Regulacija brzine elektromotora i izbor frekventnog pretvarača
Nakon izbora vrste frekventnog pretvarača prema njihovim prethodno opisanim karakteristikama, potrebno je provjeriti dali isti frekventni regulatori zadovoljavaju i specifične zahtjeve korisnika. Osnova za izbor je svakako snaga priključenog (1 ili više) elektromotora. Treba naglasiti da se izbor ne može vršiti samo preko mehaničke snage priključenog EM. Mogući načini određivanja su:
- na osnovu električne snage procijenjene prema mehaničkoj snazi EM
- na osnovu prividne snage EM
- na osnovu IN (najprecizniji način)
Sljedeći kriterijum je mogućnost upravljanja, odnosno regulacije željenog parametra i opseg promjene istog. Najčešće je to brzina obrtanja, ponekad obrtni moment (npr. konstantnost sile izvlačenja žice), a eventualno i snaga EM. Sem toga, pri izboru se kao relevantni mogu pokazati neki od sljedećih zahtjeva:
- stabilnost kontrolisanih parametara (brzina obrtanja-obično 1÷3% nN, a za bolje frekventne pretvarače <0,5%nN, a pri povratnoj vezi i znatno manje, obrtni moment i sl.)
- zaštita EM i frekventnog pretvarača od nedozvoljenih stanja (ograničenje jačine struje, zagrijavanja itd.)
- mogućnost rada frekvencijskog pretvarača i bez povratne veze od EM (“skalarno upravljanje”)
- lakoća i preciznost kontrole i monitoring rada EM i frekvencijskog pretvarača (sa dojavom eventualnih grešaka i nedozvoljenih stanja u radu)
- fleksibilnost aplikacija i postojanje modova rada koji odgovaraju karakteristici predviđenog opterećenja ( npr. za pogon dizanja, pogon pumpe ili ventilatora)
- visoki stepen iskorištenja samog frekventnog regulatora (obično 85÷90% pri punom opterećenju, a 75÷90% pri 25%’-nom opterećenju)
- zalet uz ograničenu jačinu struje (uslov Φ=const. bi zahtijevao pri startu jačinu struje≈(6÷15)*IN)
- mogućnost (kratkotrajnog) preopterećenja obrtnim momentom (po pravilu oko (1,6÷1,8)*TN)
- mogućnost (kratkotrajnog) preopterećenja strujom u toku zaleta ((1,5÷1,6)*IN)
- mogućnost kočenja jednim od gore navedenih načina (proslijeđivanje drugom EM pri višemotornom pogonu, priključenje otporničkog modula uz automatsku proradu kočnog čopera kada napon međukola dostigne određenu graničnu vrednost≈700 V, rekuperacija energije u mrežu, kočenje jednosmernom strujom)
- mogućnost reverziranja(promijena smijera obrtanja) u toku rada bez promijene priključaka EM
- mogućnost podešavanja “vremenskih rampi”-tj. vremena zaleta-ograničenog dozvoljenom jačinom struje pri zaletu, i kočenja-ograničenog dozvoljenim naponom u međukolu(znači samo u granicama krajnjih mogućnosti EM, odnosno sistema kočenja)
- brzina reagovanja na nagle promijene opterećenja(dinamičnost pogona) (obično (0,5÷2)s, za bolje frekventne pretvarače <0,5s pri promeni opterećenja od ΔT≈(0,7÷0,8)*TN)
- mogućnost ostvarivanja brzina obrtanja većih od sinhrone
- mogućnost povećanja “ugaone” frekvencije
- mogućnost višemotornog pogona
- mogućnost automatizacije i uklapanja u nadređenje sisteme upravljanja i sl.
Princip vektorskog upravljanja
Vektorski frekventni regulator je jedan od najvažnijih razvojnih projekata u oblasti savremenih regulisanih elektromotornih pogona. Naime, jednosmjerni pogoni nude prednost jednostavnog tiristorskog regulatora, ali zahtjevaju složeni motor. Frekventni regulatori u otvorenoj petlji, sa druge strane, obezbjeđuju regulaciju promjenom broja obrtaja jednostavnog i jeftinog, standardnog asinhronog motora, ali za cijenu relativno složenog regulatora, i to za neke aplikacije ograničenih performansi. Servo pogoni imaju izuzetne performanse, ali su ograničenim opsegom snaga i specijalnom, složenom konstrukcijom motora, pogona i uređaja povratne sprege. Vektorski frekventni regulator nudi performanse bliske nivou servo pogona koristeći jeftini, jednostavni standardni asinhroni motor.
Da bi se maksmizirale momentne i dinamičke performanse bilo kojeg motora, potrebno je obezbjediti da se struje koje proizvode fluks i momenat drže sve vrijeme normalno jedna u odnosu na drugu. Kod jednosmernog motora, struja koja proizvodi fluks i struja koja proizvodi momenat su odvojene, dok se struja na priključcima asinhronog motora sastoji od obje komponente, struje koja proizvodi fluks i komponente koja proizvodi momenat. Kako nije moguće mjeriti ove struje odvojeno, one moraju da budu matematički odvojene u vektorskom regulatoru. Da bi se ovo postiglo, frekvencijski pretvarači sadrže real-time matematički model motora koji zahtjeva konstantno praćenje informacije o struji i poziciji rotora, i to da bi kontinualno predvidjeo poziciju fluksa.
Da bi razumjeli teoriju na bazi koje se postiže upravljanje strujama koje proizvode fluks, odnosno momenat, najbolje je da se razmotri jedan pauzirani trenutak trofazne struje na priključcima asinhronog motora.
Tri namotaja asinhronog motora napajaju se iz IGBT tranzistorskog trofaznog mosta, i pri tome se u svakom trenutku očituju tri struje I1, I2 i I3, fazno pomjerene za 120º jedna u odnosu na drugu.
Rezult ove tri struje može se matematički razmatrati kao rezultantni vektor IS. IS sadrži elemente koji proizvode fluks i one koji proizvode momenat i može se reći da je moguće mjenjati, kako njen intenzitet, tako i njenu poziciju, i to upravljajući individualno strujama I1, I2 i I3. Real-time matematički model motora predviđa poziciju fluksa, pa IS može biti razloženo na komponente Id i Iq. Id je direktna komponenta struje koja proizvodi fluks, dok je Iq poprečna komponenta struje koja proizvodi momenat. Upravljanjem trima faznim strujama može nezavisno upravljati struja Id i Iq.
Mjerenjem individualnih faznih struja zajedno sa relevantnom pozicijom rotora, vektorski frekvencijski pretvarač može proračunati i upravljati strujama koje proizvode fluks, odnosno momenat, držeći ih pri tome normalno jednu u odnosu na drugu. U praksi, pošto je putanja struje veoma induktivna i stoga zahtjeva mnogo energije za promjenu, ona se drži konstantnom, dok se struja koja proizvodi momenat mjenja, time mjenjajući momenat.
Aktuelni modeli, proračuni, su veoma složeni a izvode se veoma velikom brzinom(hiljadama puta u sec.). Veliki razvoj mikrokontrolera posljednje decenije omogućio je da industrijski, vektorski frekventni regulatori postanu realnost uvažavajući preciznost, cijenu i fizičku veličinu.