Dobavitelji naprav za povratno zanko o energiji vas opominjajo, da zaradi kompleksnih značilnosti prenosa električne energije elektromotorji pogosto delujejo tako v smeri naprej kot nazaj, pogosto v stanju preobremenitve in nenehnega preklapljanja med električnim pogonom in zaviranjem; ključnega pomena sta tudi varnost in zanesljivost. Tehnologija pretvorbe frekvence AC motorjev je postala vse bolj dovršena, uporaba frekvenčnih pretvornikov za regulacijo hitrosti asinhronih AC motorjev pa je postala najpomembnejša tehnologija za varčevanje z energijo pri regulaciji hitrosti motorja.
Regulacija hitrosti s komunikacijsko regulacijo se je razvila od regulacije hitrosti z regulacijo napetosti statorja, regulacije hitrosti serijskega pola rotorja, regulacije hitrosti z elektromagnetno drsno sklopko v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja do regulacije hitrosti s spremenljivo frekvenco v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, različne tehnologije pa so dosegle praktično fazo. Z naraščajočo zanesljivostjo in nižjo ceno regulacije hitrosti z izmeničnim tokom je nadomestitev regulacije hitrosti z enosmernim tokom postala neizogiben trend.
1. Frekvenčni pretvornik in varčevanje z energijo
Pri regulaciji hitrosti pod osnovno frekvenco asinhronih motorjev se običajno uporabi metoda krmiljenja s konstantnim razmerjem napetosti in frekvence in kompenzacijo padca napetosti statorja; če se hitrost nastavi nad osnovno frekvenco, se običajno uporabi metoda krmiljenja s konstantno napetostjo in spremenljivo frekvenco. Z združitvijo zgornjih dveh primerov je mogoče doseči karakteristike krmiljenja hitrosti asinhronih motorjev s spremenljivo napetostjo in spremenljivo frekvenco. V skladu z algoritmom DIT, če se x(n) v časovni domeni razdeli na dve skupini, bo X(k) v frekvenčni domeni tvoril lihe in sode skupine vzorčenja, ki tvorijo drugo pogosto uporabljeno strukturo FFT, imenovano algoritem vzorčenja v frekvenčni domeni FFT (DIF-FFT). Kot sta ga prva predlagala Sande in Turky, je splošno znan tudi kot algoritem Sande-Turky.
Zavorni tokokrog v univerzalnem frekvenčnem pretvorniku je zasnovan tako, da zadosti potrebam asinhronih motorjev po zaviranju. V sistemu s frekvenčno spremenljivo pogonsko močjo se za upočasnitev in zaustavitev asinhronega motorja lahko uporabi metoda postopnega zmanjševanja izhodne frekvence univerzalnega frekvenčnega pretvornika, s čimer se doseže namen upočasnitve motorja. Med procesom upočasnjevanja asinhronega motorja se zaradi nižje sinhrone hitrosti od dejanske hitrosti asinhronega motorja faza rotorskega toka obrne, zaradi česar asinhronski motor ustvari zavorni navor, torej je v regenerativnem zaviralnem stanju. Pri univerzalnih frekvenčnih pretvornikih z veliko in srednjo zmogljivostjo se za varčevanje z energijo običajno uporablja regeneracijska enota za vračanje zgoraj omenjene energije v napajanje. Pri univerzalnih frekvenčnih pretvornikih z majhno zmogljivostjo se zavorni tokokrog običajno uporablja za porabo povratne informacije o energiji asinhronega motorja v zavornem tokokrogu. V inženirstvu obdelava regenerativne zavorne energije običajno vključuje metode, kot so shranjevanje, povratna informacija v električno omrežje in uporovno praznjenje, odvisno od zmogljivosti in scenarijev uporabe splošnih frekvenčnih pretvornikov.
2. Uporaba tehnologije regulacije hitrosti s spremenljivo frekvenco v električni avtomatizaciji
2.1 Značilnosti regulacije hitrosti s spremenljivo frekvenco
Vse naprave Cyclone II uporabljajo 300 mm rezine in so izdelane na osnovi TSMC 90nm, nizko-K postopkov, kar zagotavlja visoko hitrost in nizke stroške. Zaradi uporabe zmanjšanih silicijevih regij lahko naprave serije Cyclone II podpirajo kompleksne digitalne sisteme z enim samim čipom, po ceni, ki je enakovredna namenskemu integriranemu vezju. Visokozmogljivi univerzalni frekvenčni pretvorniki imajo več strojnih struktur za zadovoljevanje različnih inženirskih potreb: neodvisni frekvenčni pretvorniki, frekvenčni pretvorniki s skupnim enosmernim vodilom in frekvenčni pretvorniki z enotami za povratno zanko energije. Neodvisni frekvenčni pretvornik je vrsta frekvenčnega pretvornika, ki usmerniško in razsmerniško enoto postavi v eno ohišje. Trenutno je najpogosteje uporabljen frekvenčni pretvornik in običajno poganja samo en elektromotor, ki se uporablja za splošne industrijske obremenitve. Uporabljena metoda konfiguracije je kombinacija JTAG in AS, zato mora konfiguracijsko vezje izpolnjevati zahteve konfiguracije AS in JTAG. Konfiguracijski čip uporablja EPCS1. V skladu s specifičnim načinom povezave in značilnostmi pinov zgoraj omenjene metode konfiguracije. Pri pogonu bremen, kot so dvigala, dvigala in reverzibilne valjarne z visokozmogljivimi univerzalnimi frekvenčnimi pretvorniki, je potrebno štirikvadrantno delovanje, zato je treba konfigurirati enoto za povratno zanko energije. Funkcija enote za povratno zanko energije je, da regenerativno energijo, ki nastane med zaviranjem elektromotorja, vrača v električno omrežje.
2.2. Uporaba tehnologije regulacije hitrosti s spremenljivo frekvenco v industrijski elektro avtomatizaciji
(1) Adaptivna modelna enota motorja. Funkcija adaptivne modelne enote motorja je samodejno prepoznavanje osnovnih parametrov motorja z zaznavanjem vhodne napetosti in toka na motorju. Ta model motorja je ključna enota za neposredno regulacijo navora. Za večino industrijskih aplikacij se lahko uporabi zaprtozančna povratna zanka o hitrosti, če je natančnost regulacije hitrosti večja od 0,5 %.
(2) Primerjalnik navora in primerjalnik magnetnega pretoka. Funkcija te vrste primerjalnika je, da vsakih 20 ms primerja vrednost povratne zveze z referenčno vrednostjo in s pomočjo dvotočkovnega histereznega regulatorja odda stanje navora ali magnetnega polja.
(3) Izbirnik optimizacije impulzov. Za obdelavo informacij smo izbrali čip Cyclone II EP2C5Q208C8 in nato zasnovali implementacijo FPGA vira signala za OFDM modulacijo. Napisali smo vezje, sestavljeno iz petih modulov, ki v glavnem izvajajo preslikavo konstelacij FFT, vstavljanje ciklične predpone, modula medpomnilnika in D/A funkcij, zasnovali smo vir signala OFDM ter simulirali in preverili funkcije vsakega modula. Nazadnje je bil vir signala OFDM dokončan, vključno s programsko simulacijo in preverjanjem strojne opreme FPGA. Zaradi znatne variabilnosti kapacitete elektrolitskih kondenzatorjev bodo ti izpostavljeni neenakim napetostim. Zato je bil vzporedno z vsakim kondenzatorjem priključen upor za izenačevanje napetosti z enako vrednostjo upornosti, da se odpravi vpliv variabilnosti. Da bi preprečili, da bi polnilni tok (prenapetostni tok), ki teče skozi kondenzator, pregorel usmerniško vezje in povzročil druge vplive ob vklopu napajanja, so bili v shranjevalno vezje dodani tudi ukrepi za dušenje prenapetostnega toka.
Varčevanje z energijo in zmanjšanje porabe sta pomembna sredstva za zmanjšanje proizvodnih stroškov, zmanjšanje stroškov pa je učinkovito sredstvo za povečanje konkurenčnosti izdelkov. Poleg dodajanja teh funkcionalnih modulov je treba med procesom načrtovanja nenehno optimizirati tudi dokončano zasnovo, dodatno izboljšati zmogljivost in prihraniti vire, da bi dosegli celoten sistem v enem samem čipu FPGA, dosegli znatne učinke varčevanja z energijo in izboljšali procesne pogoje.