Anbieter von Energierückkopplungssystemen weisen darauf hin, dass Elektromotoren aufgrund der komplexen Eigenschaften der elektrischen Energieübertragung häufig sowohl vorwärts als auch rückwärts laufen, oft im Überlastbetrieb und mit ständigem Wechsel zwischen elektrischem Betrieb und Bremsbetrieb. Ihre Sicherheit und Zuverlässigkeit sind daher von entscheidender Bedeutung. Die Frequenzumrichtertechnologie für Wechselstrommotoren ist zunehmend ausgereift, und der Einsatz von Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung von Asynchron-Wechselstrommotoren hat sich zur wichtigsten energiesparenden Technologie für die Motordrehzahlregelung entwickelt.
Die Drehzahlregelung in Kommunikationsmaschinen hat sich von der Statorspannungsregelung über die Drehzahlregelung mit gewickelten Rotorpolen und die Drehzahlregelung mit elektromagnetischen Rutschkupplungen in den 1970er Jahren bis hin zur Drehzahlregelung mit variabler Frequenz in den 1980er Jahren weiterentwickelt, und verschiedene Technologien haben mittlerweile den praktischen Einsatz erreicht. Angesichts der zunehmenden Zuverlässigkeit und der sinkenden Kosten der Wechselstrom-Drehzahlregelung ist deren Ablösung durch die Gleichstrom-Drehzahlregelung unausweichlich geworden.
1. Frequenzumrichter und Energieeinsparung
Bei der Drehzahlregelung von Asynchronmotoren unterhalb ihrer Grundfrequenz wird üblicherweise ein Regelungsverfahren mit konstantem Spannungs-Frequenz-Verhältnis und Statorspannungsabfallkompensation eingesetzt. Bei Drehzahlregelungen oberhalb der Grundfrequenz kommt hingegen meist ein Regelungsverfahren mit konstanter Spannung und variabler Frequenz zum Einsatz. Durch die Kombination beider Verfahren lassen sich die Drehzahlregelungseigenschaften von Asynchronmotoren mit variabler Spannung und variabler Frequenz erzielen. Entsprechend dem DIT-Algorithmus und dem Symmetrieprinzip werden bei der Zerlegung von x(n) in zwei Gruppen im Zeitbereich im Frequenzbereich gerade und ungerade Abtastgruppen von X(k) gebildet. Dies führt zu einer weiteren häufig verwendeten FFT-Struktur, dem sogenannten Frequenzbereich-Abtast-FFT-Algorithmus (DIF-FFT). Da dieser Algorithmus erstmals von Sande und Turky vorgeschlagen wurde, ist er auch als Sande-Turky-Algorithmus bekannt.
Der Bremskreis eines Universal-Frequenzumrichters ist für die Bremsanforderungen von Asynchronmotoren ausgelegt. In einem Frequenzumrichtersystem kann die Ausgangsfrequenz des Universal-Frequenzumrichters schrittweise reduziert werden, um den Asynchronmotor zu verlangsamen und anzuhalten. Dadurch wird die Synchrondrehzahl des Asynchronmotors gesenkt und somit das gewünschte Bremsverhalten erreicht. Während des Bremsvorgangs kehrt sich aufgrund der niedrigeren Synchrondrehzahl im Vergleich zur tatsächlichen Motordrehzahl die Phase des Rotorstroms um. Dies führt dazu, dass der Asynchronmotor ein Bremsmoment erzeugt und somit in den regenerativen Bremszustand gerät. Bei Universal-Frequenzumrichtern mit großer und mittlerer Leistung wird zur Energieeinsparung üblicherweise eine Energierückgewinnungseinheit eingesetzt, die diese Energie in das Stromnetz zurückspeist. Bei Universal-Frequenzumrichtern mit kleiner Leistung wird üblicherweise ein Bremskreis verwendet, der die vom Asynchronmotor zurückgespeiste Energie nutzt. In der Technik umfasst die Aufbereitung von Bremsenergie im Allgemeinen Methoden wie Speicherung, Rückspeisung in das Stromnetz und Widerstandsentladung, abhängig von der Kapazität und den Anwendungsszenarien der Frequenzumrichter.
2. Anwendung der Drehzahlregelungstechnik mit variabler Frequenz in der elektrischen Automatisierungstechnik
2.1. Merkmale der Drehzahlregelung mit variabler Frequenz
Alle Cyclone II-Bausteine verwenden 300-mm-Wafer und werden im TSMC 90-nm-Low-k-Verfahren gefertigt, um hohe Geschwindigkeit und niedrige Kosten zu gewährleisten. Dank minimierter Siliziumflächen unterstützen die Bausteine der Cyclone II-Serie komplexe digitale Systeme mit nur einem Chip – zu Kosten, die denen eines dedizierten integrierten Schaltkreises entsprechen. Hochleistungsfähige Universal-Frequenzumrichter sind in verschiedenen Hardware-Strukturen für unterschiedliche technische Anforderungen erhältlich: unabhängige Frequenzumrichter, Frequenzumrichter mit gemeinsamem DC-Bus und Frequenzumrichter mit Energierückkopplung. Der unabhängige Frequenzumrichter integriert Gleichrichter und Wechselrichter in einem gemeinsamen Gehäuse. Er ist derzeit der am weitesten verbreitete Frequenzumrichter und treibt in der Regel nur einen Elektromotor für allgemeine industrielle Lasten an. Die Konfiguration erfolgt über eine Kombination aus JTAG und AS, daher muss die Konfigurationsschaltung die Anforderungen beider Schnittstellen erfüllen. Der Konfigurationschip ist ein EPCS1. Die spezifische Anschlussmethode und Pin-Belegung der oben genannten Konfigurationsmethode sind zu beachten. Beim Betrieb von Lasten wie Aufzügen, Hebebühnen und reversiblen Walzwerken mit Hochleistungs-Universalfrequenzumrichtern ist ein Vierquadrantenbetrieb erforderlich, weshalb eine Energierückführungseinheit konfiguriert werden muss. Diese Einheit speist die beim Bremsen des Elektromotors erzeugte Rückgewinnungsenergie in das Stromnetz zurück.
2.2. Anwendung der Drehzahlregelungstechnik mit variabler Frequenz in der industriellen elektrischen Automatisierungssteuerung
(1) Adaptive Motormodellierungseinheit. Die adaptive Motormodellierungseinheit dient der automatischen Ermittlung der grundlegenden Motorparameter durch Erfassung der Eingangsspannung und des Eingangsstroms. Dieses Motormodell ist eine Schlüsselkomponente der direkten Drehmomentregelung. Für die meisten industriellen Anwendungen kann bei einer Drehzahlregelungsgenauigkeit von über 0,5 % eine Drehzahlrückführung im geschlossenen Regelkreis eingesetzt werden.
(2) Drehmoment- und Magnetflusskomparator. Die Funktion dieses Komparators besteht darin, den Rückkopplungswert alle 20 ms mit seinem Referenzwert zu vergleichen und den Zustand des Drehmoments oder des Magnetfelds mithilfe eines Zweipunkt-Hysteresereglers auszugeben.
(3) Pulsoptimierungsselektor. Wir wählten den Cyclone II EP2C5Q208C8-Chip zur Informationsverarbeitung und entwarfen anschließend die FPGA-Implementierung der Signalquelle für die OFDM-Modulation. Wir entwickelten eine Schaltung aus fünf Modulen, die im Wesentlichen die Konstellationsabbildungs-FFT, das Einfügen eines zyklischen Präfixes, ein Puffermodul und D/A-Wandlerfunktionen implementiert. So wurde eine OFDM-Signalquelle entworfen und die Funktionen jedes Moduls simuliert und verifiziert. Abschließend wurde die OFDM-Signalquelle inklusive Softwaresimulation und FPGA-Hardwareverifizierung fertiggestellt. Aufgrund der erheblichen Kapazitätsschwankungen von Elektrolytkondensatoren treten ungleiche Spannungen auf. Daher ist zu jedem Kondensator ein Spannungsausgleichswiderstand mit gleichem Widerstandswert parallel geschaltet, um den Einfluss dieser Schwankungen zu eliminieren. Um zu verhindern, dass der Ladestrom (Einschaltstrom) beim Einschalten durch den Kondensator die Gleichrichterschaltung durchbrennt und andere Schäden verursacht, wurden Maßnahmen zur Unterdrückung des Einschaltstroms in die Speicherschaltung integriert.
Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung sind wichtige Mittel zur Senkung der Produktionskosten, und Kostensenkung ist ein effektives Mittel zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von Produkten. Neben der Integration dieser Funktionsmodule ist es notwendig, das fertige Design während des Entwicklungsprozesses kontinuierlich zu optimieren, die Leistung weiter zu verbessern und Ressourcen zu schonen. Ziel ist es, das gesamte System auf einem einzigen FPGA-Chip zu realisieren, signifikante Energieeinsparungen zu erzielen und die Prozessbedingungen zu verbessern.