I fornitori di dispositivi di feedback energetico ricordano che, a causa delle complesse caratteristiche della trasmissione di energia elettrica, i motori elettrici funzionano spesso sia in avanti che indietro, spesso in stato di sovraccarico e con una continua commutazione tra funzionamento elettrico e frenante; anche la sicurezza e l'affidabilità sono cruciali. La tecnologia di conversione di frequenza dei motori a corrente alternata (CA) è diventata sempre più sofisticata e l'uso di convertitori di frequenza per la regolazione della velocità dei motori asincroni a corrente alternata è diventata la tecnologia di risparmio energetico più importante per la regolazione della velocità dei motori.
La regolazione della velocità di comunicazione si è evoluta dalla regolazione della tensione dello statore, dalla regolazione della velocità dei poli in serie del rotore avvolto, dalla regolazione della velocità con frizione elettromagnetica a slittamento negli anni '70 alla regolazione della velocità a frequenza variabile negli anni '80, e diverse tecnologie hanno raggiunto la fase pratica. Con la crescente affidabilità e il minor costo della regolazione della velocità in corrente alternata, la sostituzione della regolazione della velocità in corrente continua è diventata una tendenza inevitabile.
1. Convertitore di frequenza e risparmio energetico
Quando si regola la velocità al di sotto della frequenza fondamentale dei motori asincroni, si adotta solitamente un metodo di controllo con rapporto frequenza-tensione costante e compensazione della caduta di tensione dello statore; se la velocità viene regolata al di sopra della frequenza fondamentale, si adotta solitamente il metodo di controllo a tensione costante e frequenza variabile. Combinando le due situazioni sopra descritte, è possibile ottenere le caratteristiche di controllo della velocità a tensione e frequenza variabili dei motori asincroni. Corrispondentemente all'algoritmo DIT, secondo il principio di simmetria, se x(n) viene scomposto in due gruppi nel dominio del tempo, allora nel dominio della frequenza, X(k) formerà gruppi di campionamento pari e dispari, formando un'altra struttura FFT comunemente utilizzata chiamata algoritmo di campionamento FFT nel dominio della frequenza (DIF-FFT). Essendo stato proposto per la prima volta da Sande e Turky, è anche comunemente noto come algoritmo di Sande e Turky.
Il circuito frenante di un convertitore di frequenza universale è progettato per soddisfare le esigenze di frenatura dei motori asincroni. Nel sistema di azionamento a frequenza variabile, per rallentare e arrestare il motore asincrono, è possibile utilizzare il metodo di riduzione graduale della frequenza di uscita del convertitore di frequenza universale per ridurre la velocità sincrona del motore asincrono, ottenendo così l'obiettivo di rallentarlo. Durante il processo di decelerazione del motore asincrono, poiché la velocità sincrona è inferiore alla velocità effettiva del motore asincrono, la fase della corrente del rotore verrà invertita, facendo sì che il motore asincrono generi coppia frenante, ovvero in uno stato di frenata rigenerativa. Per i convertitori di frequenza universali di grande e media capacità, al fine di risparmiare energia, viene generalmente utilizzata un'unità di rigenerazione di potenza per restituire l'energia suddetta all'alimentazione. Per i convertitori di frequenza universali di piccola capacità, viene solitamente utilizzato un circuito frenante per assorbire l'energia di retroazione del motore asincrono nel circuito frenante. In ingegneria, il trattamento dell'energia di frenata rigenerativa generalmente include metodi quali l'accumulo, il feedback alla rete elettrica e la scarica di resistenza, a seconda della capacità e degli scenari applicativi dei convertitori di frequenza generali.
2. Applicazione della tecnologia di controllo della velocità a frequenza variabile nel controllo dell'automazione elettrica
2.1. Caratteristiche del controllo della velocità a frequenza variabile
Tutti i dispositivi Cyclone II utilizzano wafer da 300 mm e sono realizzati con processi TSMC a 90 nm e bassa impedenza K per garantire alta velocità e costi contenuti. Grazie all'utilizzo di regioni di silicio ridotte al minimo, i dispositivi della serie Cyclone II possono supportare sistemi digitali complessi con un solo chip, a un costo equivalente a quello di un circuito integrato dedicato. I convertitori di frequenza universali ad alte prestazioni presentano diverse strutture hardware per soddisfare diverse esigenze ingegneristiche: convertitori di frequenza indipendenti, convertitori di frequenza a bus CC comune e convertitori di frequenza con unità di retroazione energetica. Il convertitore di frequenza indipendente è un tipo di convertitore di frequenza che colloca l'unità raddrizzatore e l'unità inverter in un unico involucro. È attualmente il convertitore di frequenza più utilizzato e generalmente aziona un solo motore elettrico, utilizzato per carichi industriali generici. Il metodo di configurazione utilizzato è una combinazione di JTAG e AS, quindi il circuito di configurazione deve soddisfare i requisiti di configurazione AS e JTAG. Il chip di configurazione adotta EPCS1. In base al metodo di connessione specifico e alle caratteristiche dei pin del metodo di configurazione sopra menzionato. Quando si azionano carichi come ascensori, montacarichi e laminatoi reversibili con convertitori di frequenza universali ad alte prestazioni, è richiesto il funzionamento a quattro quadranti, pertanto è necessario configurare un'unità di retroazione energetica. La funzione dell'unità di retroazione energetica è quella di restituire alla rete elettrica l'energia rigenerativa generata durante la frenata del motore elettrico.
2.2. Applicazione della tecnologia di controllo della velocità a frequenza variabile nel controllo dell'automazione elettrica industriale
(1) Unità modello motore adattivo. La funzione dell'unità modello motore adattivo è quella di identificare automaticamente i parametri di base del motore rilevando la tensione e la corrente in ingresso al motore. Questo modello motore è un'unità chiave per il controllo diretto della coppia. Per la maggior parte delle applicazioni industriali, se la precisione del controllo della velocità è superiore allo 0,5%, è possibile utilizzare il feedback di velocità in anello chiuso.
(2) Comparatore di coppia e comparatore di flusso magnetico. La funzione di questo tipo di comparatore è quella di confrontare il valore di feedback con il suo valore di riferimento ogni 20 ms e di fornire in uscita lo stato della coppia o del campo magnetico utilizzando un regolatore di isteresi a due punti.
(3) Selettore di ottimizzazione degli impulsi. Abbiamo selezionato il chip Cyclone II EP2C5Q208C8 per l'elaborazione delle informazioni e quindi progettato l'implementazione FPGA della sorgente del segnale per la modulazione OFDM. Abbiamo scritto un circuito composto da cinque moduli, che implementa principalmente la mappatura FFT della costellazione. Inserendo il prefisso ciclico, il modulo buffer e le funzioni D/A, è stata progettata una sorgente del segnale OFDM e le funzioni di ciascun modulo sono state simulate e verificate. Infine, la sorgente del segnale OFDM è stata completata, inclusa la simulazione software e la verifica hardware FPGA. A causa della significativa variabilità nella capacità dei condensatori elettrolitici, questi saranno soggetti a tensioni non uniformi. Pertanto, un resistore di equalizzazione della tensione con valore di resistenza uguale è collegato in parallelo a ciascun condensatore per eliminare l'influenza della variabilità. Per evitare che la corrente di carica (corrente di picco) che scorre attraverso il condensatore bruci il circuito raddrizzatore e causi altri impatti all'accensione, sono state aggiunte anche misure per sopprimere la corrente di picco al circuito di accumulo.
Il risparmio energetico e la riduzione dei consumi sono strumenti importanti per ridurre i costi di produzione, e la riduzione dei costi è un mezzo efficace per migliorare la competitività del prodotto. Oltre all'aggiunta di questi moduli funzionali, è anche necessario ottimizzare costantemente il progetto completo durante il processo di progettazione, migliorare ulteriormente le prestazioni e risparmiare risorse, al fine di realizzare l'intero sistema all'interno di un unico chip FPGA, ottenere significativi effetti di risparmio energetico e migliorare le condizioni di processo.