Softvérové funkcie frekvenčných meničov
Súčasné frekvenčné meniče sú riadené mikropočítačmi, čo umožnilo vložiť do nich aj zložitejšie riadiace algoritmy. Meniče tak boli vybavené viacerými softvérovými funkciami, ktoré umožňujú prevádzku pohonu aj v neštandardných situáciách.
Brzdenie a rekuperácia
Pri prevádzke pohonov sa často vyskytuje dlhodobé alebo krátkodobé brzdenie. Dlhodobé brzdenie je potrebné pri zariadeniach s aktívnym záťažovým momentom (žeriavy, výťahy, dynamometre, odvíjačky a pod.) alebo veľkým momentom zotrvačnosti (reverzačné dopravníky, odstredivky, ventilátory a pod.). Krátkodobé brzdenie (tzv. dynamické) sa vyskytuje v prípade havarijného zastavovania pohonu – tzv. rýchly stop, keď je potrebné definovaným spôsobom zastaviť pohon v čo najkratšom čase. Ďalším prípadom je krátke pribrzdenie pohonu pri prekmite po dosiahnutí želanej rýchlosti. Pokiaľ menič nemá možnosť elektrického brzdenia, stabilizácia rýchlosti trvá dlhšie, nakoľko je pohon brzdený len mechanickými stratami. Druhou možnosťou je nastavenie ozvy rýchlosti bez prekmitu, čo však znižuje dynamiku pohonu (obr. 68).
Bežný frekvenčný menič je jednokvadrantový a neumožňuje rekuperačné brzdenie. Vstupné diódové alebo tyristorové usmerňovače umožňujú prechod prúdu len jedným smerom. Nakoľko kondenzátor v medziobvode nedovoľuje zmenu polarity napätia, nedá sa zmeniť smer toku výkonu cez vstupný usmerňovač. Energia, ktorá pri brzdení prúdi z motora do meniča, tak zostáva v medziodvode a spôsobuje zvýšenie jeho napätia. Po prekročení určitej medze sa menič vypína, ináč by došlo k jeho poškodeniu. Preto je pri brzdení nutné buď použiť také metódy, pri ktorých sa energia do medziobvodu nevracia (brzdenie do rezistora, brzdenie jednosmerným prúdom alebo tokom stroja), alebo prebytočnú energiu z medziobvodu odviesť pomocou prídavných zariadení (spínaného rezistora, rekuperačného meniča). Na brzdenie striedavých motorov napájaných z frekvenčných meničov sa používajú nasledujúce metódy:
Brzdenie pomocou rampy sa používa pri pohonoch s dostatočne veľkým záťažovým momentom v celom rozsahu otáčok (Mp na obr. 69). Pri nastavení primeraného brzdného momentu (Mb1 na obr. 69) pomocou brzdnej rampy bude pohon počas celého brzdenia pracovať v motorickej prevádzke. Pri nastavení rýchlejšieho brzdenia (Mb2 na obr. 69) alebo pri malom záťažovom momente sa pohon dostane do generátorického režimu pri rýchlosti ω2. Od tohto okamihu sa dá brzdiť už len takým momentom, aby vracaná energia neprekročila vlastné straty meniča a motora, čo pri bežných pohonoch predstavuje asi 1 ÷ 3 % menovitého momentu motora (pri nižšej rýchlosti sú straty vyššie). Ak by napätie medziobvodu prekročilo dovolenú medzu, možno využiť reguláciu napätia medziobvodu (bude vysvetlená neskôr). Brzdenie pomocou rampy je pre sólo pohony jednou z možností, ako sa vyhnúť nutnosti doplniť menič o rekuperačný usmerňovač alebo brzdnú jednotku, čo hlavne pri veľkých pohonoch predstavuje nemalú investíciu.
Brzdenie po rampe je demonštrované na turboexhaustore (odsávací ventilátor s výkonom 1,5 MW). Riadenie je vektorové bez snímača otáčok. Pri malých otáčkach (do frekvencie 5 Hz, t. j. 10 % otáčok, žltý priebeh) je v činnosti skalárne riadenie, pri vyššej frekvencii sa prepína na vektorové riadenie (obr. 70). Na obrázku vidieť moment motora (fialová), momentotvornú (zelená) a tokotvornú (béžová) zložku prúdu, celkový prúd motora (červená) a napätie medziobvodu (sivá). Veličiny sú zobrazené ako pomerné s rovnakou mierkou, líši sa len mierka napätia medziobvodu (DC bus voltage). Až do okamihu cca 73 s je záťažový moment väčší ako brzdný moment. Pohon je v motorickom režime, aj keď spomaľuje. Vidieť to na kladnom priebehu momentu (fialová). V čase 73 s prejde pohon do generátorického režimu, čo sa prejaví prudkým nárastom napätia medziobvodu (sivá). Ak by nebola aktivovaná funkcia regulácia napätia v medziobvode, pohon by reagoval poruchovým hlásením a vypol by sa. Aktivovaná funkcia spomalí pokles otáčok (zníži spomalenie pohonu) tak, aby motor dodával do medziobvodu len toľko energie, koľko je pohon schopný rozptýliť vo vlastných stratách. V čase od 73 s do 105 s budú skutočné otáčky (žltá) klesať pomalšie ako ich žiadaná hodnota z rampového generátora (svetlomodrá). Napätie medziobvodu sa bude udržiavať na bezpečnej konštantnej hodnote (sivá) a moment motora bude síce záporný, ale malý. V čase cca 105 s otáčky dosiahnu hodnotu, keď sa prepína vektorové riadenie bez snímača otáčok na skalárne, ktoré má v tejto oblasti väčší odber prúdu, takže regulácia napätia v medziobvode sa deaktivuje. Použitie regulácie napätia v medziobvode síce predĺži čas brzdenia, ale pri samostatne pracujúcom pohone to neprekáža. Ak by došlo počas brzdenia k poruche, pohon by dobiehal zotrvačnosťou, čo by pri takomto pohone trvalo aj niekoľko minút.
Brzdenie jednosmerným prúdom (DC-braking) sa dá pomocou frekvenčného meniča dosiahnuť bez problémov, nakoľko menič obsahuje zdroj jednosmerného napätia. Pri brzdení sa najprv vypne striedavé napájanie motora, počká sa, kým nezanikne magnetický tok v rotore, a potom sa vhodným zopnutím spínačov v striedači pustí do statorového vinutia jednosmerný prúd, ktorý v točiacom sa motore vyvolá brzdný moment Mbrzd. Ak sa má po pribrzdení pohon prevádzkovať opäť v motorickom režime, musí sa znovu počkať, kým sa motor neodmagnetuje, až potom možno obnoviť striedavé napájanie (obr. 71). Čas potrebný na odmagnetovanie závisí od časovej konštanty odmagnetovania Th (pozri aj obr. 76). Keďže ide o stovky milisekúnd, táto doba výrazne zhoršuje dynamiku brzdenia. Veľkosť Mbrzd závisí od okamžitej veľkosti brzdného prúdu motora Ibrzd a dá sa určiť z charakteristiky motora pre priame pripojenie na sieť. Prakticky pre celý rozsah rýchlosti okrem okolia nuly platí, že Mbrzd ~ Ibrzd2. Veľkosť Mbrzd v závislosti od rýchlosti pre dva rôzne motory je uvedená na obr. 72.
Druhou nevýhodou brzdenia jednosmerným prúdom je premenlivý brzdný moment. Ako vidno na obr. 72, Mbrzd pri menovitých otáčkach a menovitom prúde motora dosahuje len 10 % MN, kým pri otáčkach blízkych nule dosahuje maximum a blíži sa k MN. Poloha maximálneho momentu závisí od menovitého sklzu motora – pri menších motoroch leží pri vyššej rýchlosti, pri veľkých motoroch bližšie k nulovým otáčkam. Aby sa dosiahol vyšší Mbrzd, musí byť motor brzdený väčším než menovitým prúdom, čo vedie k požiadavke predimenzovania meniča. Aj v takom prípade sa však väčší Mbrzd dosiahne len pri nízkych otáčkach. Pri tomto spôsobe brzdenia všetka brzdená kinetická energia zostáva v motore a mení sa na teplo.
Brzdenie tokom stroja (Flux braking) odstraňuje nevýhodu brzdenia jednosmerným prúdom, ktorou sú veľké oneskorenia. Stator je pri tomto spôsobe brzdenia prebudený, takže brzdená energia sa vo forme tepla vyžaruje v statorovom vinutí. Keďže stator je chladený lepšie ako rotor, brzdenie môže byť intenzívnejšie. Ďalšou výhodou je, že nie sú potrebné pauzy na odmagnetovanie stroja na začiatku a konci brzdenia, čo umožňuje plynulý prechod medzi motorickým a brzdným režimom a naopak. Metódu možno použiť len pri nízkej rýchlosti, keď má menič dostatočnú napäťovú rezervu na pribudenie statora.
Brzdenie do rezistorov sa používa pri synchrónnych motoroch budených permanentnými magnetmi. Statorové vinutie sa odpojí od napájacieho zdroja a skratuje sa priamo alebo cez rezistory. Motor sa dá brzdiť až do nulových otáčok, pričom Mbrzd je približne rovný MN. Tento spôsob sa používa vtedy, keď treba pri výpadku siete alebo meniča pohon z bezpečnostných dôvodov rýchlo zastaviť.
Brzdenie pomocou spínaného rezistora sa používa v prípade potreby dynamického brzdenia alebo vtedy, keď brzdenie tvorí len malú časť pracovného cyklu pohonu, takže je lacnejšie vracanú energiu mariť ako dopĺňať sústavu o drahý rekuperačný usmerňovač. Brzdnú jednotku tvoria elektronický spínač a rezistor, ktoré sa pripájajú paralelne ku kondenzátoru v jednosmernom medziobvode (obr. 42, ATP 5/2022). V motorickom režime brzdná jednotka nie je aktívna. Ak pri brzdení napätie medziobvodu prekročí nastavenú hodnotu, spínač sa zopne a vybije do rezistora časť energie. Vzhľadom na to, že vracaná energia sa všetka marí v odporníku, treba ho dimenzovať tak, aby sa neprehrieval. V prípade preťaženia ho totiž riadiaca elektronika môže vyradiť z činnosti a následné prepätie v medziobvode spôsobí vypnutie meniča a odstavenie pohonu.
Brzdná jednotka môže byť riešená ako samostatný modul, ktorý sa pripája na DC zbernicu, pričom brzdný rezistor je externý (obr. 73). V kompaktných meničoch býva spínací tranzistor súčasťou meniča, ku ktorému sa pripája len externý brzdný rezistor.
V prípade väčšieho výkonu sa dajú niektoré motorové jednotky použiť alternatívne ako brzdný modul (napr. motorový modul SINAMICS S120) na obr. 74. Reakcia motorového modulu v tomto zapojení je pomalšia (4 ÷ 5 ms) oproti štandardnému brzdnému modulu (1 ÷ 2 ms) [2].
Rekuperačné meniče sa používajú vtedy, keď brzdný režim tvorí podstatnú alebo dokonca prevažujúcu časť pracovného cyklu. Menič umožňuje vracať energiu späť do napájacej siete, pričom jej veľkosť nie je obmedzená predpísaným pracovným cyklom ako pri brzdnom rezistore. Rekuperačný menič môže byť tyristorový alebo tranzistorový. Vlastnosti oboch typov boli podrobne opísané v tomto seriáli v ATP Journal č. 5/2022.
Ďalšie softvérové funkcie
Kinetické zálohovanie (Kinetic Buffering) umožní pri krátkodobých výpadkoch sieťového napätia využiť kinetickú energiu pohonu na napájanie meniča (obr. 75). Pri výpadku napätia dochádza k poklesu napätia Ud v jednosmernom medziobvode. Do úrovne cca 75 % UdN menič najprv udržiava pôvodnú výstupnú frekvenciu, takže otáčky pohonu sa nemenia. Motor si znížené napätie kompenzuje zvýšeným odberom energie z medziobvodu. Ak Ud klesá naďalej, začne sa znižovať frekvencia meniča tak, aby pohon pracoval v generátorickom režime, pričom vracaná kinetická energia kryje straty meniča a motora. Rýchlosť pohonu v tejto fáze klesá. Pri obnovení dodávky zo siete sa medziobvod nabije na nominálnu hodnotu (1,35 x Us) a otáčky pohonu sa vrátia na pôvodnú hodnotu bez zásahu obsluhy. Ak sa dodávka zo siete neobnoví a Ud klesne pod cca 60 % UdN, menič sa vypína. Dynamika kinetického brzdenia, ako aj spomínané medze napätia si môže používateľ nastaviť.
Predpokladom správnej činnosti kinetického zálohovania (KZ) je, že znížené napätie medziobvodu možno udržať kinetickou energiou pohonu. To je možné dovtedy, kým je rýchlosť pohonu vyššia ako cca 10 % nN. Pri pohonoch s veľkým momentom zotrvačnosti a malým záťažovým momentom to predstavuje minútu aj viac, pri pohone s malým momentom zotrvačnosti a veľkým záťažovým momentom len 200 ÷ 300 ms. KZ možno využívať pri sólo pohonoch a pri skupinovom napájaní motorov (viac motorov z jedného striedača). Pri viacmotorových pohonoch (viac striedačov napájaných zo spoločného medziobvodu) sa táto funkcia nedá použiť, nakoľko vzhľadom na rôzne straty jednotlivých pohonov by sa rozišli rýchlosti jednotlivých motorov v linke. KZ nie je možné využívať pri tyristorových rekuperačných usmerňovačoch.
Automatické znovuzapnutie meniča po obnovení dodávky elektrickej energie (Automatic Restart). Pri dlhodobom výpadku dodávky energie dôjde k vypnutiu meniča a aktivácii chybového hlásenia (strata napätia siete). Obsluha po obnovení napätia musí poruchu potvrdiť a pohon zapnúť. Funkcia Automatic Restart umožní po obnovení dodávky energie spustiť menič bez zásahu obsluhy, t. j. automaticky potvrdí poruchu a zapne menič. Pri nasadení tejto funkcie sa však musí uvážiť, či spustenie pohonu bez výstrahy nemôže spôsobiť úraz alebo materiálne škody. Funkcia sa s výhodou používa napr. pri pohone čerpadiel uzavretých v potrubí alebo v studniach.
Regulácia napätia v napäťovom medziobvode – pri brzdení dochádza k vracaniu energie z motora do meniča a následnému nárastu napätia v medziobvode. Pri prekročení nastavenej hodnoty napätia uvedená regulácia zvýši hodnotu výstupnej frekvencie, čím sa zníži sklz a následne veľkosť nabíjacieho prúdu kondenzátora v medziobvode. Týmto spôsobom sa za cenu pomalšieho brzdenia chráni medziobvod v prípade, že menič nie je schopný pri brzdení odvádzať energiu z medziodvodu. Aplikácia funkcie je na obr. 70.
Letmé spínanie (Restart on the fly). Sú prípady, keď sa motor otáča aj vtedy, keď nie je napájaný (ventilátor točiaci sa vplyvom prievanu v potrubí a pod.). Uvedená funkcia umožňuje pripnúť menič na točiaci sa motor bez toho, aby bolo nutné pohon najprv zastaviť a potom znovu rozbiehať. Menič si dokáže zistiť otáčky, ktorými sa motor práve otáča, a podľa nich nastaviť veľkosť svojej výstupnej frekvencie, nabudiť motor a prebrať jeho riadenie. Okrem niekoľkých špeciálnych prípadov sa táto funkcia dá použiť len pre sólo pohon.
Vyhľadávanie skutočných otáčok motora sa na pohonoch bez snímača otáčok robí vnútením prúdu do statorového vinutia a následným zisťovaním veľkosti a frekvencie vektora statorového toku. Ak má pohon snímač otáčok, využije sa jeho signál. Vyhľadávanie pri pohonoch so snímačom otáčok trvá 2 ÷ 5 s, pri pohonoch bez snímača otáčok 3 ÷ 10 s. Identifikácia statorového toku nenabudeného motora pri DTC trvá 200 ÷ 500 ms. Meniče s DTC ponúkajú aj tzv. rýchlu identifikáciu, keď možno plný moment motora dosiahnuť už za 150 ÷ 400 ms (v závislosti od veľkosti stroja). Vyhľadávací algoritmus sa nedá použiť pri pohonoch so synchrónnymi a reluktančnými motormi, tie musia byť vybavené snímačom otáčok.
Optimalizácia toku stroja. Ak pohon nie je počas prevádzky zaťažovaný plným momentom, nie je nutné, aby bol motor plne nabudený. Uvedená funkcia zabezpečuje zníženie budenia motora v ustálenom chode. Počas rozbehu a brzdenia je kvôli dynamike motor plne nabudený. Odbudzovanie sa robí pre záťaž do cca 30 % MN, pričom pri chode motora naprázdno je možné zníženie až na 50 % menovitej hodnoty magnetizačného prúdu. Výsledkom použitia tejto funkcie je znížené ohrievanie motora a jeho lepšia účinnosť.
Synchronizácia meniča s iným napájacím systémom a beznárazový prenos záťaže. Táto funkcia sa využíva, ak treba napájanie motora preniesť počas prevádzky z jedného meniča na druhý alebo priamo na sieť. Typickým príkladom sú tzv. štartovacie meniče používané na rozbeh sólo pohonov alebo pohonov s veľkým momentom zotrvačnosti. Po rozbehu na menovitú rýchlosť sa motor prepne na menič na skupinové napájanie alebo na sieť. Iným príkladom je prevzatie záťaže zálohovým meničom za chodu pohonu.
Meniče musia byť vybavené stýkačmi, ktoré zabezpečia prepojenie výkonových obvodov meničov a motora. Synchronizácia zabezpečí, že výstupné napätie oboch napájacích systémov meničov má počas prepájania rovnakú frekvenciu, amplitúdu a fázu. Po odpojení motora od meniča začne klesať rýchlosť pohonu v závislosti od momentu zotrvačnosti a záťažového momentu, čo spôsobí zmenu fázy indukovaného napätia Ui na motore. Okrem toho s časovou konštantou Th zaniká magnetický tok stroja, čo sa prejaví na znížení amplitúdy indukovaného napätia (obr. 76). Ak má byť prenos napájania beznárazový, nesmie sa počas neho zmeniť amplitúda a hlavne fáza indukovaného napätia v stroji tak výrazne, aby po pripojení na nový zdroj Us rozdiel napätí spôsobil veľký prúdový náraz. Prepínanie by preto nemalo trvať viac ako 50 ÷ 60 ms. Beznárazový prenos je možný, ak počas neho nedôjde k posunu fázy medzi Us a Ui o viac ako 20 ÷ 25° el.
Prenos záťaže sa dá uskutočniť tromi spôsobmi:
- Synchronizovaný prenos s prekrytím (obr. 77) – menič sa synchronizuje na frekvenciu a napätie siete B a na malý okamih sa cez tlmivku a stýkač K2 spojí so sieťou B. Potom sa stýkačom K1 menič odopne a záťaž preberie sieť B. Následne sa stýkačom K3 tlmivka premostí. Tlmivka nemusí byť dimenzovaná na menovitý prúd meniča, lebo obmedzuje len vyrovnávací prúd. Za cenu vyšších nákladov sa týmto spôsobom dá dosiahnuť beznárazový prenos záťaže z jedného napájacieho zdroja na iný aj pri veľkej záťaži pohonu.
- Synchronizovaný prenos bez prekrytia (obr. 78) – menič sa synchronizuje na frekvenciu a napätie siete B, potom sa stýkačom K1 odpojí od motora. Motor je na chvíľu bez napájania, potom sa stýkačom K2 pripojí k sieti B. Bezprúdový interval by mal byť čo najkratší, no treba počítať s tým, že prenos sa nedá uskutočniť skôr ako za 50 ÷ 60 ms. V tomto prípade plynulosť prenosu závisí od pomerov na pohone. Vhodnou kombináciou je pohon nezaťažený alebo zaťažený s veľkým momentom zotrvačnosti a menovitým sklzom menším ako 1 %.
- Základný prenos bez záťaže je najjednoduchším spôsobom prenosu. V tomto prípade sa najprv stýkačom K1 (obr. 78) odpojí motor od meniča (menič možno vypnúť), počká sa, kým zanikne magnetický tok v motore, a potom sa stýkačom K2 motor pripojí k sieti B. Pauza medzi vypnutím K1 a zapnutím K2 sa stanovuje na 1 ÷ 3-násobok Th. Pauza pri prepínaní je nutná, pretože ak by sa motor pripájal k sieti B skôr, než v ňom zanikne magnetický tok, mohlo by sa stať, že indukované napätie v motore a sieťové napätie budú v protifáze, čo by vyvolalo veľký prúdový náraz. Počas pauzy sa síce rýchlosť motora zníži, takže po pripojení k sieti B dôjde k prúdovému nárazu, no ten nebude taký veľký ako pri priamom pripojení motora na sieť. To isté platí aj pre mechanické namáhanie poháňaného zariadenia.
Literatúra
[1] Drive, Switch & Control. Siemens A&D Group. No. 2/2000. ISSN 1438-2490.
[2] SINAMICS Engineering Manual. June 2020. A5E50260647B AA. Siemens AG 2020.
Peter Girovský
František Ďurovský
Želmíra Ferková
Ján Kaňuch
Marek Pástor
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra elektrotechniky a mechatroniky
peter.girovsky@tuke.sk
