sagedusmuundur, selle olemus, kasutamine

Sagedusmuundur

1. Elektromehaanilised täiturid. Sagedusmuundur Mehhatroonikaseadmete ja alamsüsteemide koostamine ja paigaldamine. Elektrilised täiturid 2023/ 202 4.õa Jelena Alifanova N- 2 1 Õppetöö : http://isc.ttu.ee Õppematerjalid : http://isc.ttu.ee/martin

2. T ööpõhimõte Sagedusmuundur ( frequency converter ) on tänapäeval kasutatavates elektriajamites põhi-komponendiks kiiruse reguleerimiseks . Traditsiooniliselt oli sagedusmuundur ette nähtud mootori toitepinge ja sageduse sujuvaks reguleerimiseks . Tänapäeval kujutab sagedusmuundur terviklikku ajamiplokki , mis sisaldab toitemuundurit , andureid , juhtseadet ning võimaldab juhtida elektrimootorit ja tema poolt käitavat töömasinat . Samuti on võrguliidese abil ajamit rakendada keerukates automaatjuhtimissüsteemides Tänapäeval kasutatakse erinevat tüüpi sagedusmuundureid , kõige enamasti alalisvoolu vahelüliga muundurit . Sagedusmuundur koosneb mittejuhitavast kolmefaasilisest alaldist , alalisvoolu vahelülist ning vaheldist .

3. Alaldi Alaldi ( rectifier ) koosneb kuuest dioodist ( iga faasi peale 2 dioodi ) ning on ette nähtud vahelduvvoolu muutmiseks alalisvooluks . Alaldi väljundis on pulseeriv alalisvool pingega U z , mis kolmefaasilise 400 V süsteemi puhul omab väärtust     U z =565 V. Kolmefaasilise mittejuhitava sildalaldi tööpõhimõte

4. Alalisvoolu vahelüli ( DC   link ) Alalisvoolu vahelüli ( DC   link ) koosneb omakorda kondensaatorist, käivitus- ja pidurdusahelast. Alalisvoolu vahelülis silutakse alalisvoolu pulsatsioonid ära kondensaatori abil. Kui muundur lülitatakse võrku tekkib kondensaatori laadumise tõttu väga suur vooluimpulss, mistõttu on alalisvoolu vahelülisse sisse ehitatud türistoriga juhitav pidurdusahel. Takisti piirab voolu väärtust, kondensaatorid laaduvad aeglasemalt ning ohutult. Kui kondensaatorid on laetud viiakse türistor kinnisesse olekusse ning takisti lühistatakse. Pidurdusahelat kasutatakse dünaamilisel pidurdamisel, et ära hajutada pidurdamisel vabanevat soojusenergiat. Pidurdusahel on juhitav transistoriga.  Sagedusmuunduri väljalülitamisel võib kondensaatorile jääda eluohtlik kõrgepinge veel kuni viieks minutiks, mistõttu tuleb olla eriti ettevaatlik äsja väljalülitatud seadmega.

5. Vaheldi Vaheldis ( inverter ) muundatakse alalisvool muutliku pinge ja sagedusega vahelduvvooluks. Vaheldi koosneb kuuest transistorist ja dioodidest. Muundurit juhitakse transistoride juhtimisega kasutades selleks pulsilaiusmodulatsiooni põhimõtet. Muunduri väljund on ühendatud mootori klemmidega. Pulsilaiusmodulatsioon  ( PWM ) ehk  impulsilaiusmodulatsioon  ehk  laiusimpulssmodulatsioon  on modulatsiooni liik, milles väljundpinge reguleerimiseks muudetakse impulsside laiust. Lühend  PWM  tuleb ingliskeelsest terminist  P ulse  W idth  M odulation .

6. Sagedusjuhtimine Üheks kõige levinumaks vahelduvvoolumootorite kiiruse reguleerimise viisidest on mootori sagedusjuhtimine ( frequency control ), kus mootori pinge antakse ette sageduse funktsioonina  f=f(f) . Kõige lihtsamal juhul hoitakse pinge ja sageduse suhe konstantsena U/f=const . See suhe tuleneb asjaolust, et sageduse kasvades suurenevad ka kaod mootori mähistes, mistõttu tuleb sagedusega  f  suurendada ka pinget  U . Asünkroonmootori pinge- sageduse juhtimise plokkskeem on toodud joonisel. Tärn (*) suuruste juures tähendab etteandesuurust. Sagedusjuhtimist nimetatakse ka skalaarjuhtimiseks või avatud ahelaga juhtimiseks ( Open loop control ), kuna sellisel süsteemil puudub tagaside, mistõttu sagedusmuundur ei teagi, kui kiiresti mootor tegelikult pöörleb ja kas üldse pöörleb. 

7. 87 Hz s agedus Sagedusjuhtimisega ajami põhisagedust võib mõnel juhul suurendada ka kuni 87 Hz, kui mootori nimisagedus on 50 Hz. Sagedusmuundur peab seda funktsiooni võimaldama. Kui 50 Hz puhul toidetakse mootorit pingega 230 V, siis 87 Hz puhul teguri  korda suurema pingega 400 V. See on võimalik ainult sellisel mootoril, mida võib kolmnurkühenduses toita pingega 400 V. Kui mootor staatorimähistega 230 / 400 V ( Δ / Y). Mähised peavad olema sellise režiimi jaoks sobivad. Enamike mootorisarjade puhul toodetakse suurema (üle 4 kW) võimsusega mootoreid ka suuremale toitepingele, nt 400 / 690 V. Nende masinate puhul pole võimalik rakendada põhisageduse suurenemist kuni 87 Hz. Suurendatud põhisagedusega ajamites kasutada vaid 230 / 400 V nimipingega mootoreid .

8. Sagedusjuhtimine Pinge ja sageduse võrdelisel suurendmisel 50 Hz kuni 87 Hz laieneb ka mootori konstantse momendiga tööpiirkond kuni 87 Hz ning mootori võimsus suureneb seejuures nimivõimsusega võrreldes kuni   korda. Pöörlemiskiiruse suurenemisel üle 87 Hz läheb ajam üle nõrgendatud väljatugevusega režiimi. Optimaalselt talitleva sagedusmuunduri korral, eriti kui töötatakse täispingel ja siinuselise vooluga, võib seda lubada ka lühiajalise ülekoormuse ( short- time duty ) puhul. Pöörlemiskiiruse suurenemisel paraneb ka mootori jahutus, mistõttu on püsitalitluses lubatud võimsus kuni 35 % võrra suurem, mis tähendab, et võib kasutada väiksema suurusastmega mootorit. Näiteks lubatakse mootorile võimsusega 3 kW kolmnurklülituses püsitalitluses sageduse 87 Hz puhul võimsust 4 kW (8). Elektrimootori talitlus 87 Hz režiimis

9. Pulsilaiusmodulatsioon Pulsilaiusmodulatsioon ( PWM  –  Pulse Width Modulation ) ühendab endas väljundi pinge ja sageduse juhtimist ning on tänapäeval rohkesti kasutatud vaheldite juhtimiseks. Pulsilaiusmodulatsiooni väljundiks on konstantse amplituudiga elektriliste impulsside jada, kus vajaliku kujuga signaali saamiseks muudetakse impulsside kestust (laiust) konstantse perioodi korral. Kaasaegsetes muundurites ulatub pulsilaiusmodulatsiooni sagedus mõnedest kilohertsidest (1 kHz = 10 3  Hz) mootorite juhtimisea kuni megahertsidesse (1 MHz = 10 6  Hz) mõningates muundurites. Pulsi laiusega reguleeritakse mõjuva pinge efektiivväärtust (vt. Joonis 2.22). Pulsi efektiivsus

10. Pulsilaiusmodulatsioon Siit järeldub, et mida pikem on lülituskestus (mida laiem on pulss), seda suurem on pinge efektiivväärtus perioodi jooksul. Pulsilaiusmodulatsiooni kasutatakse kolmefaasilise vahelduvpinge tekitamiseks. Selle tarvis on ühe siinusseade signaali asemel kasutatud kolm. Mida kõrgem on kandevsignaali (kolmnurksignaali) sagedus, seda rohkem sarnaneb väljundis siinuspinge ideaalsele sinusoidile. Seadesignaali (siinussignaali) sageduse reguleerimisega reguleeritakse väljundpinge sagedus. Sellise moodusega juhitakse asünkroon- ja sünkroonmootoreid.

11. Mootori momendi vahetu juhtimine Mootori momendi vahetu juhtimise ( DTC, direct torque control ) meetod juhib otseselt staatori voogu  Φ   ja momenti  M  ning ei vaja sisemisi vooluregulaatoreid ega pulsilaiusmodulatsiooni. Selle mooduse korral juhitakse vaheldi lüliteid vahetult mootori pinge ja voolu mõõtmise kvalitatiivse seaduse alusel. Staatori magnetvoog tuletatakse staatori pingest, momenti on aga magnetvoo ja mootori voolu produkt. Välja arvutatud voog ja moment võrreldakse nende etteandesuurustega ning juhul kui need erinevad lubatud tolerantsi võrra, siis vaheldi transistore juhitakse selliselt, et viia voog ja moment võimalikult kiiresti lubatud vahemikku.

12. Mootori momendi vahetu juhtimine Momendi vahetu juhtimise korral on kolmefaasilise asünkroonmootori juhtimine on avatud ahelaga juhtimine, mis sarnaneb alalisvoolu juhtimisele. Pulsilaiusmodulatsiooniga juhitavates ajamites juhitakse pinget ja sagedust, mis enne genereerimist läbivad paljusid matemaatilisi plokke kontrolleris. Kuna DTC puhul juhitakse otse mootorit momenti ja magnetvälja, mis ise sõltuvad mootori parameetritest, siis ei vaja selline süsteem lisaks pulsilaiusmodulatsiooniga töötavat  modulaatorit. Lisaks sellele võimaldab selline moodus juhtida momenti ilma tagasisideanduriteta. Üheks suureks eeliseks on võimalus juhtida mootorit väga väikestel sagedustel (alla 0,5 Hz) arendades samal ajal nimimomenti (ettevaatust mootori jahutus!). Ilma tagasisideta ajamites on pöörlemiskiiruse täpsus tavaliselt 10% mootori nimilibistusest, mis rahuldab 95 % tööstuses kasutatavate tööde nõudmisi. Momendi juhtimise puhul reageerib süsteem muutustele 1-2 ms jooksul, samas kui PWMiga juhitavate ajamite puhul on see 100 ms. Momendi juhtimisel on tagatud ka momendi lineaarsus, mis on eriti oluline täpsetes töödes, nagu paberikerimisrullides ( paper winders ). Üheks piiranguks on DTC meetodi kasutamine mitme mootori paralleelsel juhtimisel. Sellisel juhul ei ole juhtseadmel infot iga üksiku mootori oleku kohta, sellisel juhul on mõistlikum kasutada sagedusjuhtimist.

13. Sagedusmuunduri funktsioonid. Ajami käivitamine ja peatamine Käivitusmeetodi valikul määratakse juhtimiseks kasutatavate juhtlülitite tüüp ja otstarve. Kiirendus- ja aeglustusrampide kestused töökiirusele käivitamisel ja pidurdamisel on sätestatavad laias vahemikus sekundikümnendikest kuni kümnete minutiteni. Käivituse alghetkel rakendatavat sageduse väärtust nimetatakse stardi- ehk käivitussageduseks. Ajami peatumine võib toimuda kas vaba väljajooksu või aeglustusrambiga. Aeglustusrambi puhul aeglustatakse mootori kiirust sageduse vähendamisega kuni pidurdussageduseni ja rakendatakse seejärel dünaamilist pidurdust. Pidurduseks kasutatava alalispinge vaikeväärtus sõltub muunduri võimsusest ja on tavaliselt sätitav vahemikus 1…20%, kusjuures muunduri suurema võimsuse puhul valitakse väiksem pinge. Samuti saab valida dünaamilise pidurduse kestuse. Programmeeritavad kiirendus- ja aeglustusrampide, samuti dünaamilise pidurduse kestus Käivitamise ja pidurdamise rambid peavad olema valitud sobivalt mootori andmetega. Näiteks ei saa valida kiiret käivitust suure inertsimomendiga mootorile, kuna sellisel juhul oleks vaja arendada ajamil väga suurt momenti ja ka võimsust. See võib põhjustada muundurisse sisseehitatud kaitsete rakendumise ja mootori seiskumise.  Kui mootorit peatatakse vaba väljajooksuga, siis tuleb enne mootori taaskäivitamist oodata, kuni mootor on seisma jäänud, vastasel korral võib rakenduda sagedusmuundur. 

14. Sagedusmuunduri funktsioonid. Libistuse kompensatsioon Libistuse kompensatsioon ( slip compensation ) võimaldab parandada ajami dünaamilisi omadusi. Seda moodust kasutatakse suure jõudlusega asünkroonajamites, kus peamiseks eesmärgiks on kiiruse reguleerimine. Libistuse kompenseerimisel hoitakse mootori kiirus koormuse suurenemisel tema toitepinge sageduse suurendamisega konstantne. Libistuse kompenseerimine ei anna tulemust anduriteta süsteemides. Tavaliselt valitakse kompensatsiooni vahemikuks 0...5 %. Ülekompenseerimisel tekkib oht, et mootori töö muutub ebastabiilseks Libistuse kompensatsiooni põhimõte

15. Sagedusmuunduri funktsioonid. IR kompensatsioon IR kompensatsiooni kasutatakse staatoris tekkiva aktiivpingelangu Δ U kompenseerimiseks. IR kompensatsioon aitab tagada vajaliku magnetvoo tugevuse ning sellega mootori parema käivituse. Nagu on näha, ei alustata pinge- sageduse juhtimise puhul pinget suurendama nullist, vaid teatud pinge väärtusest Δ U = IR, mida kasutaja võib sättida 0...20 % piires. Staatori pingelangu (IR) kompensatsioon  ABB poolt soovituslikud IR kompensatsiooni väärtused 400V pöörlevatele masinatele 

16. Sagedusmuunduri funktsioonid. Mootori momendikompensatsioon Momendikompensatsiooni puhul võib sagedusmuundur sõltuvalt koormuse tüübist valida ka erineva kujuga kiirendusrambi. Kui koormus on pöörlemiskiirusega võrdeline, siis kasutatakse lineaarset rampi, samas kui koormus on pöörlemiskiirusga ruutvõrdeline, kasutatakse parabooli kujulist rampi. Mootori pöördemomendi automaatkompensatsiooni puhul vähendab sagedusmuundur mootori koormuse vähenemisel automaatselt tema toitepinget. Kompensatsiooni parameeterid sätitakse nimivoolu juures vahemikus 0…20 % nimipingest (tavaliselt 3…5 %). Kompensatsiooni liiga suure väärtuse puhul võib ajam minna mittestabiilseks ja rakenduda liigvoolukaitse. Momendi kompensatsioon, momendi automaatkompensatsioon