32_33.pdf

A U T O M A T Y K A

Przemienniki częstotliwości firmy ANSALDO

W artykule omawiamy zagadnienia zwi¹zane z precyzyjn¹

regulacj¹ prÍdkoúci obrotowej silnikÛw indukcyjnych.

NajczÍúciej spotykanymi

urz¹dzeniami wykonawczy-

mi, zarÛwno w†przemyúle

jak i†w†zastosowaniach ko-

mercyjnych, s¹ silniki elek-

tryczne. W†zaleønoúci od ro-

dzaju aplikacji spotyka siÍ

silniki pr¹du sta³ego lub

zmiennego.

W†ostatnich latach uk³a-

dy napÍdowe pr¹du zmienne-

go (AC) ciesz¹ siÍ duø¹ po-

pularnoúci¹. Coraz czÍúciej

wypieraj¹ one uk³ady napÍ-

zmianÍ wartoúci napiÍcia zasi-

laj¹cego. Obecnie, dziÍki roz-

wojowi techniki mikroproceso-

rowej i†elektroniki wysokona-

piÍciowej, sterowanie prÍdkoú-

ci¹ obrotow¹ silnikÛw induk-

cyjnych jest rÛwnie proste i†ta-

nie, jak w†przypadku napÍdÛw

DC. Uzyskanie wysokiej

sprawnoúci falownikÛw sta³o

siÍ moøliwe po wynalezieniu

tranzystorÛw IGBT, ³¹cz¹cych

zalety tranzystorÛw polowych

i†bipolarnych.

Najlepsz¹ metod¹ stero-

wania prÍdkoúci¹ obrotow¹

silnikÛw AC jest regulacja

poprzez zmianÍ czÍstot-

liwoúci napiÍÊ zasila-

j¹cych silnik.

W†po-

g¹cych ìzepsuÊî nam idealn¹

charakterystykÍ.

Aby moøliwa by³a kontrolo-

wana zmiana czÍstotliwoúci

i†wartoúci napiÍÊ zasilaj¹cych

silnik, konieczne jest zastoso-

wanie urz¹dzenia, przemienni-

ka czÍstotliwoúci, nazywanego

popularnie falownikiem. Jego

zadanie sprowadza siÍ do po-

dawania napiÍcia o†okreúlonej

wartoúci i†czÍstotliwoúci na za-

ciski silnika. Schemat ideowy

przemiennika czÍstotliwoúci na

przyk³adzie falownika Ansaldo

przedstawiono na rys. 2 .

liwoúci s¹ zatem przekszta³tni-

kami PWM (ang. Pulse Width

Modulation -†Modulacja Sze-

rokoúci Impulsu).

Im wyøsza jest czÍstotli-

woúÊ kluczowania tranzysto-

rÛw mocy, tym g³adszy jest

generowany przez falownik

przebieg pr¹du i†bardziej zbli-

øony do teoretycznej sinusoi-

dy. Przy niskiej czÍstotliwoúci

noúnej silnik wydaje charakte-

rystyczny nieprzyjemny

düwiÍk. W†przypadku falowni-

kÛw Ansaldo czÍstotliwoúÊ

Rys. 1.

dowe z†silnikami pr¹du sta-

³ego (DC). Ocenia siÍ, øe

ponad po³owa mocy napÍdo-

wej w†przemyúle jest dostar-

czana przez indukcyjne silni-

ki klatkowe. Wraz z†rozwo-

jem techniki liczba zastoso-

waÒ silnikÛw indukcyjnych

stale wzrasta. Zwi¹zane jest

to bezpoúrednio z†rozwojem

elektroniki wysokonapiÍcio-

wej oraz techniki mikropro-

cesorowej.

Podstawowa zaleta napÍ-

dÛw AC jest zwi¹zana z sil-

nikami, ktÛre w†odrÛønieniu

od silnikÛw DC charakteryzu-

j¹ siÍ prost¹ budow¹ oraz nie

posiadaj¹ mechanicznego ko-

mutatora. S¹ zatem taÒsze

i†mniej awaryjne.

Zast¹pienie silnika DC sil-

nikiem AC powoduje zmniej-

szenie kosztÛw eksploatacji

napÍdu oraz zwiÍksza nieza-

wodnoúÊ ca³ego uk³adu.

rÛwnaniu z†innymi metodami,

np. z†regulacj¹ prÍdkoúci po-

przez zmianÍ napiÍcia, regula-

cja czÍstotliwoúciowa zapew-

nia najwiÍkszy zakres regulo-

wanych prÍdkoúci.

Zasada dzia³ania

przemiennika czÍstotliwoúci

PrÍdkoúÊ silnika AC jest

prawie proporcjonalna do

czÍstotliwoúci napiÍcia zasi-

laj¹cego. Zmieniaj¹c czÍstot-

liwoúÊ napiÍcia zasilania sil-

nika moøemy p³ynnie stero-

waÊ jego prÍdkoúci¹. Jednak-

øe, aby zachowaÊ sta³¹ war-

toúÊ momentu krytycznego

silnika, wraz ze zmian¹ czÍs-

totliwoúci w†tej samej propor-

cji powinna byÊ dokonywana

zmiana wartoúci napiÍcia za-

silaj¹cego stojan silnika. Za-

tem stosunek U/f [V/Hz] wi-

nien zachowywaÊ sta³¹ war-

toúÊ. Jest to najbardziej popu-

larny algorytm sterowania

prÍdkoúci¹ i†nazywany jest

skalarnym. Wykres z† rys. 1

pokazuje jak zmienia siÍ cha-

rakterystyka mechaniczna sil-

nika, przy wzroúcie lub spad-

ku czÍstotliwoúci zasilania

silnika.

Jak widaÊ, w†ca³ym zakre-

sie czÍstotliwoúci uzyskujemy

sta³y moment obrotowy. Jest

to jednak zaleønoúÊ teoretycz-

na, nie uwzglÍdniaj¹ca wielu

dodatkowych czynnikÛw mo-

Rys. 2.

Typowy przemiennik czÍs-

totliwoúci sk³ada siÍ z†trzech

jednostek: prostownika, po-

úredniego obwodu pr¹du sta-

³ego z†bateri¹ kondensatorÛw

i†z†falownika napiÍcia. Prze-

miana energii elektrycznej

przebiega dwustopniowo:

z†sieci zasilaj¹cej (najczÍúciej

pr¹du zmiennego) pobierana

jest energia o†sta³ych paramet-

rach U†[V] oraz f†[Hz], ktÛra,

za poúrednictwem sterowane-

go prostownika przekszta³ca-

na jest w†napiÍcie sta³e o†re-

gulowanej wartoúci. NastÍp-

nie, w†niezaleønym module

falownika, z†napiÍcia sta³ego

ìwycinaneî s¹ 3†fazy napiÍcia

zmiennego zasilaj¹ce silnik.

Przebiegi chwilowych war-

toúci napiÍÊ wyjúciowych ma-

j¹ kszta³t impulsÛw prostok¹t-

nych o†modulowanym czasie

trwania. Przemienniki czÍstot-

noún¹ moøna wybraÊ z†zakre-

su 2†do 18kHz. Wysoka czÍs-

totliwoúÊ (bo aø 18kHz) gwa-

rantuje cich¹ pracÍ zespo³u na-

pÍdowego. DziÍki temu falow-

niki Ansaldo znakomicie na-

daj¹ siÍ do zastosowaÒ komer-

cyjnych, np. do napÍdu dmu-

chaw, wentylatorÛw czy urz¹-

dzeÒ klimatyzacyjnych. Nieste-

ty, wraz ze wzrostem czÍstot-

liwoúci ³¹czeÒ tranzystorÛw

IGBT rosn¹ straty mocy, a†tra-

cona moc zamieniana jest

w†ciep³o. W†tym przypadku

zalecane jest zmniejszenie ob-

ci¹øenia silnika lub znalezie-

nie kompromisu przy wyborze

czÍstotliwoúci noúnej.

Sterowanie prÍdkoúci¹

W†celu pe³nego wykorzys-

tania zalet i†w³asnoúci napÍ-

dowych silnikÛw AC potrzeb-

ne jest efektywne sterowanie

prÍdkoúci¹ oraz momentem

wytwarzanym przez wa³ silni-

ka. Do niedawna w zastoso-

waniach, gdzie konieczna by³a

regulacja prÍdkoúci obrotowej,

stosowano wy³¹cznie silniki

pr¹du sta³ego, ktÛrych

prÍdkoúÊ regulowano poprzez

Kompensacja poúlizgu

W†przypadku przemienni-

kÛw czÍstotliwoúci, dzia³aj¹-

cych w†oparciu o†algorytm V/

Hz, nie moøna mÛwiÊ o†regu-

Elektronika Praktyczna 10/99

Elektronika Praktyczna 2/98

A U T O M A T Y K A

lacji prÍdkoúci obrotowej,

a†jedynie o†sterowaniu jej

wartoúci¹. Jak juø wspomnia-

no, zadaniem przemiennika

czÍstotliwoúci jest generowa-

nie przebiegu napiÍcia o†za-

danej czÍstotliwoúci i†ampli-

tudzie. Falownik nie otrzy-

muje bezpoúredniej informa-

cji o†prÍdkoúci obrotowej sil-

nika, a†zatem nie moøe jej

stabilizowaÊ na zadanym po-

ziomie. PrÍdkoúÊ obrotowa

oczywiúcie zaleøy od czÍstot-

liwoúci zasilania, ale nie jest

to zaleønoúÊ w†pe³ni propor-

cjonalna.

Dodatkowym i†bardzo

waønym czynnikiem wp³ywa-

j¹cym na prÍdkoúÊ jest tzw.

2,5Hz falownik poda na zacis-

ki silnika napiÍcie o†wartoúci

oko³o 19V. Naleøy pamiÍtaÊ,

øe przy niskich czÍstotliwoú-

ciach reaktancja statora jest

bardzo ma³a. Praktycznie spa-

dek napiÍcia na samym stato-

rze wynosi oko³o 20V. WidaÊ

st¹d, øe napiÍcie podawane

przez falownik na zaciski sil-

nika nie jest w†stanie wytwo-

rzyÊ strumienia magnetyczne-

go w†silniku, a†co za tym

idzie rÛwnieø momentu obro-

towego.

Stosunek V/Hz nie moøe

pozostawaÊ zatem sta³y w†ca-

³ym zakresie czÍstotliwoúci.

W†przemiennikach czÍstotli-

woúci stosuje siÍ tzw. forso-

ziom w†zbiorniku, tempera-

turÍ, ciúnienie, odczyn, itp.

Zalet¹ takiego rozwi¹zania

jest redukcja kosztÛw zwi¹-

zanych z†budow¹ uk³adu au-

tomatycznej regulacji.

w†trybie master-slave prze-

miennik moøe wys³aÊ ok. 130

ramek z†informacj¹.

Podsumowanie

Przemienniki czÍstotli-

woúci znajduj¹ coraz wiÍcej

zastosowaÒ. W†po³¹czeniu

z†nowoczesnymi i†bardzo wy-

dajnymi silnikami AC s¹

w†stanie skutecznie konkuro-

waÊ z†napÍdami DC. DziÍki

pojawieniu siÍ niezwykle wy-

dajnych tranzystorÛw IGBT

oraz rozwojowi techniki mik-

roprocesorowej, wspÛ³czesne

falowniki potrafi¹ regulowaÊ

prÍdkoúÊ oraz moment obro-

towy wytwarzany przez wa³

silnika.

Przemienniki czÍstotliwoú-

ci to nie tylko sterowniki prÍd-

koúci obrotowej silnika. DziÍki

moøliwoúci ³agodnego rozruchu

stanowi¹ najlepsze zabezpie-

czenie silnikÛw. Znika prob-

lem braku symetrii faz zasila-

nia, iskrzenia stykÛw jak

w†przypadku procedur rozru-

chowych gwiazda/trÛjk¹t. Stan-

dardowy falownik wyposaøony

jest dodatkowo w†szereg zabez-

pieczeÒ takich, jak przeci¹øe-

niowe, nadpr¹dowe, nadnapiÍ-

ciowe, podnapiÍciowe oraz ter-

miczne, skutecznie chroni¹ce

silnik.

Duøe nadzieje pok³ada siÍ

w†przemiennikach czÍstotli-

woúci ze sterowaniem polo-

wo zorientowanym (ang.

Field Oriented Vector). Fa-

lowniki te, dziÍki specjalizo-

wanym algorytmom wyzna-

czania pr¹du twornika, s¹

w†stanie bezpoúrednio od-

dzia³ywaÊ na moment wytwa-

rzany przez silnik indukcyj-

ny. Uk³ady napÍdowe z†falow-

nikami wektorowymi cechuj¹

siÍ bardzo wysok¹ dynamik¹,

dok³adn¹ regulacj¹ prÍdkoúci

obrotowej oraz wysokim mo-

mentem nawet przy zerowej

prÍdkoúci wa³u silnika.

Wojciech Kuś

Artyku³ zosta³ napisany na

podstawie dokumentacji technicz-

nej przemiennikÛw czÍstotliwoúci

firmy Ansaldo, ktÛrej przedstawi-

cielem jest Elmark Automatyka

(tel. (0-22) 821-45-87).

Opcje komunikacyjne

Sterowanie prac¹ prze-

miennika czÍstotliwoúci od-

bywa siÍ zazwyczaj za po-

moc¹ sygna³Ûw binarnych

i†analogowych. Sygna³y dys-

kretne wykorzystywane s¹ do

uruchamiania, zatrzymywa-

nia, zmiany kierunku obro-

tÛw, wyboru prÍdkoúci, za-

sygnalizowania alarmu lub

osi¹gniÍcia przez napÍd ø¹-

danego stanu. Sygna³y analo-

gowe s³uø¹ zaú do zadawania

sygna³u odniesienia czÍstot-

liwoúci, lub prÍdkoúci do

monitorowania parametrÛw

pracy uk³adu napÍdowego

lub wprowadzenia do falow-

nika sygna³u sprzÍøenia

zwrotnego. W†sumie w†skom-

plikowanych aplikacjach

liczba po³¹czeÒ kablowych

jest doúÊ znaczna. Integracja

przemiennika czÍstotliwoúci

z†systemem automatyki staje

siÍ droga i†skomplikowana.

W†przypadku, gdy falownik

oddalony jest od sterowni

o†100m trzeba uøyÊ ok. 2km

przewodÛw. Jest to operacja

kosztowna nie tylko ze wzglÍ-

du na cenÍ przewodÛw, ale

rÛwnieø ze wzglÍdu na czas

potrzebny na ich po³oøenie

i†uruchomienie napÍdu.

Dlatego teø firmy produ-

kuj¹ce przemienniki czÍstot-

liwoúci wyposaøaj¹ je w†in-

terfejsy komunikacyjne.

W†przypadku falownikÛw

Ansaldo interfejsem takim

jest RS485, pozwalaj¹cy na

jednoczesne pod³¹czenie do

32 falownikÛw do jednej

dwuprzewodowej magistrali.

Za poúrednictwem ³¹cza sze-

regowego moøna odczytywaÊ

i†modyfikowaÊ wszystkie pa-

rametry falownika oraz stero-

waÊ jego prac¹. Interfejs

RS485 pozwala wymieniaÊ

dane z†systemem sterowania

z†prÍdkoúci¹ do 19200b/s.

W†ci¹gu jednej sekundy,

Rys. 3.

poúlizg, czyli rÛønica pomiÍ-

dzy prÍdkoúci¹ wirowania

pola magnetycznego we-

wn¹trz silnika a†rzeczywist¹

prÍdkoúci¹ obrotow¹ wirnika.

WartoúÊ poúlizgu zaleøy od

kilku czynnikÛw. S¹ nimi

miÍdzy innymi: obci¹øenie,

napiÍcie stojana oraz rezys-

tancje silnika. Najbardziej na

zmianÍ poúlizgu, a†zatem na

stabilnoúÊ prÍdkoúci, wp³y-

waj¹ zmiany obci¹øenia.

W†celu poprawy stabilnoú-

ci prÍdkoúci w†falownikach

stosuje siÍ kompensacjÍ poúliz-

gu. Algorytm ten pozwala wy-

liczyÊ wartoúÊ poúlizgu na

podstawie pomiaru pr¹du sil-

nika. Przy wzroúcie poúlizgu

falownik zwiÍksza czÍstotli-

woúÊ wyjúciow¹, kompensuj¹c

tym samym zmianÍ prÍdkoúci.

Dok³adnoúÊ prÍdkoúci z†kom-

pensacj¹ poúlizgu dochodzi do

0,5%.

wanie ìboostî, czyli dodatko-

we podbicie napiÍcia zasila-

nia stojana w†zakresie niskich

czÍstotliwoúci.

Regulator PID

Coraz czÍúciej przemienni-

ki czÍstotliwoúci wyposaøane

s¹ w†wewnÍtrzne regulatory

PID, ktÛrych funkcjonalnoúÊ

odpowiada uniwersalnym regu-

latorom - produkowanym jako

oddzielne urz¹dzenia.

Taki regulator zawiera dwa

zbiory nastaw wzmocnienia,

czasu ca³kowania, czasu wy-

przedzenia, funkcje skalowa-

nie wejúÊ i†wyjúÊ, odwracanie

znaku odchy³ki itp.

Sygna³ sprzÍøenia zwrotne-

go moøe byÊ wprowadzony

b¹dü to bezpoúrednio z†enko-

dera (np. w†falownikach An-

saldo z†kart¹ enkodera), lub

teø z†dowolnego czujnika po-

miarowego za poúrednictwem

sygna³u napiÍciowego +/- 10V

lub pr¹dowego 4-20mA.

Wbudowany do falowni-

ka regulator PID potrafi za-

tem obs³uøyÊ skomplikowa-

ny proces technologiczny,

w†ktÛrym elementem wyko-

nawczym jest silnik pr¹du

zmiennego napÍdzaj¹cy pom-

pÍ, sprÍøarkÍ, úrubÍ poci¹go-

w¹, dozownik i†inne urz¹-

dzenia. Przemiennik czÍstot-

liwoúci moøe regulowaÊ za-

rÛwno prÍdkoúÊ obrotow¹

wa³u silnika, jak rÛwnieø po-

Forsowanie rozruchu

SzczegÛlnie trudn¹ spraw¹

jest efektywne kontrolowanie

prÍdkoúci przy niskich czÍs-

totliwoúciach. Podstawowy al-

gorytm sterowania prÍdkoúci¹

zak³ada sta³oúÊ stosunku V/

Hz, czyli napiÍcia zasilania

stojana silnika do czÍstotli-

woúci. Przy za³oøeniu, øe sil-

nik zasilany jest z†typowej

sieci 380V i†f=50Hz, stosunek

V/Hz wyniesie 380/50=7,6.

Zmniejszaj¹c czÍstotliwoúÊ do

Rys. 4.

Elektronika Praktyczna 10/99

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: