Do Projektu iAutomatyka dołączyli:

Publikacja zgłoszona do 🎁 Konkursu iAutomatyka
https://iautomatyka.pl/wp-content/uploads/2022/03/AlgorytmyBaner.jpg

Algorytmy sterowania w przemiennikach częstotliwości

autor: B4IND.

Stosowane w procesach przemysłowych maszyny wymagają często regulacji wydajności. Można to osiągnąć na różne sposoby, m.in. poprzez zmianę kąta natarcia łopat wentylatorów, regulację ciśnienia w kompresorze czy zmianę prędkości obrotowej maszyn. Ostatnie można realizować mechanicznie poprzez zastosowanie przekładni lub elektrycznie poprzez zmianę prędkości obrotowej silników elektrycznych. Skokową regulację prędkości obrotowej silnika można osiągnąć stosując silniki o dwóch stałych prędkościach obrotowych. Płynną regulację osiągniemy dzięki zastosowaniu przemienników częstotliwości.

Krótko o przemiennikach częstotliwości

Przemiennik częstotliwości lub też przetwornica częstotliwości umożliwia zmianę częstotliwości przebiegów wyjściowych w stosunku do częstotliwości sieciowej. Niestety często stosuje się nieprawidłową nazwę – falowniki. Dlaczego nieprawidłową? Otóż falownik jest tylko elementem składowym całego urządzenia, jakim jest przemiennik częstotliwości, który składa się jeszcze z prostownika wejściowego, układu pośredniczącego oraz układu sterowania i zabezpieczeń.

Nadmienić należy, że istnieją również przemienniki nieposiadające układu pośredniczącego, ale są to rozwiązania jednostkowe i dedykowane dla maszyn o bardzo dużych mocach i pracujących przy niskich częstotliwościach.

Falownik jest elementem wyjściowym i sam w sobie generuje przebiegi o odpowiedniej częstotliwości, jednak aby mówić o falowniku jako samodzielnym urządzeniu, musielibyśmy zasilać go bezpośrednio z sieci napięcia stałego. Oczywiście takie aplikacje również występują i nie jest to czysto teoretyczne urządzenie.

Bardzo trafną nazwą stosowaną szczególnie w literaturze anglojęzycznej jest angielskie słowo „drive” lub po prostu napęd.

Wracając do falownika, to odpowiada on za konwersję napięcia lub prądu stałego do przebiegu zmiennego. Tutaj należy zwrócić uwagę, że wyróżniamy napięciowe przemienniki częstotliwości, czyli VSI (Voltage Source Inverter) oraz prądowe, czyli CSI (Current Source Inverter). Różnica wynika z budowy i zasady działania. Opisując w skrócie, przemienniki napięciowe wykorzystują energię w torze DC skupioną w baterii kondensatorów a modulacja napięcia wyjściowego jest realizowane poprzez zastosowanie tyrystorów IGBT.

Topologia napięciowego przemiennika częstotliwości – VSI

Przemienniki prądowe wykorzystują energię w torze DC skupioną w indukcyjności, a do modulacji prądu wyjściowego stosuje się tyrystory GTO lub SGCT.

CSI

Topologia prądowego przemiennika częstotliwości – CSI

Zdecydowana większość dostępnych na rynku rozwiązań stanowią przemienniki napięciowe. Przemienniki prądowe przeważnie stosowane są w specyficznych aplikacjach, gdzie wykorzystywane są jego atuty jak np. możliwość pracy przy bardzo długich liniach zasilających bądź współpraca z istniejącymi silnikami nieprzystosowanymi do pracy z przemienników częstotliwości.

Przemienniki częstotliwości dzielimy na jednofazowe oraz trójfazowe, przy czym przemienniki trójfazowe mogą być zasilane zarówno jednofazowo, jak i trójfazowo.

Algorytmy sterowania

Oferowane na rynku przemienniki częstotliwości oferują dwa różne algorytmy sterowania – skalarne oraz wektorowe.

Układ ze sterowaniem skalarnym (U/f) jest najprostszy w implementacji i spełnia podstawową funkcję regulacji prędkości obrotowej. Przemiennik w tym przypadku reguluje prędkość obrotową poprzez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego silnik, utrzymując stały stosunek do wartości skutecznej napięcia. Przy sterowaniu skalarnym mamy ograniczony dostępny moment silnika, przez co algorytm ten stosowany jest w aplikacjach zmienno-momentowych o lekkich obciążeniach. Do tej grupy można zaliczyć takie urządzenia jak pompy, wentylatory, sprężarki, dmuchawy. W takich aplikacjach nie ma konieczności kontroli sygnału zwrotnego w postaci rzeczywistej prędkości obrotowej. Oczywiście można tutaj wykorzystać układy enkoderowe, lecz zazwyczaj mają one za zadanie utrzymanie stałej prędkości obrotowej.

Dzięki temu, że metoda regulacji prędkości obrotowej bazuje na podstawowych parametrach silnika możliwa jest dość prosta parametryzacja przemienników częstotliwości. Do tego celu wymagana jest podstawowy zestaw parametrów znamionowych silnika jak: napięcie, częstotliwość, prąd oraz prędkość lub ilość par biegunów.

Wadami przemienników ze sterowaniem skalarnym jest przede wszystkim brak możliwości regulacji momentu obrotowego oraz jego niewielka wartość przy niskich częstotliwościach. Ponadto brak kontroli pola silnika wpływa na długi czas trwania stanów przejściowych oraz oscylacje prędkości obrotowej w pobliżu wartości prędkości zadanej.

Zaletą przemienników ze sterowaniem skalarnym jest to, że można sterować więcej niż jednym silnikiem równocześnie.

Sterowanie skalarne występuje w przemiennikach jednofazowych oraz trójfazowych.

Przemiennik częstotliwości z algorytmem wektorowym a dokładnie z wektorową orientacją pola jest dużo bardziej wymagającym oraz dającym dużo więcej możliwości rozwiązaniem. Przemienniki takie umożliwiają precyzyjną regulację prędkości oraz pełną kontrolę momentu obrotowego silnika w pełnym zakresie regulacji utrzymujące jego stałą wartość. Sterowanie wektorowe polega na oddzielnym sterowaniu strumieniem uzwojenia w silniku oraz momentem. Dokładność tej regulacji prędkości jest duża i wynosi 0,01%.

Tak dokładny sposób regulacji wymaga wprowadzenia do przemiennika częstotliwości dużej ilości szczegółowych danych silnika. Oprócz standardowych wartości znamionowych, jak dla aplikacji skalarnych, czyli: napięcie, częstotliwość, prąd oraz prędkość lub ilość par biegunów, wymagane są parametry elektryczne uzwojeń. Dane to niestety nie są zazwyczaj podawane przez producentów. Nie stanowi to jednak problemu przy parametryzacji urządzenia, ponieważ istnieje do tego celu funkcja auto tuningu. Polega ona na podaniu na silnik napięcia stałego, dzięki czemu przemiennik może zmierzyć rzeczywiste wartości parametrów elektrycznych jak rezystancja i indukcyjność stojana oraz wirnika. Dzięki wbudowanemu modelowi matematycznemu silnika i ww. parametrom przemiennik częstotliwości może w dowolnej chwili odpowiednio wysterować wymaganą wartość momentu obrotowego.

Sterowanie wektorowe ma zastosowanie, gdy wymagane jest utrzymywanie stałych wartości momentu obrotowego oraz prędkości lub obciążenie wału silnika zmienia się w trakcie jego pracy. Algorytm ten szczególnie sprawdzi się, gdy aplikacja napędowa wymusza konieczność dokładnej regulacji prędkości obrotowej, co wiąże się też często z zastosowaniem enkodera. Przykładami takich aplikacji są:

  • napędy dźwigów i podnośników – wymagane duże momenty obrotowe na starcie oraz płynną pracę;
  • młyny, miksery – wymaganie stabilizacji prędkości oraz dużego momentu;
  • wirówki – wymagany wysoki moment oraz dokładna regulacja przy starcie i hamowaniu;
  • nawijarki – wymagana regulacja momentu celem osiągnięcia odpowiedniego naprężenia materiału;
  • przenośniki — wymagana precyzja ruchu oraz duży moment przy ruchu załadowanej maszyny.

Ograniczeniem stosowania sterowania wektorowego jest możliwość sterowania tylko jednego silnika przez dany przemiennik częstotliwości.

Wadą implementacji przemienników ze sterowaniem wektorowym jest przede wszystkim ich cena oraz to, że uruchomienie wymaga dużo większego nakładu pracy.

Sterowanie wektorowe występuje tylko w przemiennikach trójfazowych.

Jaki algorytm będzie dla aplikacji najlepszy?

Teoretycznie odpowiedź na to pytanie powinna być prosta i powinna wynikać z wyżej opisanych zastosowań danego algorytmu. Natomiast na wybór wpływ mają również inne czynniki. Napędy umożliwiające sterowanie wektorowe, ze względu na bardziej rozbudowany firmware posiadają zazwyczaj mniejszą ilość dostępnej pamięci wewnętrznej do programowania bloków funkcyjnych. Stąd, jeżeli planujemy implementację pewnych logik w oparciu o bloki programowalne w przemienniku częstotliwości musimy mieć to na uwadze.

Innym aspektem jest sposób regulacji prędkości przed dany przemiennik i jego wpływ na pracę silnika i całej maszyny. Przy sterowaniu wektorowym, które umożliwia utrzymanie stałego momentu w danym punkcie pracy, występuję częste doregulowywanie prędkości obrotowej silnika. Zmiany nie są tak widoczne i zauważalne jak przy sterowaniu skalarnym, lecz również występują. W maszynach dużych mocy, w których występuje duża zmienność obciążenia na wale, mogą z tego powodu występować drgania skrętne o wysokich wartościach. Zjawisko to może prowadzić do poważnych awarii mechanicznych z urwaniem wału włącznie. W takim przypadku należy dokładnie przeanalizować cały układ napędowy, zarówno od strony mechanicznej, jak i elektrycznej. Ze szczególną starannością należy dobrać również parametry regulatorów w przemienniku częstotliwości oraz w systemie sterującym daną maszyną (np. DCS).



Utworzono: / Kategoria:
  • Autor: B4IND
  • Piotr Bilski, inżynier elektryk oraz autor bloga strefaie.pl. Specjalista w zakresie elektroenergetyki przemysłowej oraz systemów SCADA od 2007 roku związany z przemysłem rafineryjnym i petrochemicznym
  • Profil Autora
  • https://strefaie.pl

Reklama

Newsletter

Zapisz się i jako pierwszy otrzymuj nowości!




.
NAJNOWSZE PUBLIKACJE OD UŻYTKOWNIKÓW I FIRM

Reklama



MOŻESZ SIĘ TYM ZAINTERESOWAĆ
  • W trybie refleksyjnym sygnał ultradźwiękowy jest nieustannie odbijany przez zamontowany na stałe element odbijający wiązkę, tzw. element odniesienia. Jako elementu odbijającego wiązkę można używać odpowiednio ustawionego panelu z plastiku l...
  • SICK oferuje całą gamę elektronicznych przetworników pomiarowych ciśnienia i presostatów, które ze względu na inteligentne i wszechstronne możliwości konfiguracji dają się optymalnie dopasować do indywidualnych wymagań klienta. W typowy dla...
  • Zapraszam Cię na kurs tworzenia wizualizacji HMI z wykorzystaniem panelu XV102 od firmy EATON. Kurs stworzyłem z myślą o każdym, kto chce zacząć przygodę z tworzeniem wizualizacji HMI przy użyciu programu Galileo. Stworzyłem kurs bazujący n...
  • Systemy RFID są ekonomiczne, uniwersalne i zapewniają niezawodność procesów, np. w intralogistyce. Zadania związane z identyfikacją stały się teraz łatwiejsze, szczególnie gdy potrzebna jest duża liczba punktów identyfikacji, dzięki  głowic...
  • Produkty i rozwiązania firmy SICK są równie różnorodne jak codzienność w przedsiębiorstwie. Szkolenia SICK dla użytkowników umożliwiają zdobycie wiedzy na temat zróżnicowanej oferty naszych innowacyjnych produktów w formie dostosowanej do k...
    Link: Terminy
  • Sterowniki  z serii SIMATIC S7-1200 oferują szeroki zakres funkcjonalności i zintegrowane wejścia/wyjścia zamknięte w kompaktowej obudowie. Są doskonałym narzędziem do realizacji standardowych projektów i zadań automatyki, a jednostki S7-12...