53

Regulatori brzine vrtnje i elektro elementi pogona

UvodPronalaženje boljih načina upravljanja elektromotornim pogonima, njihove efi kasnosti, poboljšanje samog procesa kao i smanjenje volumena potrebnih elemenata za konačno rješenje pogona jedni su od glavnih zahtjeva uspješnosti projektiranja elektromotornog pogona. U tu svrhu je potrebno koristiti elemente koji omogućuju veliku fl eksibilnost, pospješuju rezultate i povećavaju kvalitetu samog pogona. Više od dvije trećine ukupno potrošene električne energije u svijetu troši se na pretvaranje u mehaničku energiju, a kao najpoznatiji takav pretvarač energije je elektromotor. Kako se razvojem tehnologije konstrukcija samog elektromotora nije bitnije promijenila tako se težnja za kvalitetnim upravljanjem elektromotornim pogonima prenijela na razvoj elektroničkih uređaja, frekvencijskih pretvarača i uređaja za meko upuštanje čime se jednim uređajem omogućuje potpuna kontrola nad radom elektromotora i elektromotornog pogona uz uštedu električne energije. Takvi elektromotorni pogoni omogućuju kompatibilnost s gotovo svakim upravljačkim sustavima, od najjednostavnijeg ventilatora do kompleksnijih višeosnih strojeva upravljanih modulima s PLC mogućnostima. Razvojem ovakvih upravljačkih elemenata sa tržišta su nestali različiti tipovi elektromotora, a u današnjim pogonima ostao je najzastupljeniji kavezni asinkroni elektromotor s tlačno lijevanim namotom rotora, koji se pokazao vrlo dobrim za upravljanje sa velikom mogućnošću regulacije brzine vrtnje uz zadržavanje dobrih energetskih pokazatelja koji karakteriziraju elektromotor uz najminimalnije održavanje koje zahtijeva takav tip elektromotora.

POGON ELEKTROMOTORA PREKO FREKVENCIJSKOG PRETVARAČAU takvim elektromotornim pogonima pored elektromotora bitan element je i frekvencijski pretvarač koji omogućava, uz regulaciju brzine vrtnje, i kontrolu karakteristika motora kod ubrzanja i zaustavljanja. U samom pretvaraču ugrađene su i zaštitne funkcije koje su u ranijim vremenima obavljali razni elektromehanički elementi (releji, sklopnici, bimetali…), te sklopovi koji omogućavaju upravljanje svim funkcijama uz mogućnost povezivanja s drugim procesima i raznim tipovima komunikacije. To su samo neke od osobina frekvencijskih pretvarača koje pospješuju fl eksibilnost i efi kasnost samih pogona uz značajno smanjenje potrebnih elemenata. Način upravljanja motorom i moguće funkcije ukazuju na kvalitetu samog frekvencijskog pretvarača a najčešće korištene vrste su: U/f upravljanje, vektorsko upravljanje, vektorsko upravljanje sa zatvorenom petljom.

Načini upravljanja• U/f upravljanje koristi linearnu promjenu napona i frekvencije ovisno o željenoj brzini vrtnje elektromotora.

Korištenjem ovog načina upravljanja, u svakom trenutku se zna koliki je napon na elektromotoru jer je linearan u odnosu na promjenu frekvencije kao što se može vidjeti na slikama. Ovaj način upravljanja je najjednostavniji, ne zahtijeva veliko poznavanje osobina samog elektromotora niti pogona. Iz izlazne karakteristike snage se također može vidjeti linearan porast snage od frekvencije 0Hz do nazivne (lomne) frekvencije fn. To je posljedica linearnog porasta amplitude i frekvencije napona elektromotora. Daljnim porastom frekvencije, snaga ostaje konstantna jer se napon ne povećava, već samo frekvencija. Tim područjem regulacije upravlja se "slabljenjem polja". Posljedica toga je drastičan pad izlaznog momenta elektromotora porastom frekvencije.

Ovisnost napona Ovisnost snage Ovisnost momenta

• Za vektorski način upravljanja frekvencijski pretvarač koristi podatke o elektromotoru: fazni otpor, induktivitet, faktor snage, a putem samopodešavanja dobiva informaciju i o struji magnetiziranja i to koristi za bolje upravljanje karakteristikama elektromotora te kompenzaciju klizanja brzine. Ovim načinom upravljanja moguće je ostvariti veći moment kod manjih brzina upravljanja (čak i do 200% nazivnog momenta kod frekvencije 0,5Hz) u odnosu na klasično U/f upravljanje. Samopodešavanje je funkcija pretvarača koju je potrebno izvoditi kod prvog pokretanja elektromotora i poželjno je da se izvodi bez opterećenja samog motora, sa rotacijom ili statički

54

Regulatori brzine vrtnje i elektro elementi pogona

• Vektorsko upravljanje sa zatvorenom petljom je u principu vektorsko upravljanje uz dodatak što se koristi povratna veza za brzinu odnosno položaj rotora elektromotora. Ti podaci služe za točniju informaciju o odazivu elektromotora na zadanu vrijednost brzine, a ulaze kao parametri za točan proračun potrebnih struja i napona na izlazu frekvencijskog pretvarača za dobivanje što boljih izlaznih karakteristika elektromotora. Brzina vrtnje je precizno određena ulaznim signalom i kontrolirana povratnom vezom. Koristi se vektorski način upravljanja s time da je ovaj precizniji zbog točne informacije o brzini vrtnje elektromotora, a ne proračunske. Pretvarači koji imaju mogućnost prihvata povratne veze po brzini su najčešće pretvarači koji se koriste i za regulaciju servo pogona i spadaju u gornji vrh po kvaliteti pretvarača.

Moguće funkcije frekvencijskih pretvarača• Izbor karakteristike zaleta Prema zahtjevima pogona moguće je izabrati jednu od karakteristika pretvarača pri

zaletu ili pri postupku zaustavljanja. To može biti linearna karakteristika podesiva po vremenu, S krivulja sa laganim startom velikim ubrzavanjem i postupnim podešavanjem na nazivnu brzinu vrtnje za pogone sa pozicioniranjem, pogone dizanja, transportere ili U karakteristika namijenjena za ventilatorske pogone. Sve ove funkcije podesive su u vremenskom intervalu. Ukoliko su zamašne mase pogonjenog stroja velike potrebno je produžiti vremena zaleta i usporavanja budući da u tim režimima rada može kod neadekvatno izabranog vremena pretvarač zaustaviti pogon uz grešku pretvarača. Ukoliko se to dešava kod postupka zaustavljanja, na pretvarač je potrebno spojiti dodatni vanjski otpornik koji će na sebe akumulirati energiju kod kočenja (generatorski režim rada motora) i omogućiti dinamiku pogona kod zaustavljanja.

• Izbor načina upravljanja frekvencijskim pretvaračem. Frekvencijski pretvarači imaju mogućnost upravljanja motorom koristeći tipkovnicu koja je prigrađena na pretvarač. Ona služi za upravljanje pokretanjem, omogućava kontinuiranu regulaciju brzine ugrađenim klasičnim potenciometrom ili elektroničkim potenciometrom, zaustavljanje, resetiranje pretvarača te za unos parametara u sam pretvarač. Također izborom određenih parametara moguće je promijeniti način upravljanja na način da se upravljanje obavlja analogno-digitalnim ulazima koji se nalaze na pretvaraču ili upravljanje preko komunikacijskog priključka. Korištenjem analognih ulaza i spajanjem na njih bilo vanjskog potenciometra sa naponskim ulazom ili nekim osjetilnikom sa strujnim izlazom 4-20mA moguće je automatizirati različite procese gdje je potrebno regulirati brzinu ovisno o npr. tlaku, temperaturi, vlazi...Također postoji mogućnost spajanja i dodatne vanjske tipkovnice koja se ugrađuje kraj radnog stroja, a frekvencijski pretvarač se ugrađuje u elektroormar na nekom izdvojenom mjestu. Brzine vrtnje motora moguće je podešavati i skokovito korištenjem digitalnih ulaza s unaprijed zadanim brzinama koje se unose tipkovnicom u pretvarač, a izbor se može obavljati sklopkama ili PLC modulom

• Monitoring elektromotornog pogona. Frekvencijski pretvarači imaju na sebi i analogno digitalne izlaze koji se mogu koristiti za praćenje rada pogona ili za signalizaciju uključenosti ili mjerenja pojedinih veličina elektromotora. Također pretvarači imaju u sebi set parametara kojim se omogućava pregled trenutne brzine, veličine struje koju uzima motor, opterećenja, sati rada pogona (trenutni i ukupni), popis grešaka koje su se pojavile u radu pogona.

• Mogućnost upravljanja elektromagnetskom kočnicom Kod pogona dizanja ili spuštanja tereta postoji mogućnost podešavanja rada kočnica čime se spriječava proklizavanje tereta kod podizanja odnosno zaustavljanja tereta. Velika primjena u dizaličnim i liftovskim pogonima

• Mogućnost upravljanja različitim motorima Za svaki motor koji se pogoni preko frekvencijskog pretvarača unose se karakteristične veličine za taj motor odnosno za željeni način upravljanja. Frekvencijski pretvarači imaju i mogućnost unošenja dva ili više seta parametara tako da se jednim pretvaračem može pogoniti i više različitih motora ali ne istovremeno. Ukoliko želimo pogoniti više identičnih motora jednim pretvaračem, motore spajamo preko termoreleja na izlaz pretvarača, a snaga pretvarača mora biti veća od ukupnog zbroja snaga pojedinačnih motora.

• Zaštitne funkcije Frekvencijski pretvarači imaju u sebi ugrađene slijedeće zaštitne funkcije: zaštita od gubitka faze na ulazu, zaštita od kratkog spoja na ulazu, zaštita od kratkog spoja na izlazu, zaštita od gubitka faze na izlazu, podesivi nivo preopterećenja na izlazu, mogućnost spajanja termičke zaštite iz motora (PTC sonda ili termoprotektor) direktno na pretvarač i kontrola zagrijavanja elektromotora, mogućnost korištenja ulaza za sigurnost kako bi se spriječilo pokretanje motora dok se nisu stekli potrebni uvjeti za njegov sigurni start.

Dodatna oprema:U pogonima gdje se koriste frekvencijski pretvarači nekad je potrebno zbog osjetljivosti ostale ugrađene opreme koristiti i elemente za smanjenje smetnji koje pretvarač može unijeti u sam elektroenergetski sustav, kao na primjer ulazni fi lteri i ulazne prigušnice. Također na izlazu pretvarača nekada će postojati potreba da se zbog duljine kablova do motora moraju koristiti i izlazni fi lteri i prigušnice. Sva ova oprema odabire se prema tipu i vrsti pretvarača i priključenog kabela.Kao dodatna oprema su i dodatne tipkovnice, za izdvojeno upravljanje pretvaračem, kartice ili moduli za prijenos parametara sa jednog pretvarača na ostale (istog tipa), komunikacijski kablovi za spoj sa računalom kako bi se parametriranje ili monitoring obavljao računalom, različiti moduli za razne tipove industrijskih mreža (Profi bus, interbus, CT Net…), različiti moduli za priključak inkrementalnih davača poput encodera i resolvera, moduli sa dodatnim analognim ili digitalnim ulazima i izlazima, programima za napredno parametriranje i programiranje pretvarača.

55

Regulatori brzine vrtnje i elektro elementi pogona

Pogon elektromotora frekvencijskim pretvaračemKorištenjem frekvencijskih pretvarača za upravljanje pogonom zahtijeva poznavanje karakteristika samog pogona, načina rješenja i primjenu. Za projektiranje je bitno znati odabrati elemente pogona ovisno o potrebama tereta. Jedan od bitnih parametara kod odabira odgovarajućeg elektromotora za pogon je raspon regulacije brzine. Na osnovu njega i podatka o snazi (momentu) tereta mogu se odabrati elementi pogona. Važan podatak kod projektiranja je i moment inercije tereta zbog potreba ostvarivanja dinamike cijelog sustava. Frekvencijski pretvarači imaju mogućnost odabira vremena ubrzanja odnosno usporavanja. Ukoliko su zahtijevana vremena manja od onih koje se mogu ostvariti odabranim pogonom, potrebno je promijeniti elemente s jačim koji bi mogli ostvariti zadane uvjete dinamike. Za brzo zaustavljanje vrtnje elektromotora pod punim teretom moguće je koristiti vanjske otpornike koji služe za odvođenje energije koja se vraća u frekvencijski pretvarač prilikom prelaska iz motorskog u generatorski režim rada elektromotora. To je moguće ukoliko frekvencijski pretvarač ima ugrađeni tiristor za kočenje kojim se uključuje vanjski otpornik paralelno istosmjernoj sabirnici samog pretvarača.

Pogon elektromotora preko frekvencijskog pretvarača opisan je vrstom pogona S9 kao pogon promjenjive brzine i promjenjivog momenta tereta kao što je vidljivo na slici. Iz grafa opterećenja vidljivo je da je teško predvidjeti točnu vrijednost nadtemperture namota elektromotora kao jednog od najbitnijih parametara za kontrolu odabira elektromotora za pogon.Zbog toga se za elektromotore koji su upravljani preko frekvencijskog pretvarača preporuča da uz uobičajenu prekostrujnu zaštitu imaju ugrađenu i termičku zaštitu (termosonde, termoprotektore ili sl.) u samim namotima kao zaštitne elemente koji isključuju pogon u slučaju pregrijavanja elektromotora. Ovisno o vrsti frekvencijskog pretvarača, navedena termička zaštita se može spojiti kao jedan od ulaznih signala ili kao jedan od uvjeta za uključenje vrtnje elektromotora.Strana ventilacija prigrađena na elektromotor omogućuje bolje hlađenje kod vrtnje elektromotora brzinama manjim od nazivne. U tom slučaju motor će se manje grijati i može se opteretiti s većim momentom nego kad ima vlastitu ventilaciju. To je korisno kod pogona gdje se često koristi vrtnja na manjim brzinama uz konstantni moment tereta (dizalice, dizala, pomična vrata,…).