowadzanych danych pomiarowych.

Podsumowując, najnowsze metody AMA (ang. Automatic Motor Adaptation) stosowane do pomiarów parametrów stojana silnika przy nieruchomym wale napędowym, wyznaczają rezystancję i indukcyjność uzwojeń stojana. Dane wykorzystywane są w statycznym modelu silnika wprowadzanym przy uruchamianiu napędu do układu sterowania przemiennika. Automatyzacja pomiarów eliminuje straty czasu potrzebne na ręczne wprowadzanie parametrów kompensacyjnych, co czyni przemienniki częstotliwości urządzeniami łatwymi w obsłudze. Dodatkowo, dlatego że parametry dołączonego silnika są automatycznie i właściwie wprowadzone do przemiennika, uzyskuje się optymalną sprawność silnika zapewniającą wzrost efektywności i energooszczędność, a ostatecznie oszczędności.

Ponieważ parametry elektrycznego modelu dołączonego silnika są mierzone przy nieruchomym wale, dlatego w czasie wykonywania funkcji AMA wał silnika nie musi być odłączony od maszyny roboczej. Ta cecha ma oczywiste korzyści dla użytkownika przy rozruchu nowej instalacji. ponieważ prace mechaniczne są zwykle już zakończone. Przy konieczności obracania nieobciążonym wałem silnika, jak miało to miejsce w starszych rozwiązaniach funkcji AMA, rozsprzęglanie silnika w maszynie roboczej było czynnością często kosztowną i bardzo niechętnie wykonywaną.

Automatyczna optymalizacja zużycia energii ( AEO )

Oszczędność energii jest dzisiaj decydująca w przemyśle. W wielu aplikacjach, gdzie napędy obsługują różne cykle obciążenia można oszczędzać energię, np. podczas pracy z małymi obciążeniami można zredukować natężenie pola magnetycznego w silniku.

W wielu napędach, w szczególności tam gdzie obciążenie rośnie w kwadracie w stosunku do prędkości np. wentylatory i pompy wirujące, specjalnie ukształtowane charakterystyki U/f też mogą przyczynić się do wzrostu oszczędności energii.

W przemiennikach częstotliwości stosuje się procedurę AEO (ang. Automatic Energy Optimalization), która automatycznie optymalizuje zużycie energii silnika dla rzeczywistego obciążenia przy zadanej prędkości obrotowej. Jest to zapewnione poprzez wymuszenie natężenia pola magnetycznego dostosowanego do aktualnego obciążenia, co jest kompromisem między energooszczędnością i rzeczywistymi wymaganiami napędu dla zapewnienia minimalnego momentu napędowego silnika z wirnikiem klatkowym przy minimalnej, określonej przez użytkownika wartości tego momentu.

Nastawy przemiennika bazują na danych dostępnych dla układu sterowania przemiennika, dla przeprowadzania procedury AEO nie ma potrzeby wprowadzania dodatkowych parametrów regulacyjnych. W przeciwieństwie do normalnej regulacji prędkości obrotowej silnika z nominalną wartością natężenia strumienia magnetycznego, optymalizacja zużycia energii zabezpiecza silnik przed nadmiernymi stratami i stąd oszczędza się zużycie energii. Przeciętnie przy silnikach małych i średnich mocy pracujących z małym obciążeniem można oszczędzić od 3 do 5% energii. Ważnym ubocznym korzystnym efektem jest to, że silnik pracuje prawie bez wytwarzania szumu akustycznego przy małym obciążeniu w związku z małą lub średnią częstotliwością przełączania zaworów falownika.

Praca przy ograniczeniu prądowym

Napięciowe przemienniki częstotliwości PWM, które pracują z prostym sterowaniem wg charakterystyki U/f nie są wstanie pracować poprawnie przy prądzie w pobliżu wartości zadanego ograniczenia prądowego. Napięcie, a przez to i częstotliwość zostają zredukowane aż do uzyskania prądu o wartości ograniczenia prądowego. Jeżeli prąd ograniczania zostanie uzyskany, przemiennik częstotliwości próbuje ponownie wymusić wstępnie zadaną wartość prędkości silnika, ponownie napięcie i częstotliwość są powiększane. Prowadzi to do zwiększania lub redukowania prędkości silnika, co powoduje niepożądane wahania prędkości układu napędowego, w szczególności negatywnie wpływa na pracę podzespołów mechanicznych napędu i może mieć istotny wpływ na pogorszenie jakości wytarzanego produktu finalnego.

W pewnych sytuacjach może tutaj wystąpić nagłe zatrzymanie silnika np., gdy:

 - zadany w przemienniku czas przyspieszania / redukcji częstotliwości (ang. Ramp up/down time) jest wykorzystywany do wymuszenia zmian napięcia i częstotliwości wyjściowej falownika,

 - obciążenie silnika jest zmniejszane.

Dzisiejsze przemienniki częstotliwości PWM używają zadanego w przemienniku czasu przyspieszania / redukcji częstotliwości do wyznaczania punktu pracy falownika, przy którym wstępnie wyznaczona wartość ograniczenia prądowego nie będzie przekroczona i wtedy sterowanie pracą silnika jest płynne do tego punktu pracy. Sygnał ostrzeżenia powiadamia użytkownika, że ograniczenie prądowe zostało osiągnięte. Przemiennik częstotliwości nie będzie się wyłączał samoczynnie, jeżeli nieodpowiednia częstotliwość zostanie zadana.

Funkcje ochronne

Przemienniki częstotliwości VVC+ są wyposażone w układy zabezpieczeń, które powodują, że obwód mocy przemiennika jest inteligentny i odporny na zakłócenia. Dzięki temu uzyskuje się zabezpieczenie przemiennika i silnika przy możliwie najniższych kosztach. Wysoki poziom skuteczności zabezpieczeń jest uzyskiwany poprzez zastosowanie techniki cyfrowej bazującej na powtarzalnych pomiarach sygnałów potrzebnych układowi sterowania i zastosowaniu układu szybkiego cyfrowego ich przetwarzania - ASIC w miejsce pasywnych komponentów mocy, takich jak dławików AC na wyjściach mocy falownika.

Przekształtnik jest chroniony przed wszystkimi przyczynami uszkodzeń włącznie ze zwarciami gałęziowymi falownika, jeśli czas martwy td gałęzi półmostka falownika jest właściwy i właściwie jest zaprojektowany układ sterowania bramką tranzystorów IGBT. Każdy tranzystor IGBT ma galwanicznie odseparowane napięcie obwodu mocy od napięcia sterowania, poprzez zastosowanie transformatorów pośrednich w obwodzie sterowania bramką.

Prąd i temperatura przemiennika są przesyłane do specjalizowanego układu scalonego ASIC przez przetwornik analogowo-cyfrowy lub komparator. Monitoring błędów lub stanów awaryjnych w procedurze ASIC generuje, jeśli jest konieczne odpowiednie sygnały uruchamiające właściwą funkcję ochronną, prąd - kroki 1 i 2 wg rys. 2. Ażeby ograniczyć rozmiar układu ASIC i tym samym wykonywanej w nim procedury ochronnej, do kontroli prawidłowości działania przemiennika w zakresie sygnałów poziomu drugiego, prąd - kroki 3 i 4 wg rys. 2, wykorzystywany jest wolniejszy główny mikroprocesor układu sterowania.

Ochrona nadprądowa

Ochrona przeciążeniowa jest zilustrowana na rys. 2. Przedstawia on różne "filtry czasowe", które określają czas, po jakim nastąpi samoczynne wyłączenie się przemiennika częstotliwości zależnie od wartości prądów przeciążeniowych falownika. Poziom zadziałania układu wyłączającego i filtr czasowy może być dostosowywany indywidualnie by zapewniać maksymalną odporność przed zakłóceniami pracy falownika przemiennika częstotliwości. Zakłócenia w tym sensie mogą być zarówno spowodowane przeciążeniem lub zwarciem wyjść mocy falownika, jak i krótkotrwałymi przeciążeniami, wynikającymi np.: z podłączenia przemiennika długimi kablami silnikowymi. Aby uczynić przemiennik bardziej odpornym na zakłócenia typu prądowego zastosowano dodatkowy filtr czasowy.

Rys. 2  Stopienie przeciążenia prądowego falownika przemiennika napięciowego: poziom I - kroki 1 i 2 - szybka reakcja w ASIC, poziom II - kroki 3 i 4 - wolniejsza reakcja  μP głównego

Filtry czasowe określają, przy jakiej częstotliwości i jak często falownik przemiennika będzie się samoczynnie załączał do pracy przed ostatecznym całkowitym zablokowaniem (prąd poziomu 1). Użytkownik zadaje parametry filtru czasowego T4 i wartość prądu poziom 4.

Przykład:

Dla maszyny; 4−biegunowej, o mocy 1.5 kW, silnik ma być zasilany prądem I=4A przez 5 sekund, to znaczy że T4=5 sekund, a poziom prądu I4=4A

Pozostałe dane są określone przez układ sterowania i wartość sprzętowego ograniczenia prądowego przemiennika częstotliwości (ang. hardware limits).

Taki układ zabezpieczenia nadprądowego falownika wykorzystuje zwiększoną odporność nowej generacji tranzystorów IGBT i gwarantuje wysoką skuteczność zabezpieczenia bez konieczności używania dodatkowych biernych komponentów, takich jak dławiki silnikowe, dołączane do wyjść mocy falownika przemiennika częstotliwości (ang. motor coils).

Ochrona temperaturowa falownika

Temperatura radiatora falownika jest mierzona bezpośrednio TC, rys.3 i straty w falowniku Ploss,WR są obliczane z uwzględnieniem, że temperatura radiatora jest zależna od temperatury otoczenia, warunków chłodzenia i strat własnych falownika. Dokładne określenie strat falownika umożliwia właściwy dobór tranzystorów IGBT.

Poprzez analizę bezpośrednio mierzonej temperatury TC i obliczonych strat falownika Ploss,WR możliwe jest optymalne ustawienie parametrów przemiennikowego napędu do aktualnych warunków pracy. Zwykle problemem jest dobranie właściwej częstotliwości przełączania zaworów IGBT falownika i wartości prądu wyjściowego w relacji do warunków chłodzenia, napięcia zasilania i temperatury otoczenia.

Rys. 3. Poziomy przekroczeń temperaturowych radiatora falownika

Na rys. 3 przedstawiono przykład, w którym sygnał temperaturowy jest przekazywany odpowiednio wcześnie do użytkownika dla zapewnienia czasu na uruchomienie wentylatora chłodzenia, przed wyłączeniem się falownika wskutek przegrzania.

W chwili T1 częstotliwość przełączania zaworów falownika jest redukowana: szum elektromagnetyczny silnika wzrasta i sygnał ostrzeżenia jest podawany jako zwrotna informacja. W chwili T2 redukowane jest napięcie wyjściowe falownika, wtedy ograniczany jest maksymalny moment silnika i wysyłany dodatkowy sygnał ostrzeżenia. W chwili T3 prąd wyjściowy falownika jest ograniczany do zadanej wartości minimalnej i trzeci sygnał ostrzeżenia zostaje wysłany. W końcowej fazie wzrostu temperatury radiatora falownika użytkownik ma wybór: zatrzymać silnik w sposób kontrolowany lub pozwolić mu dolej pracować ryzykując, że w chwili T4 przemiennik ostatecznie sam zatrzyma pracę falownika, a tym samym wyłączy napęd.

Takie inteligentne rozwiązanie zabezpieczenia termicznego falownika umożliwia efektywne wykorzystanie elementów mocy falownika i gwarantuje pewność działania napędu, oraz tolerancje przejściowych zakłóceń pracy falownika przemiennika częstotliwości. Dodatkowo użytkownik może zaprogramować rodzaj reakcji przemiennika przy wystąpieniu określonego zakłócenia.

Ogólne wiadomości o układzie z mikroprocesorem

Rys. 4  Schemat i zasada działania układu scalonego z mikroprocesorem

Mikroprocesor steruje pracą układu i jeżeli otrzymuje poprawną sekwencję instrukcji (programów), to jest zdolny wykonywać pewną liczbę funkcji w pamięci procesora i jednocześnie kontrolować pracę wszystkich innych podzespołów układu.

Pamięć komputera często wykorzystuje układ pamięciowy typu EPROM (ang. Erasable Programmable Read Only Memory). EPROM zachowuje zawartość pamięci nawet, gdy napięcie jest wyłączane. Informacja w EPROM może być programowana lub usuwana za pomocą promieni ultrafioletowych. Taką operację można wykonywać za każdym razem. Układ pamięciowy EPROM różni się tym od układu PROM, że ten układ można tylko raz programować. RAM (pamięć operacyjna) jest to pamięć, do której mikroprocesor zbiera i zapisuje dane. RAM traci informacje, jeżeli napięcie jest wyłączane. Po ponownym uruchomieniu wcześniej zapisane informacje, o ile nie zostały zapisane na dysku fizycznym to zostaną utracone.

Trzeci element oznaczony jako I/O, zawiera wejścia i wyjścia do komunikowania się z innymi elektronicznymi układami lub urządzeniami np.: drukarką. Magistrala danych (ang. bus) jest wiązką przewodów, która łączy indywidualne elementy elektroniczne z mikroprocesorem. Magistrala danych przesyła dane między poszczególnymi elementami układu, magistrala adresowa sygnalizuje, gdzie dane mają być przesyłane i monitoruje transmisje dla zapewnia prawidłowości ich zapisu i odczytu.

1. Zastosowanie komputerów w przemiennikach częstotliwości

W stosunku do typowego układu z mikroprocesorem zawierającym RAM, ROM i I/O, chip mikroprocesorowy przemiennika częstotliwości zawiera pewną liczbę dodatkowych elementów, w tym EEPROM (Elektrycznie Kasowalny PROM), który umożliwia użytkownikowi wprowadzanie programu do komputera. EEPROM może być zaprogramowany lub rozprogramowany przy użyciu sygnału elektrycznego. Zastosowanie pamięci typu EEPROM jest konieczne dla wprowadzenia indywidualnych dla danego napędu nastaw programowych i kiedy programujemy przemiennik częstotliwości do specjalnych zadań.

Chip mikroprocesorowy przemiennika częstotliwości może dodatkowo zawierać układ ASIC. To jest specjalny cyfrowy układ scalony realizujący funkcje określone przez jego producenta, wykorzystywany do realizacji specyficznych zadań np. zawiera szczegółowy zapis zasady modulacji napięcia wyjściowego falownika.

Karta sterowania adresami wejść i wyjść

Układy sterowania regulowanych układów napędowych wykorzystujących przemienniki częstotliwości determinują ilość i rodzaj wejść i wyjść analogowych i cyfrowych karty sterującej przemiennika.

Przemiennik częstotliwości w zautomatyzowanych układach napędowych musi otrzymywać analogowe i cyfrowe sygnały sterowania. Analogowe sygnały sterowania mogą przyjmować wszystkie wartości zawarte w pewnych granicach, np. w zakresie 4-20 mA, 0-10 V. Cyfrowe sygnały sterujące są wartościami dwustanowymi - binarnymi 0/1 np. 0/24V, styki: zwarte / rozwarte.

Rys. 5 Typowy układ mikroprocesorowego sterowania przemiennika częstotliwości

Rys. 6 Rodzaje sygnałów sterujących: a) sygnał analogowy, b) sygnał cyfrowy

Sygnały te nie są standardem dla układów sterowania. Odkąd półprzewodniki są używane w cyfrowych układach sterowania, wejście cyfrowe musi otrzymywać pewne minimum prądu lub napięcia, żeby zapewnić niezawodne połączenie sygnałowe, zwykle są to sygnały o wartościach z zakresu 20-30V i 10-500mA. Pewne wartości sygnałów stały się standardem układów sterowania, jak np. 0 / 10V lub 04-20mA dla wejść i wyjść analogowych.

Cyfrowe wyjścia układów PLC (ang. Programable Logic Controller) są dopasowane do cyfrowych wejść przemienników częstotliwości. Wartości znamionowe sygnałów cyfrowych zawierają się między 10 - 30V - sygnały napięciowe przy jednocześnie wpływającym do tego wejścia prądzie wynoszącym minimum 10mA przy 20V. Wewnętrzna rezystancja takiego wejścia sygnałowego może wtedy wynosić maksimum 2 kΩ.

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