Frekvencijski Regulator.docx

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

SADRŽAJ 1. UVOD .........................................................................................................................................1 2. U/F UPRAVLJANJE ASINHRONIM MOTORIMA……………….........................................3 2.1. Uvod....................................................................................................................................3 2.2. U/f upravljanje asinhronim motorima................................................................................10 2.2.1. Ekvivalentna šema asinhronog motora ...................................................................10 2.2.2. Mehaničke karakteristike asinhronog motora..........................................................11 2.2.3. Napajanje asinhronog motora naponom promjenjive frekvencije...........................13 2.2.4. Realizacija U/f upravljanja asinhronim motorima...................................................16 2.2.5. Osnovni modeli frekventnih pretvarača...................................................................21 2.2.6. Tipične upravljačke šeme .......................................................................................24 3. FREKVENTNI PRETVARAČ………...……..…………….................................................... 32 3.1. Uvod..................................................................................................................................32 3.2. Frekvencijski pretvarač Altivar 71….................................................................................33 3.3. Tehnički parametri ............................................................................................................34 3.4. Šeme spajanja ....................................................................................................................35 3.5. Priključci Altivara .............................................................................................................37 3.5.1. Energetski priključci………………………………………………………………37 3.5.2. Upravljački priključci………………………………………..……………………38 3.5.3. Šeme spajanja upravljačkih krugova…………………………………………..….39 3.6. Grafički digitalni operator..................................................................................................40 3.6.1.Opis grafičkog operatora ..........................................................................................40 3.6.2. Opis grafičkog displeja............................................................................................41 3.6.3. Primjeri konfiguracije prozora.................................................................................43 3.6.4. Prvo uključenje........................................................................................................44 3.6.5. Sledeće uključenje...................................................................................................45 3.6.6. Programiranje: primjer pristupanja parametrima.....................................................46 3.6.7. Brzi izbor.................................................................................................................46 3.6.8. Glavni meni..............................................................................................................47 3.6.8.1. 1 Drive menu.................................................................................................48 3.6.8.2. 2 Access level...............................................................................................49 3.6.8.3. Traženje koda parametara.............................................................................50 3.6.8.4. Brzi start (1.1 Simply start)...........................................................................50 3.7. Digitalni displej..................................................................................................................51 3.8. Podešavanje parametara invertora …………………………………….…...……………51 3.9. Kartice za nadogradnju………………………………………………………………..…57 3.9.1. I/O kartice………………………………………………………………..…..57 3.9.2. Komunikacione kartice…………………………………………………..…..59 3.9.3. “Controller inside” programabilna kartica……………………………….…..60 3.9.4. Enkoder kartica………………………………………..……………...…..….61 3.10. Moduli kočenja................................................................................................................62 3.11. Softver PowerSuite………………………………………………………………….….63 3.12. Dimenzionisanje frekventnih pretvarača.........................................................................64 4. PRAKTIČAN RAD…………………………………………………………………...………68 5. ZAKLJUČAK…………………………………………………………………….….………. 74 6. LITERATURA......................................................................................................................... 75 DEJAN VIDOVIĆ

0

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

1. Uvod Altivar je uređaj koji se koristi za upravljanje brzinom pre svega asinhronih motora a može se koristiti i za upravljanje brzinom sinhronih motora. Ovakav način upravljanja u pogonima promjenjive brzine potiskuje motore jednosmjerne struje u kojima je njihova primjena bila dominantna. Pogon sa jednosmjernim motorima ima dvije velike prednosti[Lit. 1]: vrlo lako se realizuje potrebna regulacija brzine sa upravljivim ispravljačem, koji je uz to i vrlo jeftin, i ovakav pogon ima odlične dinamičke karakteristike (brz odziv na promjenu zahtevane brzine i brz odziv na promjenu opterećenja) ali i jednu veliku manu: jednosmjerni motor je vrlo komplikovane konstrukcije, skup je i maksimalna brzina mu je ograničena razlozima (četkice i komutator). S druge strane asinhroni motor je vrlo robusne konstrukcije, relativno je jeftin, ali je do skoro uređaj za regulaciju brzine asinhronog motora bio vrlo skup. Naime regulacija brzine asinhronog motora se vrši tako što mu se na krajeve statorskog namotaja dovodi napon promjenjive amplitude i promjenjive učestanosti, tako da važi jednakost: 𝑈 ≈ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. 𝑓 gde je: U – efektivna vrijednost naizmjeničnog napona, f – frekvencija napona napajanja, dok je brzina motora proporcionalna frekvenciji. Uređaji pomoću kojih je moguće menjati brzinu na ovakav način nazivaju se U/f pretvarači ili frekventni regulatori. Kod jednosmjernih motora dovoljno je upravljati samo sa vrijednosti napona, jer je upravljanje sa dvije osnovne veličine motora – fluksom i momentom odvojeno, zahvaljujući samoj konstrukciji ovog motora. Kod asinhronih motora ovo nije bilo moguće jer ove veličine nisu prirodno razdvojene sve do pojave brzih mikrokontrolera. Metod kod koga je moguće odvojeno upravljati fluksom i momentom kod asinhronih i sinhronih motora naziva se vektorsko upravljanje. Uređaji koji koriste ovaj metod nazivaju se frekventni pretvarači sa vektorskim upravljanjem. Oni se koriste u pogonima gde se traže veći dinamički zahtjevi za upravljanje tkz. pogoni visokih performansi dok se za ostale pogone mogu koristiti pretvarači sa U/f upravljanjem. Izrađuju se za monofazni i trofazni priključak, relativno su mali dimenzija,omogućavaju prilično jednostavno upravljanje i sa velikim brojem parametara od kojih se mnogi mogu podešavati. Kao glavni nedostaci pogona sa motorima jednosmjerne struje navode se[Lit. 2]: - cijena: motor jednosmjerne struje je gotovo dva puta skuplji od asinhronog motora iste snage (ta razlika potiče zbog komplikovane konstrukcije motora jednosmjerne struje), - komutator: postojanje komutatora ograničava upotrebu motora jednosmjerne struje za velike brzine, a zbog varničenja na komutatoru jednosmjerni motor nije moguće primjeniti u specijalnoj (npr. eksplozivnoj) sredini bez dodatnih intervencija na njegovoj konstrukciji. Pored toga, zbog svoje osjetljive konstrukcije komutator predstavlja najčešće mesto kvara na motoru jednosmjerne struje, značajno smanjujući pouzdanost čitavog elektromotornog pogona. Upotreba grafitnih četkica (koje se vremenom troše) uslovljava potrebu za njihovom periodičnom zamjenom, odnosno dodatnim održavanjem električnog pogona. - potreba za jednosmjernim izvorom električne energije.

DEJAN VIDOVIĆ

1

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Nabrojani nedostaci pogona sa motorima jednosmjerne struje doveli su do pokušaja da se motori naizmjenične struje (prvenstveno asinhroni motori) pokušaju upotrijebiti kao pogonske mašine u regulisanim pogonima. Što se tiče asinhronih motora razlozi za njihovu veliku primjenu leže u tome što je to motor veoma jednostavne konstrukcije, lak za održavanje, pa samim tim i znatno niže cijene proizvodnje u odnosu na jednosmjerne i sinhrone motore. Osim toga asinhroni motor sa kratkospojenim rotorom (kavezni) može se koristiti za rad u specijalnim uslovima (eksplozivna i zapaljiva sredina) bez dodatne opreme. Iako jednostavne konstrukcije asinhroni motor je veoma složen kako za analizu tako i za upravljanje. Glavni nedostatak asinhronih motora, i decenijama prepreka za njihovu širu primjenu, je bila mala mogućnost podešavanja brzine obtanja. Nije bilo moguće mijenjati brzinu obrtanja kontinualno, i ta promjena bila je u vrlo uskim granicama. Razvojem energetske elektronike, naročito elektronskih komponenti kao što su tiristori te snažni tranzistori, i zatim značajnim smanjenjem cijene istih, omogućena je proizvodnja relativno jeftinih poluprovodničkih pretvarača frekvencije, a samim tim se otvorila mogućnost za upravljanje asinhronim motorima primjenom U/f regulacije, tj. za primjenu ovih motora u regulisanim motornim pogonima. Primjenom mikrokompjutera u ovoj oblasti omogućeno je izvođenje različitih algoritama upravljanja i regulacije pogona sa asinhronim motorima, što je dovelo do značajnog povećanja performansi ovih pogona. Daljim razvojem energetskih pretvarača i novih metoda regulacije poput vektorskog upravljanja, asinhroni motori počinju da zamjenjuju DC motore i u pogonima gdje je potrebna izuzetno precizna regulacija brzine obtanja. U ovom radu dat je prikaz U/f upravljanja asinhronim motorom pomoću frekventnog pretvarača firme Schneider electric – Altivar 71. U okviru drugog poglavlja pored mehaničke karakteristike asinhronih motora, predstavljeni su i osnovni principi rada te načini podešavanja brzine obrtanja. Razmatrani nedostaci tradicionalnih metoda upravljanja, i prednosti upravljanja pomoću promjene ulaznog napona i frekvencije te energetski pretvarači koji omogućavaju upravljanje asinhronim motorom u širokom opsegu brzina obrtanja. Pored razmatranja prednosti upotrebe energetskih pretvarača, objašnjena je i struktura savremenih pretvarača frekvencije i napona. Na kraju su navedene tipične upravljačke šeme kod U/f upravljanja. Treće poglavlje se odnosi na frekventni pretvarač Altivar 71, u kome je dat kratak opis uređaja, njegovi tehnički parametri, šeme vezivanja i dodatna oprema koja se može koristiti uz ovaj pretvarač koja omogućava povećanje njegovih performansi. Fokus četvrtog poglavlja je povezivanje i parametrisanje Altivara 71 tako da se on koristi za upravljanje brzinom asinhronog motora. Opisan je postupak podešavanja parametara i dat je popis i karakteristike opreme korištene u praktičnom delu rada. Na kraju su iznijeti rezultati praktičnog rada. U petom poglavlju iznosi se zaključak o frekventnim pretvaračima, njihovim prednostima i manama. U skoroj budućnosti se očekuje nastavak tendencije razvoja boljeg upravljanja asinhronim motorima odnosno njihova šira primjena u regulisanim pogonima.

DEJAN VIDOVIĆ

2

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

2. U/f upravljanje asinhronim motorima 2.1. Uvod Zbog činjenice da je mehanička karakteristika asinhronog motora tvrda, odnosno da se brzina asinhronog motora mijenja u vrlo uskim granicama od svega nekoliko procenata u intervalu od praznog hoda do punog opterećenja, regulisanje brzine obrtanja ovih motora nije ni lako ni efikasno u odnosu na motore jednosmjerne struje[Lit. 2]. Naglim razvojem energetske elektronike (invertora sa poluprovodničkim prekidačima, tiristorima i snažnim tranzistorima), te pojeftinjenjem istih otvorena je mogućnost da kavezni asinhroni motor, koji se odlikuje jednostavnošću konstrukcije i relativno niskom cijenom, postepeno potiskuje motore jednosmjerne struje iz područja elektromotornih pogona sa promjenjivom brzinom. Uvođenjem mikrokompjutera omogućeno je izvođenje veoma složenih algoritama upravljanja naizmjeničnim elektromotornim pogonima sa asinhronim motorima, koji po svojim performansama dostižu, a u nekim slučajevima i nadmašuju pogone sa jednosmjernim motorima. U/f upravljanje asinhronih motora zasniva se na činjenici da se brzina obrtanja asinhronog motora može mijenjati promjenom frekvencije i napona napajanja. Kako do pojave elektronskih frekventnih pretvarača frekvencija napona napajanja nije mogla da se efikasno mijenja to je i bio glavni ograničavajući faktor za upotrebu asinhronih motora u pogonima promjenjive brzine. Osnovni zahtjev koji se postavlja pred savremene električne pogone jeste mogućnost kontinualne promjene brzine u širokim granicama i rad pri različitim brzinama. Veličine pomoću kojih možemo regulisati brzinu obrtanja vratila asinhronog motora vide se iz osnovne jednačine za brzinu: 60 ∙ 𝑓 (1 − 𝑠), 𝑝 gdje je sa s označeno relativno klizanje asinhronog motora:

𝑛 = 𝑛𝑠 (1 − 𝑠) =

(2.1)

𝜔𝑠 − 𝜔 . (2.2) 𝜔𝑠 Iz izraza (2.1) i (2.2) slijedi da se regulisanje brzine obrtanja asinhronog motora može izvršiti na sledeće načine: - promjenom frekvencije mreže (odnosno izvora napajanja motora), - promjenom broja pari polova, p, motora (polno preklopivi motori), - promjenom klizanja, a klizanje promjenom napona napajanja i promjenom otpora u kolu rotora (za asinhrone motore sa namotanim rotorom). Pored navedenih načina brzina se može regulisati i primjenom kaskadnih spojeva te vektorskim upravljanjem[Lit. 3]. 𝑠=

DEJAN VIDOVIĆ

3

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Slika 2.1 Različite mogućnosti promjene brzine obrtanja motora Promjena broja polova. Brzina obrtnog polja je determinisana brojem pari polova u statoru.

Slika 2.2 Karakteristika obrtnog momenta motora sa promjenjivim brojem polova Motor može biti izrađen za dva različita broja pari polova. Ovo je zbog toga što su specijalni izlazi statorskih namotaja u procjepima ili u formi Dahlanderovih namotaja ili kao dva zasebna namotaja. U motoru sa nekoliko polova tipovi namotaja su kombinovani. Brzina se mijenja prebacivanjem statorskih namotaja tako da se promjeni broj pari polova u statoru. Prebacivanjem iz manjeg broja pari polova (koji generišu veliku brzinu) u veći broj pari polova, trenutna brzina obrtanja motora se dramatično smanji – na primjer: iz 1500 u 750 o/min. Ako se prebacivanje brzo ostvari, motor prođe kroz generatorsku fazu što prouzrokuje značajno naprezanje motora i mehanike. DEJAN VIDOVIĆ

4

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Kontrola klizanja. Brzina motora može biti kontrolisana klizanjem u dva različita pravca: bilo promjenom napona napajanja statora ili intervencijom u rotoru. Promjena napona na statoru. Brzina asinhronih motora može biti kontrolisana regulacijom napona napajanja motora bez promjene frekvencije (na primjer koristeći softstarter). Ovo je moguće zato što momenat motora opada sa kvadratom napona.

Slika 2.3 Momentna karakteristika statorskog napona (kontrola klizanja) Momentna karakteristika pokazuje da se stabilna radna tačka može dobiti samo u opsegu (nk
Slika 2.4 Momentna karakteristika rotorovih otpornika DEJAN VIDOVIĆ

5

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Kaskadno kuplovanje. Umjesto otpornika, kolo rotora je povezano preko kliznih kolutova za jednosmjerne mašine ili ispravljačko kolo. Jednosmjerne mašine obezbeđuju kolu rotora motora dodatni, podesivi napon i na taj način utiču na promjenu brzine i magnećenje rotora. Ova tehnika se uglavnom koristi u sistemima električne železnice. Frekventni regulatori[Lit. 2]. Sa različitom frekvencijom napajanja moguće je upravljati brzinom motora bez dodatnih gubitaka. Brzina obrtnog magnetnog polja se mijenja sa frekvencijom. Brzina motora se mijenja proporcionalno sa obrtnim poljem. Da bi se moment motora održao konstantnim, potrebno je vršiti promjenu napona napajanja sa promjenom frekvencije. Indukovana elektromotorna sila jedne faze statorskog namotaja asinhronog motora data je izrazom: 𝐸 = 4,44 ∙ 𝜉𝑡 ∙ 𝜉𝑧 ∙ 𝑁𝑠 ∙ 𝜓 ∙ 𝑓 = 4,44 ∙ 𝜉𝑡 ∙ 𝜉𝑧 ∙ 𝑁𝑠 ∙ 𝑓 ∙ 𝐵𝑠𝑟 ∙ 𝜏 ∙ 𝑙 ,

(2.3)

gdje su : τ dijametralni korak, ξt tetivni faktor (koeficijent skraćivanja koraka), uvodi se radi eliminisanja viših harmonika indukovane elektromotorne sile, ξz zonski faktor (koeficijent distribucije), posljedica je činjenice da se namotaji jednog svitka smiještaju u više žljebova, pa dolazi do nejednovremenog indukovanja elektromotorne sile u namotajima pojedinih žljebova, Ns ukupan broj zavojaka u jednoj fazi statorskog namotaja, l aktivna dužina provodnika. Iz izraza (2.3) vidi se da je: 4,44 ∙ 𝜉𝑡 ∙ 𝜉𝑧 ∙ 𝑁𝑠 ∙ 𝜏 ∙ 𝑙 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. , pa možemo pisati: 𝐸 =𝐾∙𝐵∙𝑓 ⇒𝐵 ≈

𝐸 𝑈 ≈ , 𝑓 𝑓

(2.4)

iz čega slijedi da je indukcija motora (fluks) proporcionalna odnosu E/f , odnosno ako se zanemare padovi napona na statoru (aktivna i reaktivna otpornost statora) proporcionalna odnosu U/f. Posto se zbog optimalnog iskorištenja mašine, električni motori konstruišu tako da rade sa indukcijom (fluksom) koja odgovara koljenu karakteristike magnećenja mora se, pri regulaciji brzine obrtanja motora, obezbijediti da indukcija u motoru (fluks) ostane nepromjenjena, odnosno jednaka nominalnoj vrijednosti. Iz izraza (2.4) vidimo da se taj zahtjev može ispuniti jedino ako se količnik U/f drži konstantnim, tj. da se istovremeno sa promjenom frekvencije mijenja i vrijednost napona napajanja U. Za dato opterećenje slijedi[Lit. 3]: 𝑇=

𝑃 ∙ 9950 𝜂 ∙ √3 ∙ 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 ∙ 9950 𝑈 = = 𝑘 ∙ ∙ 𝐼, 60 𝑛 𝑓 𝑓∙ 𝑝

DEJAN VIDOVIĆ

(2.5)

6

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

𝑇≈

𝑈 ∙ 𝐼. 𝑓

(2.6)

Za konstantan odnos napona napajanja motora i frekvencije, magnećenje u nominalnom radnom opsegu motora je takođe konstantno. U dva slučaja magnećenje nije idealno: na početku, na malim frekvencijama, gde se zahteva dodatno magnećenje, i u slučaju da se radi sa promjenjivim opterećenjem gde se mora omogućiti da promjena magnećenja odgovara opterećenju. Ako je frekventni regulator sposoban da obezbjedi struju puno puta veću od nominalne struje motora, momentne karakteristike motora bi izgledale kao na slici:

Slika 2.5 Momentna karakteristika dobijena primjenom frekventnog regulatora Tako velike struje mogu da oštete i motor i elektronske komponente napajanja u frekventnom regulatoru i nisu potrebne za normalan rad motora. Stoga frekventni regulator indirektno ograničava struju motora redukovanjem izlaznog napona, a tako i frekvencije. Ograničenje struje je varijabilno i garantuje da struja motora ne može konstantno da prevazilazi nominalnu vrijednost. Pošto pretvarač frekvencije kontroliše brzinu motora nezavisno od opterećenja, moguće je podesiti različite vrijednosti ograničenja u okviru nominalnog radnog opsega motora. Momentne karakteristike motora su u okviru nominalnih vrijednosti za neke od frekvencijskih pretvarača. Međutim to je prednost za frekventni regulator da obezbjedi moment, na primjer, do 160% od nominalnog momenta za kraće ili duže periode vremena.Takođe je normalno moguće za motor regulisan frekvencijskim pretvaračem da radi u presinhronizovanom opsegu do približno 200% nominalne brzine.

DEJAN VIDOVIĆ

7

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Slika 2.6 Momentna karakteristika motora regulisanog frekvencijskim regulatorom može biti zadata u ‫״‬pravougaonicima ‫״‬ Frekventni regulator nije sposoban da isporuči veći napon od napona glavnog napajanja što vodi ka opadanju odnosa napon/frekvencija ako je nominalna brzina postignuta. Magnetno polje slabi i moment garantovan motorom opada sa 1/n. Promjena odnosa napon/frekvencija utiče na momentnu karakteristiku. Ilustracija ispod prikazuje momentnu karakteristiku u povezanosti sa smanjenjem odnosa napon/frekvencija na 6.7 [V/Hz].

DEJAN VIDOVIĆ

8

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Slika 2.7 Prikaz brzine (za dvopolni motor) Prednosti U/f regulacije su što se zadržava vrijednost maksimalnog momenta nepromjenjenom (u području do nominalne brzine), što je promjena brzine kontinualna i u širokom opsegu te što se koristi standardni motor sa kaveznim rotorom. Pored nabrojanih prednosti, U/f regulacija ima i određene nedostatke, kao što su: - nemogućnost direktnog upravljanja momentom, - potreba za dodatnim uređajem za obezbjeđenje promjenjive učestanosti i napona napajanja motora, - lošije dinamičke osobine u odnosu na pogone sa jednosmjernim motorima (sporiji odziv sistema) što ima za posljedicu da se U/f regulisani pogoni ne koriste za pogone tzv.visokih performansi. Ove navedene nedostatke U/f regulacije u potpunosti rešava vektorsko upravljanje asinhronim motorima tako da se i dalje nastavlja tendencija potiskivanja jednosmjernih regulisanih pogona.

DEJAN VIDOVIĆ

9

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

2.2. U/f upravljanje asinhronim motorima 2.2.1. Ekvivalentna šema asinhronog motora Jednopolna ekvivalentna šema asinhronog motora u stacionarnom stanju data je na slici 2.8 [Lit. 4]:

Slika 2.8 Ekvivalentna šema asinhronog motora Značenje prikazanih veličina na slici su: efektivna vrijednost faznog napona statora, unutrašnja elektromotorna sila statora, efektivna vrijednost struje po fazi statora, efektivna vrijednost struje po fazi rotora (svedena po vrijednosti i po učestanosti na stator), Im efektivna vrijednost struje magnećenja, Rs otpornost po fazi statora, L’s induktivnost rasipanja po fazi statora, R’r otpornost po fazi rotora svedena na stator, L’τr induktivnost rasipanja po fazi rotora (svedena na trofazni sistem i na stator), M zajednička induktivnost, s relativno klizanje, Rm aktivna otpornost poprečne grane. Us E Is I’r

DEJAN VIDOVIĆ

10

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

2.2.2. Mehaničke karakteristike asinhronog motora Snaga obrtnog magnetnog polja data je sa: 𝑃𝑂 = 3 ∙

𝑅′𝑟 2 ∙ 𝐼′𝑟 . 𝑠

(2.7)

Snaga konverzije je data relacijom: 𝑃𝑐 = (1 − 𝑠) ∙ 𝑃𝑜 . Moment konverzije je količnik snage konverzije i mehaničke brzine motora: 𝑚𝑐 =

𝑃𝑐 𝑃𝑐 𝑃𝑐 = 𝜔 =𝑝∙ , 𝜔𝑚𝑒ℎ 𝜔 𝑝

(2.8)

(2.9)

gde je: ω ugaona električna brzina obrtanja motora, tj. brzina motora svedena na jedan par polova, a p je broj pari polova asinhronog motora. Uvrštavajući izraz za snagu konverzije dobijamo da je moment konverzije dat sa: (1 − 𝑠) 𝑚𝑐 = 𝑝 ∙ ∙ 𝑃𝑜 , (2.10) 𝜔 odnosno kako je: 𝜔𝑠 − 𝜔 𝜔 𝑠= ⇒ 𝜔𝑠 = , (1 − 𝑠) 𝜔𝑠

(2.11)

dobijamo da je moment konverzije: 𝑃𝑜 𝑅′𝑟 𝑚𝑐 = 𝑝 ∙ =3∙𝑝∙ ∙ 𝐼′2 . 𝜔𝑠 𝑠 ∙ 𝜔𝑠 𝑟

(2.12)

U prvoj aproksimaciji smatraćemo da je zanemarena aktivna otpornost statorskog namotaja, odnosno pad napona na toj otpornosti, napon napajanja je konstantan kao i frekvencija. Takođe je uticaj poprečne grane magnećenja zanemaren. Korištenjem ekvivalentne šeme dobija se da je struja rotora: 𝐼′2𝑟

=

𝑈𝑠2 2

2 𝑅′ ( 𝑠𝑟 ) + (𝜔𝑠 ∙ (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿𝛾𝑟 ))

,

pa je izraz za moment motora: 𝑅′𝑟 𝑈𝑠2 𝑠 𝑚 = 3∙𝑝∙ ∙ . 2 𝜔𝑠 𝑅′𝑟 2 ( 𝑠 ) + (𝜔𝑠 ∙ (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿𝛾𝑟 ))

DEJAN VIDOVIĆ

(2.13)

(2.14)

11

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Ekstremne vrijednosti momenta konverzije asinhronog motora dobijaju se kada se izraz diferencira po klizanju s i izjednači sa nulom: 𝑑𝑚𝑐 3 𝑈𝑠 2 1 = 0 ⇒ 𝑚𝑐 = 𝑚𝑝𝑟 = ± ∙ 𝑝 ∙ ( ) ∙ . (2.15) 𝑑𝑠 2 𝜔𝑠 (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿′𝛾𝑟 ) Ovo je tzv. prevalni moment (ili prekretni moment - maksimalni moment pri prekretnom klizanju (S=Sp)) asinhrone mašine gdje se predznak "+" uzima za motorni rad, a predznak "-" za generatorski režim rada mašine. Klizanje koje odgovara prevalnom momentu naziva se prevalno klizanje i dobija se iz izraza : 𝑅′𝑟 𝑠𝑝𝑟 = ± . (2.16) 𝜔𝑠 (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿′𝛾𝑟 ) Ako izrazimo moment konverzije u funkciji relativnog klizanja s dobijamo izraz za Kloss - ovu formulu koja glasi: 2 𝑚𝑐 (𝑠) = 𝑚𝑝𝑟 ∙ 𝑠 (2.17) 𝑠𝑝𝑟 . 𝑠𝑝𝑟 + 𝑠 Na sledećoj slici prikazana je karakteristika momenta asinhrone mašine:

Slika 2.9 Karakteristika momenta asinhrone mašine I kvadrant predstavlja motorni režim rada asinhrone mašine (za raspon brzina od nule do sinhrone brzine). U IV kvadrantu radni režim asinhrone mašine je generatorski, brzina je veća od sinhrone, klizanje je negativno, moment takođe a samim tim i snaga te mašina proizvodi električnu energiju. II kvadrant karakteristike je kočioni režim asinhrone mašine, klizanje je pozitivno i veće od 1 a snaga je negativna. U ovaj režim mašina ulazi kada se promjeni smjer obrtnog magnetnog polja u mašini (zamjeni se redosled dvije faze) za vreme obrtanja rotora motora tako da su smjerovi obrtanja rotora motora i obrtnog magnetnog polja suprotni, ili ako se uslijed djelovanja velikog momenta opterećenja rotor motora počne da se obrće u suprotnu stranu pri čemu je smjer obrtanja magnetnog polja ostao nepromjenjen. DEJAN VIDOVIĆ

12

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

U daljem razmatranju isključivo ćemo se baviti radom asinhrone mašine u motornom režimu rada. Sa mehaničke karakteristike se vidi da ako se, u motornom režimu rada, opterećenje motora povećava dolazi do smanjenja brzine motora. Samim tim raste struja te dolazi do povećanog zagrijavanja motora. Ako se desi da je moment opterećenja porastao do vrijednosti prevalnog momenta pogon postaje nestabilan. Ako se uzme u obzir aktivna otpornost statorskog namotaja izrazi za moment konverzije motora, prevalni moment i prevalno klizanje su: 𝑅′𝑟 𝑈𝑠2 𝑠 𝑚𝑐 = 3 ∙ 𝑝 ∙ ∙ , (2.18) 2 𝜔𝑠 2 𝑅′𝑟 2 (𝑅𝑠 + 𝑠 ) + 𝜔𝑠 (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿′𝛾𝑟 ) 𝑚𝑝𝑟

3 𝑈𝑠 2 = ± ∙𝑝( ) ∙ 2 𝜔𝑠

1 2

(2.19)

𝑅𝑠 𝑅𝑠 (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿′𝛾𝑟 ) (√1 + ( ) ± ) 𝜔𝑠 (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿′𝛾𝑟 ) 𝜔𝑠 (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿′𝛾𝑟 ) 𝑅′𝑟

𝑠𝑝𝑟 = ±

,

2

𝜔𝑠 (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿′𝛾𝑟 )√1 + (

.

(2.20)

𝑅𝑠 ) 𝜔𝑠 ∙ (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿′𝛾𝑟 )

Iz izraza za prevalni moment vidimo da se uvažavanjem statorske otpornosti apsolutne vrijednosti za prevalne momente generatorskog i motornog režima rada razlikuju dok su prevalna klizanja ista po apsolutnoj vrijednosti.

2.2.3. Napajanje asinhronog motora naponom promjenjive frekvencije Ako zadržavamo konstantnu frekvenciju napona napajanja motora promjena brzine motora moguća je jedino smanjenjem napona napajanja, pri čemu se smanjuje moment motora (jer moment motora zavisi od kvadrata elektromotorne sile statora, odnosno napona napajanja). Na taj način se može mjenjati brzina obrtanja motora u relativno uskim granicama (do oko -10% od nominalne brzine motora). Kako motor ne smije da radi sa naponom većim od nominalnog dalje povećanje brzine motora se ne može ostvariti. Sa druge strane, napon napajanja motora se ne smije previše smanjiti kako ne bi prevalni moment motora bio manji od momenta opterećenja čime bi se ušlo u zonu nestabilnog rada, ili bi došlo do toga da je polazni moment motora manji od momenta opterećenja, pa motor ne bi mogao krenuti.

DEJAN VIDOVIĆ

13

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Slika 2.10 Mehanička karakteristika asinhronog motora Ako mjenjamo frekvenciju napona napajanja asinhronog motora dolazi do translatornog pomjeranja mehaničke karakteristike po horizontalnoj osi, odnosno mjenja se brzina obrtanja motora:

Slika 2.11 Uticaj promjene frekvencije na mehaničke karakteristike Kako je sinhrona brzina motora promjenjiva (zbog promjene frekvencije) u izraz za moment konverzije motora ćemo umesto relativnog klizanja s uvesti apsolutno klizanje ωkl=ωs-ω. Zanemarenjem uticaja statorske otpornosti Rs dobija se izraz za moment konverzije u obliku: 𝑈𝑠 2 𝜔𝑘1 ∙ 𝑅 ′ 𝑟 𝑚𝑐 = 3 ∙ 𝑝 ∙ ( ) (2.21) 2 , 𝜔𝑠 𝑅 ′ 𝑟 + (𝜔𝑘1 ∙ (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿′ 𝛾𝑟 ))

DEJAN VIDOVIĆ

14

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

dok je izraz za prevalni moment motora: 3 𝑈𝑠 2 1 𝑚𝑝𝑟 = ∙ 𝑝 ∙ ( ) ∙ . (2.22) 2 𝜔𝑠 (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿′ 𝛾𝑟 ) Iz ovog izraza se vidi da ako hoćemo da nam prevalni moment ostane nepromjenjen pri promjeni brzine motora (odnosno klizanja) moramo obezbijediti da nam član Us /ωs ostane konstantan. Kako je ωs=2πfs slijedi da moramo održavati konstantan odnos Us /fs kako se ne bi mjenjao prevalni moment motora. Moment konverzije motora u tom slučaju zavisi samo od klizanja. Uticaj promjene napona i frekvencije na mehaničke karakteristike asinhronog motora (uz održavanje odnosa U/f=const.) vidi se sa sledeće slike:

Slika 2.12 Uticaj istovremene promjene napona i frekvencije na mehaničku karakteristiku Ako se uzme u obzir otpor statorskog namotaja Rs dobijamo izraz momenta konverzije: 𝑈𝑠 2 𝜔𝑘1 ∙ 𝑅 ′ 𝑟 𝑚𝑐 = 3 ∙ 𝑝 ∙ ( ) ∙ . (2.23) 2 2 𝜔𝑘1 𝜔𝑠 2 ′ ′ (𝑅𝑠 𝜔 + 𝑅 𝑟 ) + 𝜔𝑘1 (𝐿𝛾𝑠 + 𝐿 𝛾𝑟 ) 𝑠 Uticaj otpornosti statorskog namotaja Rs pri napajanju motora naponom konstantne frekvencije je neznatan, međutim prilikom napajanja motora naponom promjenjive frekvencije uticaj otpornosti Rs se ne smije zanemariti. Taj uticaj je izraženiji što je frekvencija napajanja manja a ne uzima se u razmatranje ako je frekvencija napajanja veća od polovine nazivne frekvencije motora. Ovaj uticaj se ogleda u tome što pri nižim frekvencijama dolazi do opadanja prevalnog momenta u motorskom radu, odnosno do porasta vrijednosti prevalnog momenta u generatorskom radu. Na sledećoj karakteristici prikazan je uticaj otpornosti statorskog namotaja na mehaničke karakteristike asinhrone mašine:

DEJAN VIDOVIĆ

15

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Slika 2.13 Uticaj statorske otpornosti na mehaničku karakteristiku

2.2.4. Realizacija U/f upravljanja asinhronim motorima Razlikujemo dvije oblasti U/f upravljanja asinhronim motorima: - upravljanje pri konstantnom fluksu (koji je jednak nominalnom fluksu), - upravljanje u oblasti slabljenja polja tj. pri konstantnom naponu. Prva oblast je tzv. oblast upravljanja asinhronim motorima pri konstantnom momentu mašine. Navedena oblast obuhvata interval promjene sinhrone brzine u granicama od ωs∈(-ωs,nom:+ωs,nom) odnosno pri promjeni frekvencije napajanja motora u granicama fs∈(-fsn:+fsn), pri čemu oznaka -fsn označava nominalnu frekvenciju motora kome je promjenjen smijer obrtanja. Iz izraza za fluks motora: ̅̅̅ 𝑈𝑠 − (𝑅𝑠 + 𝑗𝜔𝑠 ∙ 𝐿𝛾𝑠 ) ∙ 𝐼̅𝑠 |, 𝑗𝜔𝑠 slijedi da ako zanemarimo padove napona na statorskom namotaju, tj.: |𝜓̅| = |

(2.24)

|(𝑅𝑠 + 𝑗𝜔𝑠 ∙ 𝐿𝛾𝑠 ) ∙ 𝐼̅𝑠 | ≪ ̅̅̅ 𝑈𝑠 , možemo pisati da je fluks motora u tom slučaju približno jednak:

(2.25)

𝑈𝑠 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. (2.26) 𝜔𝑠 Dakle u zonama velikih brzina (kada možemo zanemariti uticaj otpornosti statorskog namotaja) promjena napona napajanja motora sa promjenom frekvencije je linearna. U zoni malih brzina otpor statorskog namotaja se ne može zanemariti pa je u toj zoni fluks motora proporcionalan sa: 𝜓≅

̅̅̅ 𝑈𝑠 − 𝑅𝑠 ∙ 𝐼̅𝑠 | ≠ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. (2.27) 𝑗𝜔𝑠 Odavde se vidi da u zonama malih brzina zbog uticaja otpora statorskog namotaja odnos napona napajanja motora i frekvencije napajanja nije konstantan tj. funkcija Us =(fs) nije linearna. |𝜓̅| ≈ |

DEJAN VIDOVIĆ

16

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Karakteristika napon- frekvencija prikazana je na slici 2.14, gdje se vidi nelinearnost ove karakteristike u zoni malih brzina:

Slika 2.14 Karakteristika napon-frekvencija Da bi se kompenzovao ovaj uticaj otpora Rs motoru se pri malim brzinama (frekvencijama) dovodi konstantan napon U0, koji se superponira linearnom naponu Us, dok se pri većim frekvencijama napon napajanja motora linearno mijenja sa promjenom frekvencije napajanja. Ta kompenzacija je prikazana na sledećoj karakteristici:

Slika 2.15 Kompenzacija uticaja RS pri malim brzinama U području slabljenja polja motor radi sa Us=Usn, a frekvencija je veća od nominalne. Na taj način se povećava brzina motora iznad nominalne brzine, ali dolazi do slabljenja fluksa motora, moment motora tokođe opada i to obrnuto proporcionalno brzini a prevalni moment opada sa kvadratom brzine. Ovaj režim rada asinhronog motora je režim konstantne snage promjenjivog momenta. Na narednoj slici prikazane su zavisnosti napona napajanja i fluksa motora od frekvencije kako u oblasti konstantnog fluksa tako i u oblasti slabljenja polja:

DEJAN VIDOVIĆ

17

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Slika 2.16 Karakteristike napona i fluksa regulisanog asinhronog motora U zoni slabljenja polja napon je jednak nominalnom naponu, a fluks (moment) se mijenja obrnuto proporcionalno sa brzinom: 𝜔𝑛 𝜓(𝜔) = 𝜓𝑛 ∙ (2.28) 𝜔 Prevalni moment motora takođe opada, ali sa kvadratom porasta brzine: 𝜔𝑛2 𝑚𝑝𝑟 = 𝑚𝑛 ∙ 2 (2.29) 𝜔

Slika 2.17 Mehanička karakteristika pri različitim frekvencijama napajanja DEJAN VIDOVIĆ

18

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Na sledećoj slici prikazana je karakteristika U/f upravljanja asinhrone mašine:

Slika 2.18 Upravljačka karakteristika asinhrone mašine Regulaciju brzine obrtanja asinhronih motora u zoni slabljenja polja možemo vršiti u dvije oblasti: - kada je brzina obrtanja motora u intervalu od nominalne do kritične brzine (oblast A), - kada je brzina obrtanja motora veća od kritične (oblast B). Kritična brzina predstavlja vrijednost brzine do koje se motor može ubrzavati u oblasti slabljenja polja, a da se snaga motora zadrži približno konstantnom. Eksploataciona karakteristika motora je geometrijsko mjesto tačaka na mc- ω dijagramu koje motor može dostići u trajnom radu, dok je tranzijentna eksploataciona karakteristika geometrijsko mesto tačaka na mc- ω dijagramu koje motor može dostići u kratkotrajnom radu (intermintentno opterećenje motora). U prvoj oblasti regulacije u zoni slabljenja polja (A), snaga motora je približno konstantna. Eksploataciona karakteristika motora opada obrnuto proporcionalno sa brzinom, dok brzina motora raste. Pri brzini jednakoj kritičnoj tranzijentna i eksploataciona karakteristika su jednake. Daljim povećanjem frekvencije (brzine) upravljanje asinhronim motorom se nastavlja po tranzijentnoj karakteristici koja sada postaje eksploataciona, tj. nalazimo se u oblasti (B). Ovaj prelazak je neophodan da bi se u drugoj oblasti regulacije obezbijedilo da struja motora bude manja ili jednaka nominalnoj. Kako sada moment motora opada sa kvadratom brzine, to snaga motora više nije konstantna i jednaka nominalnoj nego se smanjuje obrnuto proporcionalno sa brzinom. Iz tog razloga se upravljanje motorom u oblasti brzina iznad kritične rijetko koristi. Da bi se došlo do izraza za kritičnu brzinu polazi se od činjenice da su pri kritičnoj brzini tranzijentna i eksploataciona karakteristika jednake: 𝜔𝑛2 𝜔𝑛 𝑚𝑝𝑟𝑛 ∙ 2 = 𝑚𝑛 ∙ . (2.30) 𝜔𝑘𝑟 𝜔𝑘𝑟 Odavde se dobija da je kritična brzina data sa: DEJAN VIDOVIĆ

19

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

𝜔𝑘𝑟 = 𝜔𝑛 ∙

𝑚𝑝𝑟𝑛 1 = 𝜔𝑛 ∙ , 𝑚𝑛 2𝑋𝛾𝑒 (𝑟. 𝑗)

(2.31)

gdje je: 𝜔𝑛 ∙ 𝐿𝛾𝑒 𝑈𝑛 , 𝑍𝑛 = . (2.32) 𝑍𝑛 𝐼𝑛 Iz izraza za kritičnu brzinu vidimo da u oblasti slabljenja polja treba da nam je reaktansa rasipanja Xγe mala kako bi mogli dostići što veću brzinu motora uz zadržavanje konstantne snage tj. što veću kritičnu brzinu. Upravo iz tog razloga motori namjenjeni za invertorsko U/f upravljanje prave se sa plitkim rotorskim žljebovima kako bi induktivnost rasipanja Lγe bila što manja. 𝑋𝛾𝑒 (𝑟. 𝑗) =

DEJAN VIDOVIĆ

20

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

2.2.5. Osnovni modeli frekventnih pretvarača Za realizaciju U/f upravljanja neophodan je energetski izvor promjenjivog napona (ili) struje i promjenjive učestanosti[Lit. 3]. Stoga frekventni pretvarači su elektronski uređaji koji omogućavaju upravljanje brzinom trofaznih motora pretvarajući mrežni napon i frekvenciju, koji su fiksirane vrijednosti, u promjenjive veličine. Većina statičkih frekventnih pretvarača koji se danas koriste u industriji za regulaciju ili upravljanje brzinom trofaznih motora su pravljeni na osnovu dva principa: - frekventni pretvarači bez međukola (poznati kao direktni pretvarači), - frekventni pretvarači sa promjenjivim ili konstantnim međukolom.

Slika 2.19 Vrste pretvarača 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: - bolje upravljanje strujom, - redukciju viših harmonika, - neograničenu izlaznu frekvenciju (ali ograničenje postoji u upravljanju i korištenju 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. Kod većine frekventnih pretvarača se koristi jednosmjerno (DC) naponsko međukolo. Frekventni regulator se sastoji od četiri glavne komponente: ispravljač (spojen glavnim mono/tro-faznim AC napajanjem i generiše pulsirajući DC napon, trofazni mostni, regulisani ili neregulisani), jednosmjerno međukolo koje predstavlja niskopropusni filtar induktivnog, kapacitivnog ili induktivno kapacitivnog karaktera (zavisno od izvedbe), DEJAN VIDOVIĆ

21

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

invertor (koji generiše frekvenciju napona na motoru. Alternativno, neki invertori mogu takođe konvertovati konstantan DC napon u promjenjiv AC napon, trofazni mostni) i - upravljačko kolo, koje šalje i prima signale iz ispravljača, međukola i invertora. -

Slika 2.20 Osnovne komponente invertora Ispravljači frekventnih regulatora sastoje se od dioda i tiristora. Ispravljač sačinjen od dioda je nekontrolisan, a ispravljač sačinjen od tiristora je kontrolisan. Ako su korištene 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 međukolo se sastoji od velikog kalema i kombinuje se, isključivo sa kontrolisanim ispravljačem. - Naponski invertori (U-regulatori). Kod naponskih invertora međukolo se sastoji od kondenzatora(filtra) i može biti kombinovano sa oba tipa ispravljača. - Promjenjivo DC međukolo. U promjenjivom DC međukolu čoper može biti vezan ispred filtra. Invertor je poslednji stepen frekventnog regulatora, pre motora i tačke gde se odvija finalna adaptacija izlaznog napona. Frekventni regulator garantuje dobre operativne uslove, kroz čitav kontrolni opseg, adaptirajući izlazni napon prema uslovima opterećenja. To je moguće izvesti sa magnetisanjem motora na optimalnoj vrijednosti. Iz međukola invertor prima: - promjenjivu direktnu struju, - promjenjiv DC napon, - konstantan DC napon. U svakom slučaju, regulator osigurava da napajanje bude kvantitativno promjenjivo. Drugim rečima, frekvencija napajanja motora se uvek generiše u invertoru. Ako su struja i napon promjenjivi, invertor generiše samo frekvenciju. Ukoliko je napon konstantan, invertor generiše frekvenciju kao i napon. DEJAN VIDOVIĆ

22

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Iako invertori rade na različite načine, njihova osnovna struktura je uvek ista. Glavne komponente su kontrolisani polu- provodnici, postavljeni u parove u tri grane. Upravljačko kolo ili upravljačka kartica, je četvrta važna komponenta frekventnog regulatora i ima četiri bitna zadatka: - upravljanje poluprovodnicima frekventnog regulatora, - razmena podataka između frekventnog regulatora i perifernih uređaja, - sakupljanje i izveštavanje o porukama greške, - 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. U zavisnosti od načina napajanja i rada invertori se mogu podjeliti u četiri grupe: 1.naponski invertori (VSI), 2.naponski PWM invertori, 3.strujno regulisani naponski PWM invertori (CRPWM), 4.strujni invertori (CSI). Naponskim invertorima moguća je promjena učestanosti napona napajanja motora, dok promjena vrijednosti napona nije moguća. Ako želimo istovremenu promjenu vrijednosti napona i učestanosti potrebno je da frekventni pretvarač ima regulisani ispravljač pomoću koga se vrši promjena efektivne vrijednosti napona. Analogno, ako koristimo strujni invertor (CSI) njime možemo podešavati učestanost struje, dok se za podešavanje efektivne vrijednosti struje mora koristiti regulisani ispravljač. U regulisanim pogonima najčešće se koristi širinsko- impulsna modulacija (PWM) kao tehnika za dobijanje izlaznih veličina invertora koje imaju željenu učestanost i efektivnu vrijednost osnovnog harmonika. Dakle, ovim invertorom se podešava i frekvencija i efektivna vrijednost napona napajanja (ili struje) te se može upotrijebiti neregulisani ispravljač. Upravljanje ovim invertorima vrši se u otvorenoj sprezi jer izlazni napon zavisi samo od jednosmjernog napona napajanja i stanja prekidača. Kod strujno regulisanog naponskog invertora (CRPWM) potrebno je mjerenje izlazne struje invertora, odnosno za njegov rad treba ostvariti povratnu spregu po struji.

DEJAN VIDOVIĆ

23

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

2.2.6. Tipične upravljačke šeme Osvrnućemo se sada na tipične šeme U/f upravljanja asinhronim motorima[Lit. 4]. Za razliku od pogona sa jednosmjernim motorima, kod regulisanih naizmjeničnih pogona ne postoji upravljačka šema za koju bismo mogli reći da je manje više standardna, već postoji velika raznolikost kako u pogledu principijelnih ideja upravljanja, tako i u pogledu komponenti koje se koriste u tim upravljačkim šemama. a) U/f upravljanje bez povratnih veza REGULISANI ISPRAVLJAČ

NAPONSKI INVERTOR

Slika 2.21 Upravljanje bez povratnih veza Ovo je najednostavnija šema U/f upravljanja asinhronim motorima. Član K u bloku pojačanja predstavlja odnos nominalnog napona napajanja motora Un i nominalne ugaone brzine motora ωn, odnosno K=Un/ωn. Promjenom frekvencije naponskog invertora (a samim tim i frekvencije napajanja motora) uz proporcionalno mjenjanje efektivne vrijednosti napona motora Us , regulisanjem napona ispravljača, menjamo brzinu obrtanja motora približno proporcionalno uz održavanje fluksa motora na optimalnoj vrijednosti. Pri Us / ωs = const. moment motora zavisi samo od rotorske učestanosti (učestanosti klizanja) pa se pri promjeni statorske učestanosti, za isti moment opterećenja u stacionarnom stanju, zadržava ista razlika između statorske učestanosti i svedene brzine rotora ω. Uticaj otpora statora (naročito izražen pri niskim frekvencijama) ovde se jednostavno koriguje dodavanjem konstanog napona U0 statorskom naponu koji je proporcionalan učestanosti. Prigušnica L i kondenzator C služe za filtriranje napona ispravljača, a kondenzator ima i dodatnu ulogu da podržava ulazni napon invertora prilikom komutacije. Kako ispravljač ne dozvoljava rekuperaciju energije pri usporavanju (kočenju) dodat je uređaj B u kome se povratna energija kontrolisano troši na otporniku. Primjena ovakvog pogona je u slučajevima kada promjene brzine motora uslijed povećanja momenta opterećenja nisu od značaja, te kad se ne očekuju nagli porasti opterećenja koji bi mogli dovesti do povećanja struje, koja se ovde ne kontroliše. DEJAN VIDOVIĆ

24

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

b) U/f upravljanje sa kompenzacijom: REGULISANI ISPRAVLJAČ

NAPONSKI INVERTOR

KOMPENZACIONI UREĐAJ

Slika 2.22 Upravljanje sa kompenzacijom Za razliku od prethodne šeme, na ovoj šemi je dodan senzor S u kolo jednosmjerne struje te kompenzacioni uređaj u regulacioni sistem. Na osnovu podatka o jednosmjernoj struji "i", kompenzacioni uređaj izračunava korekciju Δωs koja se dodaje zadatoj učestanosti ω* da bi kompenzovali povećanje klizanja motora pri povećanju opterećenja (zapravo da povećamo frekvenciju napajanja motora). Osim toga kompenzacioni uređaj računa i korekciju proporcionalnog napona napajanja motora tako da se koriguje uticaj statorske otpornosti. Pored navedenog ovom upravljačkom šemom možemo ostvariti i kontrolu struje radi zaštite invertora i motora pri naglim promjenama opterećenja ili zadane brzine. Na ovaj način se može ostvariti regulacija brzine u granicama od (10-100)% nominalne brzine pri stalnom momentu i od (100-200)% pri stalnom nominalnom naponu u opsegu slabljenja polja, sa tačnošću održavanja brzine od ±0,1% pri promjeni opterećenja u opsegu od praznog hoda do nominalnog opterećenja.

DEJAN VIDOVIĆ

25

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

c) U/f upravljanje sa regulatorom struje i brzine: DIODNI ISPRAVLJAČ

PWM INVERTOR

OBRADA MJERNOG SIGNALA REGULATOR STRUJE

REGULATOR BRZINE

Slika 2.23 Upravljanje sa regulacijom struje i brzine Upravljanje motorom se ostvaruje korištenjem tranzistorskog invertora sa širinskom modulacijom impulsa (PWM) kojim se pored učestanosti može podešavati i napon. Iz tog razloga je u ovoj šemi dovoljan neregulisani, diodni ispravljač. Regulacioni sistem je dvoslojni sa unutrašnjom negativnom povratnom vezom od struje motora Is preko senzora S i bloka za obradu mjernog signala do regulatora struje te sa spoljašnjom povratnom vezom od brzine ω preko tahogeneratora ili inkrementalnog enkodera E. Na izlazu regulatora brzine je limiter GB kojim se podešava maksimalna struja pri naglim promjenama opterećenja ili referentne brzine. Ograničavač (limiter) napona GU na izlazu iz nelinearnog elementa Us=f(ωs) ograničava napon pri prelasku sa opsega stalnog momenta u opseg slabljenja polja. Regulatori struje i brzine obično imaju proporcionalno - integralni karakter, a čitav pogon se izvodi analogno ili digitalno. Ovim riješenjem se mogu postići visoka tačnost održavanja brzine u stacionarnom stanju (±0,2%) u širokom opsegu brzina.

DEJAN VIDOVIĆ

26

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

d) U/f regulacija sa povratnom vezom od brzine i ograničenjem klizanja: DIODNI ISPRAVLJAČ

PWM INVERTOR

REGULATOR BRZINE

Slika 2.24 U/f regulacija sa ograničenjem klizanja Ovim riješenjem postiže se regulacija brzine sa ograničenjem struje na jednostavniji (a samim time i jeftiniji) način u odnosu na prethodnu šemu. Ovo proizlazi iz toga što nam nije potreban senzor struje jer izlaz regulatora brzine, zahvaljujući oduzimanju sa izmjerenom brzinom ω, srazmjeran učestanosti klizanja. Ograničenje klizanja znači i ograničenje momenta, a samim tim i struje. Pored ove uštede, ne treba nam ni regulator struje. Nedostatak primjene ove šeme su lošije dinamičke osobine.

DEJAN VIDOVIĆ

27

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

e) Regulacija brzine, momenta i fluksa: DIODNI ISPRAVLJAČ

PWM INVERTOR

REGULATOR FLUKSA

ESTIMATOR

REGULATOR MOMENTA

REGULATOR BRZINE

Slika 2.25 U/f regulacija brzine, fluksa i momenta Osnovna prednost ove upravljačke šeme je u tome što posjeduje regulator fluksa sa povratnom vezom i referentnim fluksom koji umjesto programiranog funkcionalnog bloka Us=f(ωs) djeluje na napon motora, te na taj način održava fluks na željenoj konstantnoj vrijednosti nezavisno od promjena radnog režima i parametara. Umjesto da se fluks u mašini mjeri direktno, što se vrlo teško izvodi u praksi, koristi se estimator fluksa koji na osnovu mjerenja faznih struja i napona proračunava fluks međugvožđu asinhronog motora. Pored toga DEJAN VIDOVIĆ

28

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

estimator fluksa na osnovu istih ulaznih podataka proračunava elektromagnetni moment motora što je iskorišteno kao povratna veza za regulator momenta. Kao i u prethodnoj šemi na izlazu regulatora momenta se javlja učestanost klizanja čije se granice kontrolišu limiterom GM. Regulator brzine sa spoljnom povratnom vezom iz tahogeneratora ili enkodera održava brzinu motora na zadatoj vrijednosti ω*. Na sledećoj šemi data je realizacija estimatora fluksa:

Slika 2.26 Blok šema estimatora fluksa U blokovima C-1 vrši se inverzna C transformacija odnosno transformacija trofaznih veličina u dvofazne. Transformišu se izmjerene vrijednosti napona i struje motora, odnosno dobijaju se dq- komponente statorskih napona i struja u stacionarnom koordinatnom sistemu: 1 1 𝑢𝑠𝑎 1 − − 𝑢𝑠𝑑 2 2 2 [𝑢 ] = √ [𝑢𝑠𝑏 ], (2.33) 𝑠𝑞 3 √3 √3 𝑢𝑠𝑐 [0 2 − 2 ] 1 1 2 1 − 2 − 2 𝑖𝑠𝑎 𝑖𝑠𝑑 [𝑖 ] = √ [𝑖𝑠𝑏 ] . 𝑠𝑞 3 √3 √3 𝑖 𝑠𝑐 [0 2 − 2 ]

(2.34)

Nakon toga od d i q komponente statorskog napona oduzima se pad napona uslijed uticaja otpora statora Rs: 𝑢𝑠𝑑 = 𝑅𝑠 ∙ 𝑖𝑠𝑑 +

𝑑𝜓𝑠𝑑 , 𝑑𝑡

(2.35)

𝑢𝑠𝑞 = 𝑅𝑠 ∙ 𝑖𝑠𝑞 +

𝑑𝜓𝑠𝑑 . 𝑑𝑡

(2.36)

DEJAN VIDOVIĆ

29

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Nakon integracije dobijaju se dq- komponente fluksa statora ψsd i ψsq, nakon čega se od njih oduzimaju rasipni fluksevi statora te se dobijaju dq - komponente fluksa u međugvožđu prema sledećim jednačinama: 𝜓𝑠𝑑 − 𝐿𝛾𝑠 ∙ 𝑖𝑠𝑑 = 𝜓𝑚𝑑 ,

(2.37)

𝜓𝑠𝑞 − 𝐿𝛾𝑠 ∙ 𝑖𝑠𝑞 = 𝜓𝑚𝑞 .

(2.38)

Na osnovu tih komponenti se računa amplituda fluksa u međugvožđu prema jednačini: 2 2 . 𝜓𝑚 = √𝜓𝑚𝑑 + 𝜓𝑚𝑞

(2.39)

Moment motora se dobija iz izraza: 𝑚𝑐 = 𝑝 ∙ (𝑖𝑠𝑞 ∙ 𝜓𝑚𝑑 − 𝑖𝑠𝑑 ∙ 𝜓𝑚𝑞 ).

(2.40)

Vrijednosti dobijene iz estimatora nisu naročito tačne iz razloga nedovoljno tačnih podataka o parametrima upotrebljenog motora, te njihove promjenjivosti u toku rada. Kako u ovom pogonu kontrolu dobijenog fluksa i momenta koristimo samo za obezbjeđenje optimalnog rada pogona, te zaštite od preopterećenja i poboljšanja dinamičkih osobina čitavog pogona, navedene greške u estimaciji nisu od prevelikog značaja.

DEJAN VIDOVIĆ

30

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

f) Regulacija sa strujnim invertorom:

REGULISANI ISPRAVLJAČ

STRUJNI INVERTOR

REGULATOR STRUJE REGULATOR BRZINE

Slika 2.27 U/f regulacija sa strujnim invertorom Pogon prikazan na slici 2.27 bitno se razlikuje od navedenih šema u energetskom dijelu, jer se umjesto naponskog invertora koristi strujni invertor. Održavanje zadate statorske struje omogućuje regulisani ispravljač sa regulatorom jednosmjerne struje, jer su te dvije struje međusobno proporcionalne. Prigušnica L, koja je bitno veće vrijednosti nego u pogona sa naponskim invertorima, podržava konstantnost struje u kraćim vremenski intervalima kada dolazi do komutacija strujnog invertora. Moment motora mc i fluks ψm određeni su statorskom strujom Is i rotorskom učestanošću. Regulator brzine sa ograničenjem rotorske učestanosti je identičan kao u šemi na slici 2.23. Funkcija Is=f(ωkl) je realizovana u generatoru funkcije, i proračunata je tako da se za svako klizanje (odnosno moment) dobije ona referentna struja ispravljača (motora) koja je neophodna da se održi optimalni fluks motora ψm.

DEJAN VIDOVIĆ

31

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3. Frekventni pretvarač 3.1. Uvod Savremeni frekventni pretvarači omogućuju efikasno, jednostavno i kvalitetno upravljanje asinhronim motorima, te uzimajući u obzir tendenciju snižavanja cijene ovih proizvoda ovi pretvarači postaju sve prisutniji u regulisanim naizmjeničnim pogonima[Lit. 2]. Vodeći svjetski proizvođači frekventnih pretvarača su firme kao što su Schneider, Omron, Allen Bradley, Danfos, Hitachi, ABB i drugi. Područje primjene frekventnih pretvarača zasnovanih na metodu U/f regulacije je veoma široko, te se mogu koristiti kod svih elektromotornih pogona koji ne zahtijevaju visoke performanse upravljanja brzinom te direktno upravljanje momentom. Raspon snaga motora za koje se proizvode ovi pretvarači je takođe širok i kreće se od nekoliko desetina vata do nekoliko desetina kilovata. Osnovne prednosti korišćenja savremenih digitalnih pretvarača ogledaju se u tome što su ti pretvarači (invertori) mikroprocesorski kontrolisani, te što pored upravljačke funkcije posjeduju i ugrađene zaštitne funkcije kao što su prenaponska, prekostrujna zaštita, zaštita od prevelikog momenta opterećenja, zemljospojna zaštita, a često posjeduju i ugrađene regulatore. Ovi pretvarači nemaju mehaničke kontakte koje posjeduju konvencionalni sistemi pa je njihova pouzdanost znatno viša, a i životni vijek pogona je produžen. Veoma je značajna i činjenica da se upotrebom ovih pretvarača ostvaruju znatne uštede električne energije što nabavku frekventnog pretvarača čini investicijom čiji je prosječan rok otplate jedne do četiri godine. Međutim upotreba energetskih pretvarača je opravdana samo u slučaju ako oni rade sa velikim stepenom efikasnosti. Efikasnost savremenih pretvarača je razvojem ovih uređaja postala izuzetno velika, i ima tendenciju da se znatno povećava i u budućnosti. Iako su energetski pretvarači znatno skuplji od konvencionalnih metoda regulacije, početna investicija se izuzetno isplati uslijed uštede energije. Kao i sve mašine, i asinhroni motori imaju rok trajanja jer materijal od kojeg su napravljene njegove komponente, u zavisnosti od uslova korištenja, vremenom degradira. Korištenjem blažeg pokretanja i zaustavljanja motora, time izbjegavajući pokretanje i zaustavljanje uz maksimalni moment ubrzanja, štedi se materijal od nepotrebnog stresa i preopterećenja. To direktno utiče na produženje radnog vijeka motora. Energetski pretvarač ne zahtijeva konstantno održavanje. Takođe indirektno utiče na životni vijek ukupnog pogona. Osobine kao što su kompaktnost, mogućnost napajanja motora iz AC ili DC izvora,multifunkcionalnost ovih uređaja, te laka montaža i rukovanje dovele su do njihovog sve većeg prodora na tržište i osvajanja oblasti regulisanih pogona u kojima su donedavno dominirali pogoni sa motorima jednosmjerne struje. Pomoću ovih pretvarača omogućena je jednostavna promjena frekvencije (brzine) u širokim granicama uz visoku rezoluciju promjene te uz vrlo male greške.

DEJAN VIDOVIĆ

32

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.2. Frekvencijski pretvarač Altivar 71 Ovo je jos jedan frekventni regulator iz grupe Altivar firme Schneider electric. Ovde će biti navedene najvažnije osobine Altivar – a 71 i jos jednog frekventnog regulatora iz ove grupe Altivar-a 61[Lit. 5].

Slika 3.1 Prikaz različitih izvedbi Altivar-a 71 Altivar 61 koji je sa svojom ponudom za promjenjivi moment namjenjen pumpama i ventilatorima, dolazi kao dodatak uz ponudu Altivar 71 za konstantni momenat. Napredne funkcije kombinovane sa izuzetnim performansama u otvorenoj i zatvorenoj sprezi obezbjeđuju idealno rješenje za kompleksne i/ili mašine velikih snaga (transporteri, dizalice i kranovi, mašine za obradu drveta, procesne mašine, tekstilne, pakerice, pumpe, sistemi pumpi, ventilatori, itd). Pouzdan i robustan Altivar osigurava neprekidnost u radu. On izdržava kratkotrajne padove napona do -50%, industrijska zagađenja sa svojim RFI filterima i temperature do 50°C (bez smanjenja performansi). Altivar 71 i Altivar 61 se u potpunosti brinu o bezbjednosti: njihove mnogobrojne funkcije su aktivne na nivou regulatora, motora (sa svojim elektonskim relejima i PTC sondama) i mašine. Power Removal je bezbjedonosna funkcija koja spriječava nenamjeran start motora, i na taj način osigurava bezbjednost osoblja. Sa svojih 150 specijalizovanih funkcija, brojnim ulazima/izlazima, integrisanom Modbus i CanOpen komunikacijskim protokolima kao i dodatnim I/O, komunikacijskim karticama, inkrementalnim enkoderom,... Altivar obezbjeđuje kompletno i ekonomično rješenje pogodno za većinu mašina. Sa ugrađenom Controller Inside DEJAN VIDOVIĆ

33

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

programabilnom karticom Altivar 71 se pretvara u PLC i može upravljati i drugim regulatorima, dok Altivar 61 sa Multipump karticom obezbjeđuje upravljanje sa više pumpi. Altivar se može podešavati i nadgledati sa PowerSuite softverom putem računara i Bluetooth bežičnog linka. Altivar 71 i Altivar 61 su u skladu sa međunarodnim standardima: UL/CLA, CE, C-Tick, GOST. Razvijeni su po principu Eko-dizajna, u skladu sa evropskom direktivom ROHS (Restriction of Hazardous Substances) i WEEE (Waste Electrical & Electronic Equipment) koje su povezane sa recikliranjem proizvoda. Primjena altivara 71 za aplikacije visokih performansi (konstantni obrtni moment): - prenos materijala, - dizalice, - strojevi za preradu drveta, - procesni strojevi, - tekstilni strojevi, - pakovanje.

3.3. Tehnički parametri Korištenjem ovih invertora moguće je na izlazu dobiti frekvencije u opsegu 0,1-1600Hz, tj. pored rada motora sa punim poljem omogućen je i rad u zoni slabljenja polja[Lit. 6]. Izlazna frekvencija je od 0,1 do 1600 Hz za snage do 37 kW, 0,1 do 500 Hz za snage od 45 do 500kW. Izrađuju se kao monofazni i trofazni: - 200... 240 V kao monofazni, - 200... 240 V, 380... 480, 690 V kao trofazni, nazivne frekvencije 50 i 60 Hz. Ovi invertori se grade za snage od 0,37 kW do 900 kW. Tranzijentni nadmomenat: - 220% nominalnog momenta motora u trajanju od 2 sekunde, i - 170% u trajanju do 60 sekundi.

DEJAN VIDOVIĆ

34

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.4. Šema spajanja Šema spajanja prema kategoriji 1 starndarda EN 954 – 1 [Lit. 6]. -

Jednofazno mrežno napajanje (ATV71H 075M3 - U75M3)

U ovom slučaju potrebno je isključiti kontrolu gubitka faze tako da pretvarač može raditi s jednofaznim napajanjem.

Slika 3.2 Sa mrežnim kontaktorom

Slika 3.3 Sa sekcionim rastavljačem

DEJAN VIDOVIĆ

35

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

-

Trofazno mrežno napajanje

Slika 3.4 Sa mrežnim kontaktorom

Slika 3.5 Sa sekcionim rastavljačem (1) Linijska prigušnica, ako se koristi (obavezna kod jednofaznog napajanja za ATV71H U40M3 do U75M3) (2) Relejni kontakti kvara, za daljinsko nadgledanje stanja pretvarača DEJAN VIDOVIĆ

36

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.5. Priključci Altivar-a 71 Ovde će slikovito biti prikazani priključci kao i njihovo značenje dato u odgovarajućim tabelama.

3.5.1. Energetski priključci

Slika 3.6 Priključci ATV71H

Slika 3.7 Priključci ATV71H

DEJAN VIDOVIĆ

037M3, 075M3, U15M3, U22M3, U30M3, U40M3, 075N4, U15N4, U22N4, U30N4, U40N4

U55M3, U75M3, D11M3X, D15M3X, U55N4, U75N4, D11N4, D15N4, D18N4

37

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Slika 3.8 Priključci ATV71H D18M3X, D22M3X, D30M3X, D37M3X,D45M3X,D22N4, D30N4, D37N4, D45N4, D55N4, D75N4 Tabela 3.1 Funkcije energetskih priključaka

3.5.2. Upravljački priključci

Slika 3.9 Upravljački priključci

DEJAN VIDOVIĆ

38

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Tabela 3.2 Karakteristike i funkcije upravljačkih priključaka

3.5.3. Šeme spajanja upravljačkih krugova

Slika 3.10 Upravljački krugovi

DEJAN VIDOVIĆ

39

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.6. Grafički digitalni operator 3.6.1. Opis grafičkog operatora Pretvarači manjih snaga se mogu naručiti i bez grafičkog operatorskog panela, dok na većim snagama dolazi standardno . Grafički operatorski panel se može odvojiti od pretvarača i ugraditi na vrata ormara upotrebom dodatne opreme.

displej

odustajanje od vrijednosti parametara ili u meniju povratak na prethodni izbor

tipke funkcija F1,F2,F3,F4 stop/reset

tipka za promjenu smjera okretanja motora

pokretanje

Navigaciono dugme: -pritisnuto (ent) - čuvanje tekuće vrijednosti - ulaz u meni ili odabrani parametar - okretanje (+/-) - povećanje ili smanjenje vrijednosti - prelaz na sledeći ili prethodni red - povećanje ili smanjenje zadate vrijednosti pri aktivnom upravljanju sa terminala

Slika 3.11 Opis grafičkog operatora

DEJAN VIDOVIĆ

40

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.6.2. Opis grafičkog displeja Ovde će biti navedeni osnovni dijelovi displeja pretvarača kao i njihov kratak opis.

Slika 3.12 Opis grafičkog displeja 1.indikaciona linija: njen sadržaj se konfiguriše pri tvorničkom podešavanju: - stanje pretvarača, - aktivni kanal upravljanja: - Term: terminali, - HMI: grafički terminal, - MDB: intergrisani Modbus, - CAN: integrisani CANopen, - NET: komunikaciona karta, - APP: Controller Inside programabilna kartica, - zadata frekvencija, - struja motora. 2. linija menija: indikacija tekućeg menija ili podmenija, 3. meni, podmeni, parametri, vrijednosti, 4. izbor funkcija F1 - F4: npr. (F1): - Code (F1): - izbor koda odabranog parametra, -HELP ( F1 ): - pomoć, - << F2: - pomjeranje po horizontali ulijevo, prelaz na prethodni meni ili podmeni ili prelaz na cifru ulijevo određenog broja, - >> F3: - pomjeranje po horizontali udesno, prelaz na sledeći meni ili podmeni ili prelaz na cifru udesno određenog broja, - Quick F4: - brzi pristup parametru iz bilo kog ekrana, DEJAN VIDOVIĆ

41

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

- 5. i 6.

- pomjeranje tekućeg prozora dole i i gore ukoliko nije moguće sagledati cijeli prikaz odjednom.

Značenje kodova: - ACC: ubrzanje, - CLI: ograničenje struje, - CTL: kontrolisano zaustavljanje pri prekidu mrežne faze, - DCB: dinamičko kočenje je aktivno, - DEC: kočenje ( usporavanje ), - FLU: magnećenje motora je aktivno, - FST: brzo zaustavljanje, - NLP: odsustvo mrežnog napona, - NST: slobodno zaustavljanje, - OBR: automatska adaptacija tempa kočenja, - PRA: zaštitna funkcija blokiranja, - RDY: pretvarač spreman za rad , - SOC: kontrola prekida na izlazu, pretvarač aktivan, - TUN: automatsko podešavanje je aktivno, - USA: signalizacija pada napona.

DEJAN VIDOVIĆ

42

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.6.3. Primjeri konfiguracije prozora Moguće je izabrati samo jedan jezik, koji se označava znakom  .

Ako je moguće izršiti izbor nekoliko parametara onda se oni označavaju

Slika 3.13 Primjer konfiguracije brojčane vrijednosti Strelicama << i >> ( tipkama F2 i F3) se vrši selekcija cifre koja se želi mijenjati, a okretanjem navigacionog dugmeta se povećava ili smanjuje njena brojčana vrijednost.

DEJAN VIDOVIĆ

43

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.6.4. Prvo uključenje Pri prvom uključenju pretvarača ostavaruje se automatski prelaz do (1 drive menu). Prije puštanja motora neophodno je podesiti parametre podmenija i sprovesti automatsko podešavanje.

Pojavljuje se 3 s posle uključenja napajanja.

Prelaz na meni (5 LANGUAGE) automatski kroz 3s. Izaberite jezik i pritisnite dugme ENT.

Prelaz na meni (2 ACCESS LEVEL). Izaberite potreban nivo i pritisnite dugme ENT.

Prelaz na meni (1 DRIVE MENU) .

Povratak na glavni meni (MAIN MENU) vrši se pritiskom na tipku ESC. Slika 3.14 Prvo uključenje

DEJAN VIDOVIĆ

44

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.6.5. Sledeće uključenje

Prelaz na meni nakon 3s.

Ukoliko nije izvršen izbor kroz 10s se automatski prelazi na meni (MONITORING) ( u saglasnosti sa izabranom indikacijom).

Moguć je povratak na glavni meni pritiskom na ENT ili ESC.

Slika 3.15 Naredno uključenje

DEJAN VIDOVIĆ

45

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.6.6. Programiranje: primjer pristupanja parametrima

Slika 3.16 Pristup parametru ubrzanja (Acceleration) Napomene: - izbor parametara: - okretanjem navigacionog dugmeta po vertikali, - izmjena parametara: - korištenjem << ili >> (F2, F3) vrši se horizontalni odabir cifara, - promjena brojne vrijednosti se ostvaruje okretanjem navigacionog dugmeta, - odustajanje od izmjene : - pritskom na ESC, - čuvanje izmjena: - pritiskom na ENT.

3.6.7. Brzi izbor Omogućen je brzi pristup parametru iz bilo kog ekrana, kada se tipkom F4 pokrene funkcija Quick. Primjer:

Slika 3.17 Meni motor control

DEJAN VIDOVIĆ

46

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

-povratak u glavni meni

-prelazak na višestruki ekran(omogućen je dialog između grafičkog terminala i nekoliko pretvarača priključenih na istu mrežu)

-direktan pristup podešavanja parametara

-otvara se prozor u kome je moguć direktan pristup 10 poslednjim promjenjenim parametrima

Slika 3.18 Primjer brzog izbora

3.6.8. Glavni meni

Slika 3.19 Prikaz glavnog menija

DEJAN VIDOVIĆ

47

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

1 DRIVE MENU 2 ACCASS LEVEL 3OPEN / SAVE AS 4 PASSWORD 5 LANGUAGE 6 MONITORING CONFIG.

- pogledati naredno poglavlje, - odabrati dostupnost meniju (nivo složenosti), - omogućava čuvanje i otvaranje fajlova pretvarača, - zaštita konfiguracije pomoću šifre, - izbor jezika, - izbor informacija koje se žele prikazati na grafičkom displeju tokom rada, - izbor parametara, - stvaranje korisničkog menija, - podešavanje pristupa i zaštite menija i parametara.

7 DISPLAY CONFIG.

3.6.8.1. 1 DRIVE MENU

Slika 3.20 Prikaz menija Drive Opis menija: 1.1 SIMPLY START 1.2 MONITORING 1.3 SETTINGS 1.4 MOTOR CONTROL 1.5 INPUTS / OUTPUTS CFG 1.6 COMMAND 1.7 APPLICATION FUNCT. 1.8 FAULT MANAGEMENT 1.9 COMMUNICATION 1.10 DIAGNOSTICS 1.11 IDENTIFICATION 1.12 FACTORY SETTINGS 1.13 USER MENU 1.14 PROGRAMMABLE CARD

DEJAN VIDOVIĆ

- uprošteni meni za brzo pokretanje, - prikaz trenutnih vrijednosti motora i ulaza i izlaza, - podešavanje parametara koji se mogu mijenjati u toku rada, - kontrola motora, - konfigurisanje ulaza i izlaza (filtracija, upravljanje sa dva ili tri provodnika), - konfiguracija kanala upravljanja i zadataka (grafički terminal,mreže,...), - konfiguracija primjenjivih funkcija, - konfiguracija upravljanja pri neispravnostima, - komunikacioni parametri, - dijagnostika motora i pretvarača frekvencije, - identifikacija pretvarača i unutrašnjih opcija, - pristup konfiguraciji i povratak na fabrička podešavanja, - specijalni meni, kreiran od strane korisnika u meniju (6.MONITORING CONFIG.), - konfiguracija Controller Inside programabilne kartice. 48

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.6.8.2. Access level Pristup samo u pet menija i šest podmenija u meniju DRIVE MENI. Određena je samo jedna funkcija za svaki ulaz.

Nivo dostupnosti pri fabričkom podešavanju. Moguć je pristup samo za šest menija i svim podmenijima DRIVE MENU. Određena je samo jedna funkcija za svaki ulaz.

Pristup svim menijima i podmenijima. Naznačeno je nekoliko funkcija za svaki ulaz.

Pristup svim menijima i podmenijima kao i kod (ADVANCED) opcije a takođe i dodatnim parametrima. Naznačeno je nekoliko funkcija za svaki ulaz.

Slika 3.21 Meni pristupa

DEJAN VIDOVIĆ

49

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.6.8.3. Traženje koda parametara Izaberite potrebni parametar i pritisnite F1 (CODE:) Dok je tipka pritisnuta na mjestu tog parametra će se pojaviti njegov kod. Primjer za ACC:

Slika 3.22 Traženje koda parametara

3.6.8.4. Brzi start (1.1 SIMPLY START)

Slika 3.23 Pristup meniju za brzi start Omogućava brzo uvođenje u eksploataciju. Parametri tog menija mogu se mijenjati samo pri ustavljenom pogonu, pri odsustvu komande starta, pri isključenim: - automatskom podešavanju koje proslijeđuje napon na motor, - podešenim parametrima (termička zaštita motora, vrijeme ubrzanja, vrijeme kočenja, donja i gornja brzina ). Makrokonfiguracija omogućava brzo konfigurisanje funkcije za različite oblasti primjene. Postoje sedam makrokonfiguracija: - Start / Stop, - Handling, - General use, - Hoisting, - PID regulator, - Communication bus, - Master / Slave.

DEJAN VIDOVIĆ

50

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.7. Digitalni displej Frekventni pretvarači Altivar 71 manjih snaga koji se naruče u izvedbi bez grafičkog displeja, opremljeni su sa ugrađenim digitalnim displejom sa 4 digitalna znaka.

-povratak na prethodni meni ili parametar, ili povećanje pokazane vrijednosti

-izlazak iz menija ili parametra, ili reset trenutne vrijednosti za povratak na prethodnu vrijednost u memoriji

-prelazak na sledeći meni ili parametar, ili smanjenje pokazane vrijednosti

-ulazak u meni ili parametar, ili snima pokazani parametar ili vrijednost

Slika 3.24 Opis digitalnog displeja

3.8. Podešavanje parametara invertora Tabela 3.3 Opis parametara i njihovo podešavanje[Lit. 7] Kod

Naziv/opis

tCC

[2/3 wire control] [2 wire] (2C) [3 wire] (3C) 2-žično upravljanje: Stanje ulaza (0 ili 1) ili brid(0 do 1 ili 1 do 0), kontrolišu zalet ili zaustavljanje. 3-žično upravljanje (Impulsno upravljanje): Impuls "naprijed" ili "nazad" je dovoljan za pokretanje, a "stop" impuls je dovoljan za zaustavljanje. [Macro configuration] [Start/Stop] (StS): Start/stop [M. handling] (HdG): Rukovanje stvarima [Hoisting] (HSt): Dizanje [Gen. Use] (GEn): Opšta upotreba

2C 3C

CFG StS HdG HSt GEn

DEJAN VIDOVIĆ

Raspon podešavanja

Tvorničko podešenje [2 wire] (2C)

[Start/Stop] (PnF)

51

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

PId nEt MSL CCFG

YES bFr 50 60

IPL nO

YES

nPr

UnS

[PID regul.] (PId): PID regulacija [Network C.] (nEt): Komunikacijska sabirnica [Mast./slave] (MSL): Master/slave [Customized macro] Parametar koji se može samo čitati, vidljiv ako je barem jedan parametar macro konfiguracije promjenjen. [Yes] (YES) [Standard mot. freq] [50 Hz IEC] (50): IEC [60 Hz NEMA] (60): NEMA Promjena ovog parametra mijenja podešavanja sledećih parametara: [Rated motor volt.] (UnS), [Rated motor freq.] (FrS), [Max frequency] (tFr) dole na stranici i [High speed] (HSP). [Input phase loss] [Ignore] (nO): Zanemarivanje greške, koristi se kod jednofaznog napajanja pretvarača ili napajanja preko DC sabirnice. [Freewheel] (YES): Greška sa slobodnim zaustavljanjem. U slučaju gubitka jedne faze, pretvarač prelazi u stanje greške [Input phase loss] (IPL), ali ako 2 ili 3 faza nestane, pretvarač nastavlja raditi dok ne proradi podnaponska zaštita. Ovaj parametar je dostupan samo kod pretvarača ATV71H037M3 do HU75M3 (uz jednofazno napajanje). [Rated motor power] Nazivna snaga motora sa natpisne pločice, u kW [Standard mot. freq] (bFr) = [50 Hz IEC] (50), u HP [Standard mot. freq] (bFr) = [60 Hz NEMA] (60). [Rated motor volt.] Nazivni napon motora sa natpisne pločice.

DEJAN VIDOVIĆ

[50 Hz IEC] (50)

Zavisno o veličini pretvarača

Zavisno o veličini pretvarača

Zavisno o veličini pretvarača

Zavisno o veličini pretvarača

Zavisno o veličini pretvarača i 52

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

nCr

FrS

nSP

tFr

ATV71pppM3: 100 do 240 V ATV71pppN4: 200 do 480 V [Rated mot. current] Nazivna struja motora sa natpisne pločice.

[Standard mot. freq] (bFr) 0.25 do 1.1 ili 1.2 In Zavisno o zavisno o veličini veličini (1) pretvarača i [Standard mot. freq] (bFr) 10 do 500 Hz 50 Hz

[Rated motor freq.] Nazivna frekvencija motora s natpisne pločice. Tvorničko podešenje je 50 Hz, ili podešeno na 60 Hz ako je [Standard mot. freq] (bFr) podešeno na 60 Hz. 0 do 60000 RPM [Nom motor speed] Nazivna brzina motora s natpisne pločice. 0 do 9999 rpm zatim 10.00 do 60.00 krpm na ugrađenom upravljačkom zaslonu. Ako je na natpisnoj pločici podatak o sinhronoj brzini i klizanju u Hz ili kao %, izračunavanje nazivne Brzine vrši se po sledećim formulama: •Nazivna brzina = Sinhrona brzina x(100 - klizanje kao %)/100 ili • Nazivna brzina = Sinhrona brzina x(100 - klizanje u Hz)/50 (50 Hz motori) ili • Nazivna brzina = Sinhrona brzina x (100- klizanje u Hz)/60 (60 Hz motori) 10 do 1000 Hz [Max frequency] Tvorničko podešenje je 60 Hz, ili 72 Hz ako je [Standard mot. freq] (bFr) podešeno na 60 Hz. Maksimalna vrijednost je ograničena sledećim uslovima: • Ne smije biti 10 puta veća od vrijednosti [Rated motor freq.] (FrS) • Ne smije biti veća od 500 Hz ako je pretvarač snage veće od ATV71HD37 (vrijednosti od 500 HZ do 1000 Hz su moguće kod pretvarača snage manje od 37 kW).

DEJAN VIDOVIĆ

Zavisno o veličini pretvarača

60 Hz

53

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

tUn nO YES

dOnE

[Auto tuning] [No] (nO): Samopodešavanje nije provedeno. [Yes] (YES) : Samopodešavanje će se provesti što prije, parametar se automatski mijenja u [Done] (dOnE). [Done] (dOnE): Koriste se vrijednosti iz poslednjeg samopodešavanja. Pažnja: • Neophodno je da su svi parametri motora ([Rated motor volt.] (UnS), [Rated motor freq.] (FrS), [Rated mot. current.] (nCr), [Rated motor speed] (nSP), [Rated motor power] (nPr)) pravilno konfigurisani prije početka samopodešavanja. Ako se jedan ili više parametara mijenja nakon izvršenja samopodešavanja, [Auto tuning] (tUn) će se vratiti u vrijednost [No] (nO) i postupak se mora ponoviti. • Samopodešavanje se može provesti ako nije pokrenut stop nalog. Ako je nalog "slobodno zaustavljanje" ili "brzo zaustavljanje" dodijeljen logičkom ulazu, ovaj ulaz mora biti postavljen u 1 (aktivan u 0). • Samopodešavanje ima veći prioritet od komandi pokretanja ili magnetiziranja, koje će se izvršiti nakon završetka samopodešavanja. • Ako samopodešavanje ne uspe, pretvarač pokazuje poruku [No] (nO) i, ovisno o konfiguraciji [Autotune fault mgt] (tnL) (pogledajte CD-ROM isporučen s pretvaračem), može preći u [Autotuning] (tnF) stanje greške. • Samopodešavanje može trajati 1 do 2 sekunde. Nemojte prekidati proces, pričekajte da se na zaslonu pojavi poruka "[Done] (dOnE)" ili "[No] (nO)".

DEJAN VIDOVIĆ

[No] (nO)

54

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

tUS tAb

PEnd

PrOG FAIL dOnE

PHr AbC ACb

[Auto tuning status] (samo za informaciju, ne može se mijenjati) [Not done] (tAb): Nazivna vrijednost otpora statora se koristi za upravljanje motorom. [Pending] (PEnd): Zadan je nalog za samopodešavanje, ali još nije izvršen. [In Progress] (PrOG): Samopodešavanje u toku. [Failed] (FAIL): Greška samopodešavanja. [Done] (dOnE): Vrijednost otpora statora izmjerena samopodešavanjem se koristi za upravljanje motorom. [Output Ph rotation] [ABC] (AbC): Naprijed [ACB] (ACb): Nazad Ovaj parametar se koristi za promjenu smjera obrtanja motora bez prežičavanja.

DEJAN VIDOVIĆ

[Not done] (tAb)

[ABC] (AbC)

55

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Tabela 3.4 Parametri koji se mogu mijenjati u pogonu ili nakon zaustavljanja ItH

ACC

dEC

LSP

HSP

DEJAN VIDOVIĆ

[Mot. therm. current] Termička zaštita motora, mora se podesiti na nazivnu struju motora s natpisne pločice motora. [Acceleration] Vreme zaleta od 0 do [Rated motor freq.] (FrS). Provjerite da je ova vrijednost kompatibilna sa teretom koji se pokreće. [Deceleration] Vrijeme zaustavljanja od [Rated motor freq.] (FrS) do 0. Provjerite da je ova vrijednost kompatibilna s teretom koji se zaustavlja. [Low speed] Frekvencija motora kod minimalne reference, može se podesiti između 0 i [High speed] (HSP). [High speed] Frekvencija motora kod maksimalne reference, može se podesiti između [Low speed] (LSP) i [Max frequency] (tFr). Tvorničko podešenje se mijenja u 60 Hz ako je [Standard mot. freq] (bFr) = [60 Hz] (60).

0.2 do 1.5 In (1) zavisno o veličini

Zavisno o veličini pretvarača

0.1 do 999.9 s

3.0 s

0.1 do 999.9 s

3.0 s

0

50 Hz

56

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.9. Kartice za nadogradnju Da bi se omogućilo povezivanje na različite mrežne protokole,sa računarima, PLC-ovima , drugim pretvaračima i drugim raznim uređajima kao i korištenja pretvarača kao PLC-a koriste se različite kartice za nadogradnju[Lit. 6]. U Altivar – u je moguće istovremeno maksimalno koristiti tri kartice koje se mogu ugraditi: * dvije od : 1. I/O kartice : - standardne I/O kartice, - proširene I/O kartice, 2. komunikacione kartice , 3. "Controller Inside" programabilna kartica, * enkoder kartica.

3.9.1. I/O kartice Upotrebljava se za prilagođenje pretvarača u posebnim područjima primjene. Postoje dvije vrste i to standardna (diskretna) i proširena kartica. - Priključci standardne I/O kartice (VW3A3201)

Slika 3.25 Priključci standardne I/O kartice (VW3A3201)

DEJAN VIDOVIĆ

57

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Tabela 3.5 Karakteristike i funkcije priključaka

Priključci proširene I/O kartice (VW3A3202)

Slika 3.26 Priključci proširene I/O kartice (VW3A3202) Tabela 3.6 Karakteristike i funkcije priključaka

DEJAN VIDOVIĆ

58

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.9.2. Komunikacione kartice Altivar posjeduje integrisane Modbus i CANopen protokole. U slučaju potrebe za povezivanje pretvarača sa drugim industrijskim protokolima, tada se za svaku mrežu koristi odgovarajuća kartica: - Modbus TCP, - Fipio, - Modbus/Uni-Telway, - Modbus Plus, - EtherNet/IP, - DeviceNet, - PROFIBUS DP, - INTERBUS, - CC-Link. Primjer: EtherNet/IP kartica za povezivanje Altivara 71 na Ethernet mrežu pomoću EtherNet/IP protokola.

Slika 3.27 Primjer komunikacione kartice

DEJAN VIDOVIĆ

59

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.9.3. "Controller Inside" programabilna kartica Svojom integracijom vrši prilagođenje pretvarača u sistemu automatizacije. Korištenjem ove kartice pretvarač se pretvara u PLC. Moguće je ugraditi samo jednu programabilnu karticu u pretvarač, te njeno korištenje sa jednom I/O ili sa komunikacionom karticom.

Slika 3.28 "Controller Inside" programabilna kartica Tabela 3.7 Priključci programabilne kartice

COM

Značenje Napajanje programabilne kartice - za malu potrošnju iz pretvarača - za veću potrošnju iz posebnog izvora Zajednička tačka i nula volti programske karte

Оd LI51 dо LI60

Diskretni ulazi =24V

Stezaljka klem lajsne 24V

Оd LO51 dо LO56 Diskretni izlazi =24V AI51 i AI52 Analogni ulazi 0 – 20 mA AO51 i AO52 Analogni izlazi 0 – 20 mA Posjeduje 10 logičkih ulaza, od kojih se 2 mogu koristiti za 2 brojača ili 4 koja se mogu koristiti kao 2 inkrementalna enkodera, 2 analogna ulaza, 6 logičkih izlaza, 2 analogna izlaza, master port za CANopen bus, PC port za programiranje sa PS 1131 softverom. DEJAN VIDOVIĆ

60

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.9.4. Enkoder kartica Koristi se za povećanje performansi regulacije motora kao što su: precizna regulacija brzine, precizno zaustavljanje, kraće vrijeme reagovanja.

3.30 Priključci enkoder kartice

Slika 3.29 Enkoder kartica Tabela 3.8 Karakteristike i funkcije priključaka

DEJAN VIDOVIĆ

61

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

3.10. Moduli kočenja Pri usporenju motora sa zadanim tempom on radi u generatorskom režimu. Ulazni ispravljač pretvarača ne može vratiti električnu energiju u mrežu. Snaga vraćene energije zavisi od momenta inercije tereta i izabranog vremena kočenja. Kočeći modul je vanjski modul kojim se upravlja i kontroliše pretvaračem. Prilikom kočenja energija kočenja se skladišti u središnjem strujnom kolu. Kada ispravljeni napon pređe prethodnu podešenu vrijednost tada vanjski otpornici isijavaju kočeću energiju. Time se postiže savladavanje velikih opterećenja veoma brzo. Minimalna vrijednost otpora se bira prema tablici karakteristike modula, a njegova snaga zavisi od primjene.

Slika 3.31 Uprošteni prikaz povezivanja Postoje dva tipa kočionih modula VW3A7101 za pretvarače ATV71HC20N4, C25N4 i C28N4 i modul VW3A7102 za ATV71HC31N4, C40N4 i C50N4.

Slika 3.32 Vezivanje kočećeg modula i otpornika DEJAN VIDOVIĆ

62

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Za kočenje izbor vrijednosti kočionog otpornika se bira u saglasnosti sa potrebnom snagom i kočećim ciklusom.Kao pravilo koristi se izraz: 𝑈𝑑2 𝑃𝑚𝑎𝑥 = , (3.1) 𝑅 gdje je: Pmax- maksimalna snaga kočenja pri priključenom kočećem modulu, Ptra - trajna toplotna snaga kočenja, Ud - napon kočionog modula, I – termička struja kočionog otpornika. Pri tome pretvarač raspolaže termičkom zaštitom kočećeg otpornika, a takođe može biti korišten termički relej. Za slučaj termičkog releja: P – nominalna snaga kočionog otpornika, R – vrijednost otpora, 𝑃 𝑃 = 𝑅𝐼 2 ⟹ 𝐼 = √ = 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑛𝑎 𝑣𝑟𝑒𝑑𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖č𝑘𝑜𝑔 𝑟𝑒𝑙𝑒𝑗𝑎. (3.2) 𝑅 U izrazu: 𝑈𝑑2 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑅 , mi imamo da je: Pmax - snaga kočionog modula, 𝑃tra = 𝐼 2 𝑅 (snaga otpornika). (3.3) Pored ove vrste kočenja postoji kočenje jednosmjernom strujom kod koga se jednosmjerni napon duž dvije faze motora koristi da generiše stacionarno magnetno polje u statoru. Pošto kočiona energija u ovom slučaju ostaje u motoru i da može doći do pregrijavanja preporučivo je podesiti jednosmjerno kočenje u nižem opsegu brzina tako da se ne postigne nominalna struja.

3.11. Softver PowerSuite Ovaj softver se koristi za konfiguraciju praćenja rada frekventnih regulatora. Glavne osobine ovog softvera su[Lit. 8]: - Jedan softver za sve tipove(Altistart i TeSys U pokretače i sve Altivar frekventne regulatore.) - Komunikacija putem Ethernet & Modbus – a, - “User Friendly”, - Prozori za nadgledanje, - Lako otkrivanje problema sa menijem za dijagnostiku, - Online Help, - Omogućava reprodukciju za slične ili iste aplikacije, - Osciloskop.

DEJAN VIDOVIĆ

63

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

  

Slika 3.33 Bežično povezivanje pretvarača sa računarom putem Blue Tooth- a U disconnected režimu: Priprema memorisanja konfiguracionih datoteka: snimanje na hard disk, CD-ROM, disketu, itd, Konfiguracije štampanja, Izlaganje na radnu površinu.

3.12. Dimenzionisanje frekventnog pretvarača Pre nego što se odrede dimenzije frekventnog pretvarača potrebno je napraviti razliku između dvije najčešće korištene karakteristike opterećenja[Lit. 3].

Slika 3.34 Konstantan i kvadratni moment opterećenja Na sledećoj slici su prikazane momentne karakteristike dva frekventna pretvarača različitih dimenzija i iste karakteristike opterećenja.

Slika 3.35 “Veći i manji” frekventni pretvarač DEJAN VIDOVIĆ

64

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Na prvoj slici potpuni radni opseg leži unutar nominalnih vrijednosti motora(0 – 100%). U slučaju pumpe čiji je normalni radni opseg 30 – 80%, može se izabrati frekventni regulator nižeg izlaznog stepena. Ukoliko je moment opterećenja konstantan, motor mora biti sposoban da generiše više od momenta opterećenja pošto se suvišni moment koristi za ubrzanje. Prekomjerni moment od 60% generisan od strane pretvarača frekvencije za kratko vreme je dovoljan za ubrzavanje i visok startni moment. Prekomjerni moment takođe garantuje da je sistem sposoban da se izbori sa iznenadnim povećanjima opterećenja. Frekventni regulator koji ne dozvoljava takav prekomjerni momenat mora biti tako izabran da moment ubrzavanja (Tb) leži unutar nominalnog momenta.

Slika 3.36 Korištenje povećanog momenta za ubrzanje Određivanje snage pretvarača se može vršiti na četiri načina u zavisnosti od skupa podataka o motoru. Prvi način je na osnovu struje koje motor povlači Im. U tom slučaju frekventni pretvarač mora imati maksimalnu izlaznu struju jednaku ili veću od struje Im. Drugi način se zasniva na prividnoj snazi motora. Prividna snaga motora se izračunava iz: 𝑆𝑀 = 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ √3 , (3.4) gdje su U i I veličine napajanja motora a frekventni pretvarač mora da ima jednaku ili veću prividnu snagu od snage motora da bi izbor bio ispravan. Treči način je kada se raspolaže sa podacima o snazi motora Pm, stepenom iskorištenja η i sa faktorom snage cos φ: 𝑆𝑀 =

𝑃𝑀 . 𝜂 ∙ cos 𝜑

(3.5)

Za pravilan izbor potrebno je da snaga pretvarača bude jednaka ili veća od dobijene prividne snage motore. Ova metoda je neprecizna jer se sa promjenom opterećenja mijenja i stepen iskorištenja i faktor snage. Četvrti način. Zbog praktičnih razloga, nominalna vrijednost snage većine frekvencijskih pretvarača prati standardne serije asinhronih motora. Frekventni regulatori su često izabrani na ovoj bazi, ali to može voditi ka nepreciznom dimenzionisanju, naročito ako je motor podvrgnut punom opterećenju.

DEJAN VIDOVIĆ

65

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Ako referentna vrijednost brzine raste, brzina motora raste i vertikalni deo momentne karakteristike se pomjera u desno:

Slika 3.37 Ako je moment opterećenja manji od raspoloživog momenta motora, brzina će dostići zahtjevanu vrijednost. Na narednoj slici je prikazano da karakteristika momenta opterećenja presjeca momentnu karakteristiku motora na vertikalnom delu (u tački A). Ako je presek na horizontalnom delu (tačka B), brzina motora ne može kontinualno dostići odgovarajuću vrijednost. Frekventni regulator omogućuje kratkotrajne ograničene strujne preskoke bez okidanja (tačka C), ali je neophodno da se preskoci vremenski ograniče.

Slika 3.38 Struja motora može dostići strujni maksimum u kratkom vremenskom intervalu Osnovne veličine za izbor pretvarača su[Lit. 9]: 1. Nazivna snaga - kVA, 2. Nazivana struja mreže – I1, 3. Nazivna struja I2 : - za trajni rad, - za teške pogone, - za pogone tipa pumpe, - preopteretivost, - maksimalna frekvencija, - posebni zahtjevi - teški start. DEJAN VIDOVIĆ

66

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Osim ovih veličina potrebno je voditi računa o naznačenom naponu pretvarača kao i o tome da li je potrebno koristiti pretvarač sa jednofaznim ili trofaznim priključkom. Ukoliko se na monofazni pretvarač želi priključiti motor koji je namjenjen za rad sa vezom u zvijezdu, potrebno je njegovo prethodno prekapčanje u vezu u trougao. Radi se o tome da monofazni pretvarač koji je priključen na napon 200 - 240V ne može isporučiti linijski napon veći od toga, odnosno on može biti samo manji zbog gubitaka u samom pretvaraču, pa se motori namjenjeni za rad u zvijezdu sa medjufaznim naponom od 380V moraju prekopčati u trougao da bi mogli raditi na linijskom naponu 200 - 240V. Pored navedenog potrebno je voditi računa o stepenu zaštite pretvarača, koji zavise od uslova ambijenta i obratiti pažnju na uslove hladjenja samog pretvarača. Kada je motor povezan sa frekventnim regulatorom mora se održati na određenoj temperaturi. Ovo je potrebno iz dva razloga: - sa smanjenjem brzine rada motora smanjuje se intezitet hlađenja, - ako se pojavi ne sinusoidna struja motora, temperatura motora raste. Naime pri niskim brzinama rada motora , ventilator na motoru nije u mogućnosti da obezbjedi dovoljno vazduha za hlađenje. Ovaj problem nastaje ako je moment opterećenja konstantan u celom opsegu upravljanja. Ova niska ventilacija određuje veličinu dozvoljenog obrtnog momenta pri konstantnom opterećenju. Ako motor radi konstantno na 100% deklarisanog obrtnog momenta, pri brzini koja je duplo manja od deklarisane, motoru je potrebno dodatno hlađenja. Jednostavno izborom većeg motora se može izbeći preopterećenje, ali se tada mora voditi računa o izboru adekvatnog frekventnog regulatora. Ako struja motora nije čisto sinusnog oblika, motor ne bi trebao biti 100% opterećen svo vrijeme, jer ova struje koja posjeduje više harmonike i dovešće do pregrijavanja motora. U zavisnosti od veličine struje motor će se zagrijavati više ili manje.

DEJAN VIDOVIĆ

67

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

4.Praktičan rad Cilj praktičnog rada je da se poveže asinhroni motor na frekventni pretvarač tako da se omogući upravljanje njegovom brzinom u zoni punog polja i u zoni slabljenja polja. Pri tome je korištena sledeća oprema: - Altivar 71, naznačenih vrijednosti 2,2 kW, 200/240V, tip ATV71HU22M3. - trofazni asinhroni motor proizvođača Sever Subotica, sa naznačenim naponom 220V sa spregom u trougao odnosno 380V sa spregom u zvijezdu, snage 1,2 kW, brzinom 1400 o/min, stepenom zaštite IP 65, cos 𝜑 0,8, naznačene frekvencije 50 HZ i struje 4,85/2,8 A. Pošto se radi o frekventnom pretvaraču 200/240V njegovo direktno priključivanje na mrežu biće monofazno. Kako frekventni pretvarači ne mogu da daju napon veći od glavnog napajanja, u ovom slučaju 230V, a mi imamo motor koji je predviđen za rad sa spregom u zvijezdu sa 380V, potrebno je njegovo prespajanje u vezu u trougao da bi se obezbjedio njegov ispravan rad.

Slika 4.1 Motor sa spregom u trougao

Slika 4.2 Altivar ATV71HU22M3 DEJAN VIDOVIĆ

68

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Slika 4.3 Motor povezan na frekventni pretvarač Prespajanje motora kao i njegovo povezivanje i povezivanje pretvarača se radi u odsustvu napona. Kada se priključi napon potrebno je izvršiti parametrizaciju pretvarača. U meniju SIMPLY START potrebno je podesiti: - standard motor frekv. (standardna frekvencija motora) – 50 HZ IEC, - Input phase loss- Ignore. Na ovaj način se vrši isključenje kontrole gubitka faze, odnosno pretvaraču se saopšava da će raditi na monofaznom naponu. Ako se pretvaraču priključi monofazni napon a ne podesi ova opcija ovako pretvarač će biti blokiran ukoliko se pokuša pokrenuti njegova rad. Zatim slijedi unos naznačenih parametara motora sa njegove natpisne pločice: - Rated motor power (snaga motora) – u ovom slučaju to je 1,2kW, - Rated motor volt. (napon motora) – 220V, a ne 380V pošto će motor raditi sa spregom u trougao, - Rated motor current(naznačena struja) – 4,9A, - Rated motor frekv. (naznačena frekvencija) – 50HZ, - Rated motor speed (nazivna brzina) – 1,4krpm, - Max frequency(maksimalna frekvencija), pošto se u našem slučaju frekvencija povećavala do 100HZ neophodno je da maksimalna frekvencija iznosi najmanje upravo 100 HZ, - Auto tuning, u našem slučaju to nije neobhodno, - output Ph rotation – ABC, radi se o elektronskoj promjeni smijera obrtanja motora, u našem slučaju nije potrebno, - Motor termal current (termička struja motora) – podešava se na naznačenu vrijednost struje motora, 4,9A, - Acceleration(ubrzanje), DEJAN VIDOVIĆ

69

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

- Deceleration (usporavanje), naime preciznije radi se o vremenu usporavanja i ubrzanja u našem slučaju može da se ostavi npr. na fabričke vrijednosti od 3s, - Low speed(minimalna brzina) – npr. 0, - High speed (maksimalna brzina) – u našem slučaju to je 100HZ. Pri tome treba voditi računa da ovaj parametar zavisi od parametra max speed. Tako na primjer ukoliko je parametar max speed podešen na primjer na 60HZ, izlazna frekvencija pretvarača će biti ograničena na 60 HZ i ako je parametar high speed na 100HZ. U meniju MONITORING sa komandom HMI Frequncy ref. vrši se zadavanje referente frekvencije.

Slika 4.4 Podešavanje referentne frekvencije Takođe u ovom meniju je moguće praćenje određenih parametara kao što su: - Output frequency (izlazna frekvencija), - Motor current (struja motora), - Motor speed (brzina motora), - Motor voltage (napon motora), - Motor power (snaga motora), - Motor torque (moment motora), - Mains voltage(mrežni napon, napon napajanja pretvarača). Eksperiment je izveden u praznom hodu. Motoru su zadavane različite vrijednosti izlazne učestanosti, a sniman je napon, brzina, struja, snaga, moment motora kako bi se ilustrovao oblik U/f, n/f i I/f karakteristike. Nakon izršene parametrizacije u meniju MONITORING se vrši zadavanje frekvencija od 30 do 100Hz sa korakom od 5Hz kao na slici 4.4. Pokretanje se obavlja pritiskom na dugme RUN, a praćenje vrijednosti ostalih veličina za zadatu frekvenciju je omogućeno u meniju MONITORING. Zatim se zada nova vrijednost frekvencije i ponovo očitaju praćene vrijednosti do frekvencije 100Hz. Zaustavljane motora se vrši pritiskom na dugme STOP.

DEJAN VIDOVIĆ

70

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Tabela 4.1 Rezultati praktičnog rada Frekvencija[HZ]

Struja[A]

Brzina [o/min]

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,4 3 2,7 2,4 2,2 2 1,9 1,8 1,7 1,6

900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 1950 2100 2250 2400 2550 2700 2850 3000

Napon motora[V] 128 149 170 191 212 231 232 232 232 232 231 232 232 232 232

Snaga [%] 7 7 7 8 9 9 7 7 6 6 6 6 6 6 6

Moment [%] 10,6 9,9 8,8 8,5 8,3 7,4 5,8 4,8 4,2 3,7 3,4 3,2 3 2,9 2,8

Da se primjetiti da struja u zoni slabljenje polja opada, a u zoni konstantnog fluksa odnosno do nazivne frekvencije ona je konstantna. Zbog toga na nižim frekvencijama(brzinama) od nazivne dolazi do većeg grijanja motora usljed slabijeg hlađenja ventilatora, pa se ne preporučuje trajni rad pod ovim uslovima bez dodatnog hlađenja.

Slika 4.5 Ponašanje struje na promjenu frekvencije

DEJAN VIDOVIĆ

71

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Slika 4.6 Zavisnost brzine motora od frekvencije Kao što se vidi iz jednakosti 2.1, brzina motora je proporcionalna frekvenciji pa je zavisnost ovih veličina linearna.To je zbog toga što promjena frekvencije napajanja motora utiče direktno na promjenu brzine obrtnog polja od koga dalje zavisi brzina motora.

Slika 4.7 Zavisnost napona i frekvencije napajanja motora

DEJAN VIDOVIĆ

72

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

Bilo je i ranije govora o tome da se zoni konstantnog fluksa održava U/f konstantim odnosno njihova zavisnost linearnim kako bi se održao konstantan prekretni moment, naravno samim ti i fluks odnosno indukcija u motoru. Kako frekventni pretvarač ne može dati napon veći od mrežnog napajanja, u zoni slabljenja polja napon je konstantan. Snaga i moment motora su vrlo mali, jer je motor u praznom hodu. Primjećuje se da i moment i snaga bivaju veći na većim brzinama, jer gubici trenja i ventilacije praznog hoda rastu sa kvadratom brzine.

DEJAN VIDOVIĆ

73

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

5. Zaključak U pogonima sa promjenjivom brzinom obrtanja dugo vremena su dominirali motori jednosmjerne struje kojima se jednostavno upravlja promjenom napona napajanja. Pogone sa ovom vrstom mašina prate visoka cijena, problemi vezani za održavanje i mala preopteretljivost. Zahvaljujući razvoju mikroprocesora (mikrokontrolera) i snažnih poluprovodničkih komponenti došlo je do upotrebe motora za naizmjeničnu struju, prvenstveno asinhronih, u regulisanim pogonima. Asinhroni motor je vrlo robusne konstrukcije, relativno je jeftin, ali je do skoro uređaj za regulaciju brzine asinhronog motora bio vrlo skup. Jednostavno i jeftino rješenje za upravljanje asinhronim motorom je primjena frekvencijskog, tj. U/f≈const. upravljanja pomoću uređaja koji se nazivaju U/f pretvarači ili frekventni regulatori. Istovremenom promjenom napona i učestanosti omogućeno je dobijanje nominalnog momenta pri brzinama manjim od nominalne, dok motor može da radi i sa brzinama većim od nominalne, uz smanjen fluks i moment. Ovakav način upravljanja zadovoljavajući je za većinu primjena. Sa frekventnim pretvaračima se stvara mogućnost kontinualne promjene brzine u širokim granicama i rad pri različitim brzinama bez specijalne konstrukcije motora (kliznokolutnog rotora) ili uz velike gubitke energije. Frekvencijski regulatori su malih dimenzija, jednostavno se upravljaju (bilo neposredno ili daljinski) i sa velikim brojem parametara koji se mogu podešavati u zavisnosti od namjene pogona. Pored toga, oni omogućavaju i praćenje pojedinih parametara tokom rada pogona. Takođe do izražaja dolazi multifunkcionalnost ovih uređaja, jednostavno uključenje u sisteme automatizacije kao i korištenje dodatne opreme čime se povećavaju performanse pogona. Dobra strana pretvarača je i njegova mogućnost da svojim zaštitnim funkcijama štiti sebe i motor. Ugrađena je prekostrujna zaštita, zaštita od preopterećenja, prenaponska i podnaponska zaštita, zaštita od kontakta namotaja sa uzemljenjem, zaštita od pregrevanja pretvarača itd. tako da se povećava pouzdanost i životni vijek pogona. U ovom radu opisan je princip upravljanja asinhronim motorom promjenom napona i učestanosti, momentne i strujne karakteristike koje se tada dobijaju, a zatim i princip rada i tipične topologije savremenih frekvencijskih regulatora. Detaljno je analizirana problematika izbora i parametrisanja regulatora u zavisnosti od vrste pogona, njegove dodatne funkcije i ograničenja vezana za otežano hlađenje na malim brzinama, nemogućnost upravljanja momentom i uticaj otpora statora. Opisan je i postupak podešavanja jednog tipičnog frekvencijskog regulatora (Altivar 71, proizvođača Schneider - Electric) i dati su rezultati snimanja U/f karakteristike. Korištenjem frekventnih pretvarača mogu se i postići značajne uštede električne energije, što nabavku frekventnog pretvarača čini investicijom čiji je prosečan rok otplate od 1,5 do 4 godine, a u nekim slučajevima sa dobrim planiranjem rok otplate se može drastično smanjiti. Glavni nedostatak frekventnih pretvarača sa U/f upravljanjem je nemogućnost direktnog upravljanja momentom, tako da se oni ne koriste u pogonima visokih performansi. Nedostaci ovakvog načina upravljanja asinhronim motorima u potpunosti se rješavaju primjenom vektorskog upravljanja. U narednom periodu se očekuje nastavljanje primjene upravljanih asinhronih motora i potiskivanja jednosmjernih mašina iz regulisanih pogona.

DEJAN VIDOVIĆ

74

PRIMJENA FREKVENCIJSKOG REGULATORA ALTIVAR 71 U UPRAVLJANJU BRZINOM ASINHRONOG MOTORA

6. Literatura 1. www.mikroe.com 2. M. Radivojević, Frekvencijsko upravljanje pretvaračem Omron serije JM, diplomski rad, Banja Luka, 2000. 3.www.ccd.uns.ac.rs 4. V. Vučković, Električni pogoni, Beograd, 1997. 5. www.schneider-electric.rs 6. Uputstva, proizvođački katalozi i internet stranica Schneider Electric 7. www.schneider-electric.hr 8. www.icm.rs 9. www.fer.hr

DEJAN VIDOVIĆ

75