Přímé řízení momentu a měniče frekvence ABB
| Přímé řízení momentu a měniče frekvence ABB Porovnají-li se principy řízení měničů frekvence, lze hovořit o třech možných způsobech řízení (obr. 1). Jde o řízení skalární, vektorové a DTC (Direct Torque Control, přímé řízení momentu). Výrobce měničů frekvence, společnost ABB, se exkluzivně zabývá vývojem a neustálým zdokonalováním metody DTC již od roku 1988 a v plné míře uplatňuje dále uvedené přednosti tohoto řízení u nízkonapěťových měničů frekvence typu ACS 800 a u vysokonapěťových měničů frekvence ACS 1000 i ACS 5000. Základní myšlenka metody DTC je naznačena na obr. 2. Jádrem systému jsou hysterezní regulátory momentu a magnetického toku, které využívají optimalizovanou spínací logiku, čímž odpadá prvek modulátoru. Velmi důležitou částí řízení je přesný model motoru. V něm se vypočítává skutečný moment, statorový magnetický tok a otáčky hřídele z proudu měřeného ve dvou fázích motoru a ze stejnosměrného napětí v meziobvodu. Tyto výpočty jsou během jedné sekundy uskutečněny 40 000krát, takže DTC „ví“ přesně, jak se chová hřídel motoru. Přesnost modelu motoru závisí na tzv. identifikačním běhu, který se uskuteční při uvádění pohonu do provozu. Hlavními parametry modelu motoru jsou proměnné parametry náhradního obvodu motoru. Je respektován jak vliv teploty, tak i sycení. Referenční hodnoty momentu a toku jsou porovnávány se skutečnými hodnotami a řídicí signály jsou generovány dvouúrovňovou hysterezní logikou. Vysoká kvalita řízení je dána tím, že každý regulační cyklus trvá pouze 25 µs. To je také hlavní rozdíl mezi metodou DTC a tradičními metodami řízení střídavých pohonů. V DTC není samostatný pulzně šířkový modulátor (PWM – Pulse Width Modulator), který by řídil napětí a frekvenci. Optimální spínací logika je realizována procesorem ASIC (Application Specific Integrated Circuits, aplikačně specifické integrované obvody). Referenční hodnoty pro větve (S1, S2, S3) silového modulu jsou dány výstupem této logiky. Zpětnovazební informace o stavu výkonových součástek jsou použity pro výpočet skutečné velikosti a polohy napěťového vektoru. Metoda DTC je popisována jako spínání just in time, každé sepnutí je potřebné a využité. U klasické metody PWM bývá 30 % sepnutí nevyužitých. Hysterezní řízení statorového toku a momentu DTC využívá teorii vektorového řízení a teorii přímého řízení. K popisu veličin motoru je použito jejich zobrazení ve tvaru prostorových vektorů. Vektory toku a proudu a vektory napětí motoru jsou reprezentovány ve statorových souřadnicích. Ve dvouúrovňovém napěťovém střídači je k dispozici šest napěťových vektorů a dva vektory s nulovým napětím (obr. 3). Moment je tvořen vektorovým součinem prostorových vektorů magnetického toku statoru a rotoru nebo statorového proudu a toku. Absolutní hodnota vektoru statorového toku je udržována pokud možno konstantní a moment motoru je řízen velikostí úhlu mezi vektory statorového a rotorového toku. Typická časová konstanta rotoru standardního indukčního stroje je větší než 100 ms, takže rotorový tok je velmi vyhlazený a mění se ve srovnání se statorovým podstatně pomaleji. To se využívá k dosažení požadovaného momentu ovládáním jen vektoru statorového toku v potřebném směru. Je-li třeba zvětšit moment, je požadován takový způsob sepnutí měniče, aby bylo co nejrychleji dosaženo požadované velikosti. To je umožněno řízením okamžité hodnoty vektoru statorového toku výstupním napětím střídače. Spínací logický obvod přesně určuje nejvýhodnější vektor napětí podle skutečné a referenční hodnoty momentu. Při výběru schématu sepnutí se rovněž bere v úvahu absolutní délka vektoru statorového toku, tj. jeho velikost. Vodivostní schéma spínačů se mění pouze tehdy, liší-li se skutečný moment a statorový tok od referenčních hodnot více, než je povolená hystereze (obr. 4). Díky uvedeným vlastnostem nabízí DTC extrémně rychlou momentovou odezvu (pod 2 ms) a velmi rychlou reverzaci. Moment vykazuje značnou linearitu v celém rozsahu otáček, včetně nulových. Přesnost otáček je velmi dobrá v celém otáčkovém rozsahu, a to i bez nutnosti použít zpětnovazební čidlo otáček. Tabulka porovnání statické chyby otáček a dynamické chyby otáček jednotlivých typů řízení pohonů je na obr. 5. Navíc při použití čidla otáček se pohon rovná stejnosměrnému pohonu (statická chyba otáček je 0,01 %), a splňuje tak nejvyšší požadavky jak na dynamiku, tak na přesnost. Dalšími přednostmi DTC je možnost překlenutí krátkodobých výpadků napájecího napětí, letmý start, potlačení momentových rázů, snížení hladiny hluku, optimalizace magnetického toku motoru, brzdění tokem, dostupnost maximálního momentu i v nulových otáčkách. Všechny tyto přednosti byly ověřeny v mnoha úlohách ve všech průmyslových odvětvích. Přehled typů měničů ACS 800 ACS 800 plně nahradila předchozí řadu ACS 600 ve všech napěťových hladinách, tedy 400, 500 i 690 V. Výkonový rozsah byl rozšířen na 0,55 až 5 600 kW. Závěsný měnič ACS 800-01 byl nabízen ve výkonovém rozsahu 1,1 až 110 kW s krytím IP21 nebo IP55. V současné době byl rozšířen rozsah velikostí rámů, takže závěsné provedení je nyní až do 160 kW. Zmenšení rozměrů z původní lehké skříně ACS 800-02 na ACS 800-01 je až 55 %. Uvnitř měniče je i volitelné příslušenství, jako jsou např. filtr EMC, brzdný střídač, moduly pro komunikaci Fieldbus, moduly pro připojení čidla otáček nebo pro rozšíření I/O a pro připojení po optické lince, které se snadno instaluje systémem plug-in. ACS 800-02 je měnič frekvence zajímavě řešené konstrukce pro výkony 90 až 500 kW s krytím IP21. Součástí měniče je oddělitelný podstavec pro montáž kabelů spodem. Měnič je možné umístit na podlahu nebo zavěsit na zeď, navíc jsou možné dva směry montáže (čelně nebo bočně). Při vybavení pojistkovým odpojovačem, stykačem, termistorovým relé nebo relé Pt100 nebo při přívodu kabelů shora apod. je vlastní měnič doplněn další rozšiřující skříní. ACS 800-04 je typové označení pro modulové provedení měničů 1,1 až 500 kW s krytím IP00/IP20, které je určeno pro zabudování do rozváděčových skříní. Zahrnou-li se do tohoto výčtu i moduly typu Multidrive, je výkonový rozsah 0,55 až 2 000 kW. ACS 800-07 je označení pro měniče skříňového provedení výkonu 55 až 3 000 kW s krytím IP21 i IP54 a dalšími, přičemž typizované skříně ABB se již ve výrobním závodě vybavují příslušenstvím podle požadavků zákazníka. Výkony do 5 600 kW jsou ve verzi Multidrive. Měnič je vybaven asistentem start-up, který uživatele interaktivně vede procesem nastavení měniče. Na čtyřřádkovém displeji panelu měniče se postupně nabízejí všechny parametry, jež je před spuštěním měniče nezbytné nastavit. Detailní znalost parametrů není požadována, neboť ke každému parametru je možné jednoduchým stisknutím příslušného tlačítka panelu vyvolat funkci nápovědy – help. V úvodu si lze vybrat ze dvanácti světových jazyků, mezi kterými je i čeština. Další zajímavostí je možnost adaptivního programování. Tato funkce představuje volnou programovatelnost ovládací části programu měniče s využitím knihovny funkčních bloků. K dispozici jsou následující funkční bloky: ABS, ADD, AND, COMPARE, EVENT, FILTER, MAX, MIN, MULDIV, NO, OR, PI, PI-BAL, SR, SWITCH, TON, TOFF, TRIGG a XOR. V praxi to znamená, že uživatel může snadno vytvářet nové nebo modifikovat standardní I/O signály, a měnit tak způsob ovládání pohonu. Program lze vytvořit buď prostřednictvím standardního ovládacího panelu nebo v prostředí speciálního programu Drive AP, který lze použít na běžném počítači. Druhá možnost umožňuje kromě většího pohodlí programování a archivace programů i tisk související výkresové dokumentace. S adaptivním programováním je možné získat i malý jednoduchý PLC (Programmable Logic Controller, programovatelný automat), který lze během uvádění do provozu snadno přizpůsobit konkrétní úloze. Měniče frekvence typu ACS 800 jsou významně inovovány co se týče nabízeného specializovaného programovaného vybavení pro různé oblasti průmyslu. Jedním z nich je IPC (Intelligent Pump Control, inteligentní řízení čerpadel). Je-li v měniči instalován tento produkt, jsou veškeré nejčastěji požadované funkce pro zařízení s čerpadly zabudovány přímo v měniči; není tedy nutné systém vybavovat externím řídicím PLC. Inteligentní řízení čerpadel významně spoří elektrickou energii, snižuje opotřebení mechanických dílů a preventivně působí proti ucpávání čerpadel a potrubí. IPC nabízí tyto funkce pro řízení čerpadel:
Tento program byl oceněn Zlatým ampérem na veletrhu Amper 2007. V nabídce měničů frekvence firmy ABB ACS 800 jsou měniče s malým obsahem harmonických (LHD – Low Harmonics Drive). Konstruktéři měničů frekvence firmy ABB na základě výsledků sledování trhu a potřeb zákazníků došli k velmi zajímavému závěru. Často se stávalo, že zákazníci kupovali rekuperační měniče frekvence čistě pro malý obsah harmonických, aniž by využívali jejich funkci rekuperovat energii zpět do sítě. Rozhodli se proto vytvořit měnič, který se bude vyznačovat malým obsahem harmonických, ale nebude mít schopnost rekuperace či brzdění. Oproti jiným řešením je výsledkem velmi kompaktní produkt, který nevyžaduje transformátor s více vinutími, filtry nebo další prvky pro potlačení harmonických. Navíc vznikají významné úspory v nutné kabeláži a zastavěném prostoru. Použita jsou tři osvědčená řešení. První z nich je ASU (Active Supply Unit, aktivní vstupní sekce), která je typická pro čtyřkvadrantové měniče umožňující rekuperaci. Výsledkem je velmi malý obsah harmonickýcha vynikající účiník blížící se jedné. Další dvě použité technologie jsou filtry LCL a DTC. Ty společně s ASU umožňují odstraňovat harmonické v celém rozsahu frekvencí, což odlišuje nový měnič ABB s malým obsahem harmonických od ostatních měničů frekvence na trhu. Měniče frekvence s malým obsahem harmonických rozšiřují nabídku nízkonapěťových měničů řady ACS 800. V závěsném provedení mají označení ACS 800-31 a jsou určeny pro výkony 5,5 až 110 kW. Skříňové provedení má označení ACS 800-37 a výkony od 45 do 2 800 kW. Měniče frekvence s malým obsahem harmonických najdou uplatnění všude tam, kde je nezbytné efektivně řešit otázku harmonických. V sortimentu měničů ACS 800 jsou také měniče s možností rekuperace ACS 800-11 do 110 kW a ACS 800-17 do 2 500 kW, jakož i měniče s vodním chlazením ACS 800-07LC (200 až 5 600 kW). Velmi dobré vlastnosti díky DTC jsou oceňovány u měničů ACS 800 s volitelným jeřábovým softwarem. Nabídku rovněž rozšiřují měniče ACS 800 s výstupním sinusovým filtrem. U nejmenších výkonů se uplatňují měniče s označením ACS 50 a ACS 150 (0,18 až 4 kW) se skalárním řízením. O novince s názvem ACS 55 se lze dočíst ve veletržní upoutávce v tomto čísle na straně 76. Vektorové řízení mají měnič frekvence ACS 350 (0,37 až 11 kW) a měniče frekvence Další informace lze získat na adrese: Obr. 1. Způsoby řízení měničů frekvence Celý příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde | |