Dodavatelé zařízení pro zpětnou vazbu energie připomínají, že vzhledem ke složitým charakteristikám přenosu elektrické energie pracují elektromotory často v obou směrech, často v režimu přetížení a s neustálým přepínáním mezi elektrickým provozem a brzděním. Důležitá je také jejich bezpečnost a spolehlivost. Technologie frekvenční přeměny střídavých motorů se stala stále sofistikovanější a použití frekvenčních měničů pro regulaci otáček asynchronních střídavých motorů se stalo nejdůležitější technologií pro úsporu energie.
Regulace rychlosti s využitím komunikace se vyvinula z regulace rychlosti pomocí statorového napětí, regulace rychlosti sériového zapojení pólů vinutého rotoru, regulace rychlosti pomocí elektromagnetické kluzné spojky v 70. letech 20. století až po regulaci rychlosti s proměnnou frekvencí v 80. letech 20. století a různé technologie dosáhly praktické fáze. S rostoucí spolehlivostí a nižší cenou regulace rychlosti střídavým proudem se nahrazení regulace rychlosti stejnosměrným proudem stalo nevyhnutelným trendem.
1. Frekvenční měnič a úspora energie
Při regulaci otáček pod základní frekvencí asynchronních motorů se obvykle používá metoda řízení s konstantním poměrem napětí a frekvence a kompenzací úbytku statorového napětí. Pokud se otáčky regulují nad základní frekvencí, obvykle se používá metoda řízení s konstantním napětím a proměnnou frekvencí. Kombinací výše uvedených dvou situací lze dosáhnout charakteristik řízení otáček s proměnným napětím a proměnnou frekvencí asynchronních motorů. V souladu s algoritmem DIT, pokud je x(n) v časové doméně rozloženo do dvou skupin, pak ve frekvenční doméně X(k) vytvoří liché a sudé vzorkovací skupiny, čímž se vytvoří další běžně používaná struktura FFT nazývaná algoritmus vzorkování FFT ve frekvenční doméně (DIF-FFT). Jak jej poprvé navrhli Sande a Turky, je také běžně známý jako algoritmus Sande-Turky.
Brzdný obvod v univerzálním frekvenčním měniči je navržen tak, aby splňoval požadavky na brzdění asynchronních motorů. V systému s frekvenčním měničem lze pro zpomalení a zastavení asynchronního motoru použít metodu postupného snižování výstupní frekvence univerzálního frekvenčního měniče, čímž se dosáhne cíle zpomalení motoru. Během procesu zpomalování asynchronního motoru se v důsledku nižší synchronní rychlosti než skutečné rychlosti asynchronního motoru fáze rotorového proudu obrátí, což způsobí, že asynchronní motor generuje brzdný moment, tj. je v rekuperačním brzdném stavu. U univerzálních frekvenčních měničů s velkou a střední kapacitou se pro úsporu energie obvykle používá rekuperační jednotka, která zpětně přivádí výše uvedenou energii do zdroje napájení. U univerzálních frekvenčních měničů s malou kapacitou se obvykle používá brzdný obvod, který spotřebovává zpětnou vazbu energie z asynchronního motoru v brzdovém obvodu. Ve strojírenství zahrnuje zpracování rekuperační brzdné energie obecně metody, jako je ukládání, zpětná vazba do elektrické sítě a odporové vybíjení, v závislosti na kapacitě a scénářích použití obecných frekvenčních měničů.
2. Aplikace technologie regulace otáček s proměnnou frekvencí v automatizovaném řízení elektrotechniky
2.1. Charakteristiky regulace otáček s proměnnou frekvencí
Všechna zařízení Cyclone II používají 300mm destičky a jsou vyráběna na základě 90nm procesů TSMC s nízkým K, aby byla zajištěna vysoká rychlost a nízká cena. Díky použití minimalizovaných křemíkových oblastí mohou zařízení řady Cyclone II podporovat složité digitální systémy pouze s jedním čipem za cenu ekvivalentní specializovanému integrovanému obvodu. Vysoce výkonné univerzální frekvenční měniče mají několik hardwarových struktur pro splnění různých inženýrských potřeb: nezávislé frekvenční měniče, frekvenční měniče se společnou stejnosměrnou sběrnicí a frekvenční měniče s jednotkami energetické zpětné vazby. Nezávislý frekvenční měnič je typ frekvenčního měniče, který umisťuje usměrňovací jednotku a střídačovou jednotku do jednoho krytu. V současné době je to nejrozšířenější frekvenční měnič a obecně pohání pouze jeden elektromotor, používaný pro běžné průmyslové zátěže. Použitá konfigurační metoda je kombinací JTAG a AS, takže konfigurační obvod musí splňovat požadavky na konfiguraci AS i JTAG. Konfigurační čip využívá EPCS1. V souladu se specifickým způsobem připojení a charakteristikami pinů výše uvedené konfigurační metody. Při řízení zátěží, jako jsou výtahy, zdvihací zařízení a reverzibilní válcovací tratě, s vysoce výkonnými univerzálními frekvenčními měniči je vyžadován čtyřkvadrantový provoz, proto je nutné nakonfigurovat jednotku energetické zpětné vazby. Funkcí jednotky energetické zpětné vazby je zpětně dodávat do elektrické sítě regenerativní energii generovanou během brzdění elektromotoru.
2.2. Aplikace technologie regulace otáček s proměnnou frekvencí v průmyslové elektrotechnické automatizaci
(1) Adaptivní model motoru. Funkcí adaptivního modelu motoru je automatická identifikace základních parametrů motoru detekcí napětí a proudu přiváděného do motoru. Tento model motoru je klíčovou jednotkou pro přímé řízení momentu. Pro většinu průmyslových aplikací lze použít uzavřenou smyčku zpětné vazby otáček, pokud je přesnost řízení otáček větší než 0,5 %.
(2) Komparátor momentu a komparátor magnetického toku. Funkcí tohoto typu komparátoru je porovnávat hodnotu zpětné vazby s její referenční hodnotou každých 20 ms a pomocí dvoubodového hysterezního regulátoru vydávat stav momentu nebo magnetického pole.
(3) Selektor optimalizace pulzů. Pro zpracování informací jsme zvolili čip Cyclone II EP2C5Q208C8 a poté jsme navrhli implementaci zdroje signálu pro OFDM modulaci v FPGA. Napsali jsme obvod sestávající z pěti modulů, které implementují především mapování konstelací FFT, vkládání cyklického prefixu, modul vyrovnávací paměti a D/A funkcí, byl navržen zdroj signálu OFDM a funkce každého modulu byly simulovány a ověřeny. Nakonec byl dokončen zdroj signálu OFDM, včetně softwarové simulace a hardwarového ověření FPGA. Vzhledem k významné variabilitě kapacity elektrolytických kondenzátorů budou tyto vystaveny nerovnoměrnému napětí. Proto je ke každému kondenzátoru paralelně připojen rezistor pro vyrovnávání napětí se stejnou hodnotou odporu, aby se eliminoval vliv variability. Aby se zabránilo spálení nabíjecího proudu (rázového proudu) protékajícího kondenzátorem v usměrňovacím obvodu a způsobení dalších rázů při zapnutí napájení, jsou do paměťového obvodu přidána také opatření pro potlačení rázového proudu.
Úspora energie a snižování spotřeby jsou důležitými prostředky ke snížení výrobních nákladů a snižování nákladů je účinným prostředkem ke zvýšení konkurenceschopnosti produktů. Kromě přidávání těchto funkčních modulů je také nutné průběžně optimalizovat hotový návrh během procesu návrhu, dále zlepšovat výkon a šetřit zdroje, aby se dosáhlo celého systému v rámci jednoho čipu FPGA, dosáhlo se významných úspor energie a zlepšily se procesní podmínky.