Napędy elektryczne - kompendium

Przemienniki częstotliwości zaczęto wprowadzać do użytku w latach 80. i 90. zeszłego stulecia, technologia sterowania silnikami za ich pośrednictwem jest zatem rozwiązaniem dojrzałym. Cieszą się dużą popularnością. Korzysta się z nich w sterowaniu zarówno wentylatorami i pompami, jak i maszynami, które wymagają dużej precyzji, na przykład nawijarkami. Główne bloki funkcyjne przemienników częstotliwości to: prostownik, układ pośredni (kondensator wygładzający), falownik oraz sterownik. Ich zasada działania jest następująca: najpierw przemienne napięcie wejściowe jest prostowane w mostku diodowym, a następnie wygładzane i przekształcane w falowniku w napięcie przemienne o zmiennej amplitudzie oraz częstotliwości, które zasila silnik. Mogą pracować w dwóch trybach sterowania: skalarnym albo wektorowym.

Jak sterować silnikiem?

Prędkość silników indukcyjnych można regulować, zmieniając amplitudę napięcia zasilania. Jeżeli jednak ona maleje, w celu skompensowania tego spadku silnik pobiera większy prąd, żeby zapewnić wymaganą moc. Może to prowadzić do przegrzania się uzwojeń.

Z drugiej strony wzrost napięcia zasilania może skutkować przebiciem izolacji i uszkodzeniem uzwojeń. Dlatego w praktyce w ten sposób można bezpiecznie regulować prędkość silnika najwyżej o kilkanaście procent. Alternatywą jest zmiana częstotliwości zasilania.

Zmniejszając ją, jednak jednocześnie zmniejszymy impedancje stojana i wirnika, co zwiększa prąd magnesujący. To prowadzi do głębokiego nasycenia obwodu magnetycznego silnika, co zwiększa straty i pogarsza jego sprawność energetyczną.

Wzrost częstotliwości powoduje z kolei spadek momentu obrotowego, który jest do niej odwrotnie proporcjonalny. Rozwiązaniem jest utrzymanie niezmiennego stosunku amplitudy do częstotliwości napięcia zasilania.

Na czym polega sterowanie skalarne?

Wynika to stąd, że określa on gęstość strumienia magnetycznego, którego stała wartość zapewnia dla danego obciążenia stały moment obrotowy. Oznacza to, że jeżeli chcemy zmieniać prędkość obrotową, unikając wyżej opisanych problemów, musimy równocześnie odpowiednio regulować częstotliwość i amplitudę napięcia zasilania. Ten sposób sterowania określa się mianem skalarnego lub U/f.

Warto tu zaznaczyć, że obowiązuje to dla większych częstotliwości. Dla tych małych trzeba jeszcze uwzględnić wpływ rezystancji stojana. Ze względu na występujący na niej spadek napięcia w celu jego kompensacji w dolnej części charakterystyki U/f, czyli w zakresie małych prędkości silnika, trzeba zwiększyć napięcie. Oznacza to w praktyce, że powyżej częstotliwości granicznej utrzymany jest stały stosunek U/f, a poniżej charakterystyka również jest liniowa, ale ma inne nachylenie.

Generalnie sterowanie skalarne najlepiej sprawdza się w niewymagających aplikacjach. Przykładem jest regulacja prędkości obrotowej silników w napędach pomp, sprężarek, dmuchaw, wentylatorów, przenośników. Ze względu na swoją prostotę ten sposób sterowania ma bowiem kilka ograniczeń. Najważniejsze to: brak kontroli nad stanami przejściowymi maszyny i momentem obrotowym, występowanie oscylacji prędkości i mały moment obrotowy przy niskich częstotliwościach. Zaletą jest natomiast łatwość realizacji.

Sterowanie wektorowe

Alternatywą dla metody skalarnej jest sterowanie wektorowe. Sprawdza się ono w wymagających aplikacjach, w których ta pierwsza ze względu na swoje ograniczenia jest niewystarczająca. Przed wyjaśnieniem, na czym polega sterowanie wektorowe, trzeba przypomnieć, dlaczego łatwiejsze jest sterowanie silnikami obcowzbudnymi prądu stałego.

Wynika to z ich konstrukcji. Silniki tego typu są zbudowane z dwóch uzwojeń: wzbudzenia oraz twornika. To pozwala na niezależne kontrolowanie strumieni wzbudzenia oraz momentu. W silniku indukcyjnym klatkowym natomiast występuje wyłącznie jedno trójfazowe uzwojenie, które można zasilić. Jest to uzwojenie stojana.

Rys. 1. Główne bloki funkcyjne przemienników częstotliwości

Istnieją jednak metody zaliczane do technik wektorowych pozwalające na niezależne kształtowanie strumienia oraz zmianę momentu obrotowego. Osiąga się to przez zastosowanie przekształceń emulujących dla silników indukcyjnych podejście do sterowania mające zastosowanie dla silników prądu stałego.

Rys. 2. Charakterystyka U/f

Problemy z przemiennikami – cz. 1

Pierwsze generacje falowników wykorzystywały tyrystory albo zwykłe tranzystory bipolarne. Wraz z ich zastąpieniem tranzystorami bipolarnymi IGBT parametry pracy przemienników częstotliwości znacząco się poprawiły. Przede wszystkim tranzystory z izolowaną bramką wyróżnia duża szybkość przełączania. To oznacza mniejsze straty energii, co zmniejsza wymagania w zakresie chłodzenia i pozwala na bardziej kompaktową konstrukcję napędu. Większa częstotliwość nośnej redukuje także hałas, harmoniczne i ogranicza prąd szczytowy, co zapobiega przegrzewaniu się silnika i zapewnia większy prąd użyteczny w całym zakresie prędkości. Z drugiej jednak strony upowszechnienie się falowników z tranzystorami IGBT ujawniło poważny problem, jakim jest powstawanie na zaciskach silnika fali odbitej, która nakłada się na napięcie w kablu.

Jak powstaje fala odbita?

Kiedy fale rozchodzące się w wodzie napotkają barierę, odbijają się od niej i nakładają na kolejne fale przychodzące. Analogicznie fala energii przemieszczająca się wzdłuż linii transmisyjnej ulega odbiciu od obciążenia, o ile jego impedancja charakterystyczna nie jest równa impedancji linii.

W przypadku napędów z przemiennikami częstotliwości kabel łączący je z silnikiem pełni funkcję linii transmisyjnej. Ponieważ impedancja charakterystyczna kabla jest zwykle mniejsza niż impedancja charakterystyczna silnika, na jego zaciskach pojawia się fala odbita.

W pewnych warunkach, gdy długość kabla silnika jest większa lub równa długości krytycznej, przy której czas potrzebny do przebycia przez falę napięcia drogi od przemiennika do silnika jest dłuższy niż połowa czasu narastania napięcia, fala odbita nałoży się na tę padającą. Jeśli impedancja silnika jest odpowiednio większa od impedancji kabla, amplitudy fali odbitej i padającej mogą być nawet sobie równe. To skutkuje podwojeniem napięcia powodującym przepięcia.

Fala odbita a wyładowania koronowe

Grozi to przekroczeniem wartości napięcia granicznego wyładowania koronowego. Jest to jedna z form wyładowania niezupełnego, w której napięcie przekracza wartość krytyczną, ale nie występują warunki, które pozwoliłyby na wytworzenie się łuku elektrycznego. Do wyładowania koronowego dochodzi na skutek przepływu prądu między elektrodami oddzielonymi nieprzewodzącym płynem, jak powietrze, w wyniku zjonizowania tego płynu. Powstaje wtedy plazma, a ładunki elektryczne rozprzestrzeniają się, przechodząc od jonów do cząstek gazu.

Towarzyszy temu emisja niebieskiego światła i syczącego dźwięku o natężeniu rosnącym wraz z napięciem. Wytwarzany jest również ozon, a w obecności wilgoci kwas azotowy – obie substancje oddziałują niszcząco na tworzywa sztuczne. Powodowane falami odbitymi skoki napięcia mogą jonizować powietrze w szczelinie powietrznej między uzwojeniami silnika, jak również powietrze pomiędzy izolacją kabla a płaszczem kabla. Oba te elementy mogą zatem ulec uszkodzeniu, a nawet zniszczeniu na skutek wyładowań koronowych.

Najskuteczniej występowaniu fal odbitych i przepięć można zapobiec, używając kabla krótszego niż maksymalnie zaleca producent. Jeżeli nie jest to możliwe, stosuje się dławiki wyjściowe, filtry i układy dopasowujące, które ograniczają albo eliminują te niepożądane zjawiska, chroniąc silnik i kabel przed uszkodzeniem.