Frekventni regulatori

Statički frekventni pretvarači su elektronski uređaji koji omogućavaju upravljanje brzinom trofaznih motora pretvarajući mrežni napon i frekvenciju, koji su fiksirane vrednosti, u promenljive veličine. Dok su principi ostajali isti, mnogo toga se promenilo od pojave prvog frekventnog pretvarača, koji je sadržavao u sebi tiristore, do pojave današnjeg mikroprocesorski upravljanog pretvarača. Zbog sve većeg učešća automatike u industriji, postoji konstantna potreba za automatskim upravljanjem, a neprekidno povećanje brzine proizvodnje i bolje metode za poboljšanje stepena korisnosti pogona su razvijane sve vreme.

   Elektromotori su danas važan standardan industrijski proizvod. Ovi motori su projektovani da rade sa konstantnom brzinom i tokom prošlih godina radilo se na optimizaciji kontrole njihove brzine. Sve dok se nisu pojavili frekventni pretvarači nije bilo moguće u potpunosti upravljati brzinom trofaznog AC motora. Većina statičkih frekventnih pretvarača koji se danas koriste u industriji za regulaciju ili upravljanje brzinom trofaznih motora su pravljeni na osnovu dva principa:

1. frekventni pretvarači bez međukola (poznati kao direktni pretvarači),

2. frekventni pretvarači sa promenljivim ili konstantnim međukolom.

   Frekventni pretvarači sa međukolom imaju ili strujno međukolo, ili naponsko međukolo i oni se nazivaju strujni invertori i naponski invertori. Invertori sa međukolom imaju određene prednosti u odnosu na direktne invertore, kao što su:

1. bolje upravljanje strujom

2. redukciju viših harmonika

3. neograničenu izlaznu frekvenciju (ali ograničenje postoji u upravljanju korišćenju samih elektronskih komponenti.Frekventni pretvarači za visoke izlazne frekvencije su u najvećem broju slučajeva izvedeni sa međukolom)

 Direktni invertori su nešto jeftiniji od invertora sa međukolom, ali imaju tu manu da poseduju lošiju redukciju viših harmonika. Kako većina frekventnih pretvarača koristi jednosmerno (DC) naponsko međukolo.

1. Štednja energije. Energija se moze uštedeti ako brzina obrtanja motora odgovara zahtevima pri bilo kom momentu opterećenja. Ovo se odnosi pre svega na pogon pumpi i ventilatora gde je utrošena energija srazmerna kvadratu brzine. Tako pogon koji radi sa polovinom brzine uzima samo 12.5% od nominalne snage.
2. Optimizacija procesa. Podešavanje brzine u procesu proizvodnje pruža brojne prednosti. To uključuje povećanje proizvodnje, dok smanjuje troškove održavanja i utrošak materijala i habanje.
3. “Mekan” rad mašine. Broj startovanja i zaustavljanja mašine može se sa punom kontrolom brzine dramatično smanjiti. Korišćenjem soft-start i soft-stop rampi, naprezanja i udari mašine se mogu izbeći.
4. Manji troškovi održavanja. Frekventni pretvarači ne zahtevaju održavanje. Kada se koriste za upravljanje motorima, radni vek pogona se povećava. Na primer, u sistemima za navodnjavanje, gde pojava vodenih čekića koji direktno zavise od motora pumpe nestaje tako da su izbegnuti kvarovi na ventilima.
5. Poboljšano radno okruženje. Brzina pokretnih traka može da se podesi na tačno zahtevanu radnu brzinu. Na primer, flaše na pokretnoj traci u liniji za punjenje flaša prave mnogo manje buke ako se brzina trake može smanjiti u toku punjenja.

1. Ispravljač, koji je spojen glavnim mono/tro-faznim AC napajanjem i generiše pulsirajući DC napon. Postoje dva osnovna tipa ispravljača – kontrolisani i nekontrolisani

2. Međukolo. Postoje tri tipa:

         a)konvertuju ispravljački napon u direktnu struju

         b)stabilišu (peglaju) pulsirajući DC napon i stavljaju ga na raspolaganje invertoru

         c)konvertuju konstantan DC napon ispravljača u promenljiv AC napon

3. Invertor, koji generiše frekvenciju napona na motoru. Alternativno, neki invertori mogu takođe konvertovati konstantan DC napon u promenljiv AC napon.

4. Upravljačko kolo, koje šalje i prima signale iz ispravljača, međukola i invertora. Delovi regulatora koji se kontrolišu zavise od dizajna samog regulatora.

Ono što svi frekvencijski regulatori imaju zajedničko jeste da kontrolno kolo koristi signale da uključuje ili isključuje poluprovodničke elemente. Frekventni regulatori su podeljeni prema načinu prekidanja, koje kontroliše napajanje motora.

  Napon napajanja je trofazni AC napon ili monofazni AC napon fiksne frekvencije(3x400V/50Hz ili 1×240/50Hz) (400V je napon izmedju dve faze, a ne izmedju faze i nule!!!) i njihove karakteristične vrednosti mogu biti prikazane kao:

slika 1. Mono i trofani AC napon

Na slici 1. sve tri faze međusobno su razmeštene u vremenu, fazni napon konstantno menja smer, dok frekvencija prikazuje broj perioda u sekundi. Frekvencija od 50Hz znači 50 perioda u sekundi, sa trajanjem periode 20ms. Ispravljači frekventnih regulatora sastoje se od dioda i tiristora. Ispravljač sačinjen od dioda je nekontrolisan, a ispravljač sačinjen od tiristora je kontrolisan. Ako su korišćene i diode i tiristori tada je ispravljač polukontrolisan.

  Međukolo se može videti kao neka vrsta skladišta iz kog motor vuče energiju kroz invertor. Međukolo može biti izgrađeno na tri načina u zavisnosti od izvedbe ispravljača i invertora.

 Strujni invertori (I-regulatori). Kod strujnih invertora, slika 2, međukolo se sastoji od velikog kalema i kombinuje se, isključivo sa kontrolisanim ispravljačem. Kalem transformiše promenljiv napon iz ispravljača u promenljivu direktnu struju. Opterećenje određuje napajanje motora.

slika 2. Promenljivo DC međukolo

 Naponski invertori (U-regulatori). Kod naponskih invertora, slika 3, međukolo se sastoji od kondenzatora(filtra) i može biti kombinovano sa oba tipa ispravljača. Filter poravnava pulsirajući napon (UZ1) ispravljača. U kontrolisanom ispravljaču napon je konstantan na zadatoj frekvenciji, i snabdeva invertor sa čistim DC naponom (UZ2) promenljive amplitude. U nekontrolisanom ispravljaču, napon na ulazu invertora je DC napon konstantne amplitude.

  slika 3. Konstantno DC naponsko međukolo

1. promenljivu direktnu struju

2. promenljiv DC napon

3. konstantan DC napon

 U svakom slučaju, regulator osigurava da napajanje bude kvantitativno promenljivo. Drugim rečima, frekvencija napajanja motora se uvek generiše u invertoru. Ako su struja i napon promenljivi, invertor generiše samo frekvenciju. Ukoliko je napon konstantan, invertor generiše frekvenciju kao i napon. Iako invertori rade na različite načine, njihova osnovna struktura je uvek ista. Glavne komponente su kontrolisani polu-provodnici, postavljeni u parove u tri grane. Tiristori su sada zamenjeni sa visoko-frekventnim tranzistorima koji se brzo pale i gase. Mada ovo zavisi od polu-provodnika, tipično je između 300Hz i 20kHz. Polu-provodnici u invertoru se uključuju i isključuju signalom generisanim u upravljačkom kolu. Signali mogu biti kontrolisani na različite načine.

slika 4. Invertor za promenljiv li konstantan napon medjukola,  izlazna struja zavisi od
prekidačke frekvencije invertora

 Pri promenljivom ili konstantnom naponu međukola invertori, slika 4, imaju šest prekidačkih komponenti i bez obzira koji polu-provodnici su upotrebljeni, funkcija je bazično ista. Upravljačko kolo pali i gasi poluprovodnike koristeći različite modulacione tehnike i na taj način se menja izlazna frekvencija frekventnog regulatora. Prve tehnike radile su sa promenljivim naponom ili strujom u međukolu. Intervali tokom kojih individualni poluprovodnici provode su smešteni u sekvencu koja se koristi da bi se postigla zahtevana izlazna frekvencija. Sekvenca rada poluprovodnika je kontrolisana veličinom promenljivog napona ili struje u međukolu. Koristeći naponski kontrolisan oscilator, frekvencija uvek prati amplitudu napona. Ovakav tip invertora se naziva amplitudno modulisani (PAM). Ostale glavne tehnike koriste fiksni napon međukola. Napon motora se menja primenjujući napon međukola duže ili kraće vreme.

slika 5. Modulacija amplitude I širine impulsa

 Frekvencija se menja varirajući naponske impulse duž vremenske osepozitivno za jednu poluperiodu i negativno za drugu. Tehnika menjanja širine naponskog impulsa naziva se impulsno-širinska modulacija (PWM). PWM (i slične tehnike kao sinusno-modulisani PWM) je najčešća tehnika invertorske kontrole. U PWM tehnici kontrolno kolo određuje vreme paljenja i gašenja poluprovodnika u preseku između napona i nametnutog sinusoidnog referentnog napona (sinus-kontrolisani PWM).

 Upravljačko kolo ili upravljačka kartica, je četvrta važna komponenta frekventnog regulatora i ima četiri bitna zadatka:

1. upravljanje poluprovodnicima frekventnog regulatora
2. razmena podataka između frekventnog regulatora i perifernih uređaja
3. sakupljanje i izveštavanje o porukama greške
4. ostvarivanje zaštitne funkcije za frekventni regulator i motor

 Mikroprocesori povećavaju brzinu upravljačkog kola, značajno povećavajući broj odgovarajućih aplikacija za pokretanje, a ujedno smanjujući broj neophodnih proračuna. U frekventnom regulatoru integrisani su mikroprocesori, koji omogućavaju da se determiniše optimalna povorka impulsa za svako radno stanje.

 Nakon izbora vrste frekventnog pretvarača prema njihovim prethodno opisanim karakteristikama, potrebno je proveriti da li pretvarač  zadovoljava i specifične zahteve 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:

1. na osnovu električne snage procenjene prema mehaničkoj snazi EM
2. na osnovu prividne snage EM
3. na osnovu I_N (najprecizniji način)

  Sledeći kriterijum je mogućnost upravljanja, odnosno regulacije željenog parametra i opseg promene 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 sledećih zahteva:

1. stabilnost kontrolisanih parametara (brzina obrtanja-obično 1÷3% n_N, a za bolje pretvarače <0,5%n_N, a pri povratnoj vezi i znatno manje, obrtni moment i sl.)
2. zaštita EM i pretvarača od nedozvoljenih stanja (ograničenje jačine struje, zagrevanja itd.)
3. mogućnost rada pretvarača i bez povratne veze od EM (“skalarno upravljanje”)
4. lakoća i preciznost kontrole i monitoring rada EM i pretvarača (sa dojavom eventualnih grešaka i nedozvoljenih stanja u radu)
5. fleksibilnost aplikacija i postojanje modova rada koji odgovaraju karakteristici predviđenog opterećenja ( npr. za pogon dizanja, pogon pumpe ili ventilatora)
6. visoki stepen iskorišćenja samog pretvarača (obično 85÷90% pri punom opterećenju, a 75÷90% pri 25%’-nom opterećenju)
7. zalet uz ograničenu jačinu struje (uslov Φ=const. bi zahtevao pri startu jačinu struje≈(6÷15)*I_N)
8. mogućnost (kratkotrajnog) preopterećenja obrtnim momentom (po pravilu oko (1,6÷1,8)*T_N)
9. mogućnost (kratkotrajnog) preopterećenja strujom u toku zaleta ((1,5÷1,6)*I_N)
10. mogućnost kočenja jednim od gore navedenih načina (prosleđivanje 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)
11. mogućnost reverziranja(promena smera obrtanja) u toku rada bez promene priključaka EM
12. 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)
13. brzina reagovanja na nagle promene opterećenja(dinamičnost pogina) (obično (0,5÷2)s, za bolje pretvarače <0,5s pri promeni opterećenja od ΔT≈(0,7÷0,8)*T_N)
14. mogućnost ostvarivanja brzina obrtanja većih od sinhrone
15. mogućnost povećanja “ugaone” frekvencije
16. mogućnost višemotornog pogona
17. mogućnost automatizacije i uklapanja u nadređenje sisteme upravljanja i sl.