Los proveedores de dispositivos de retroalimentación de energía recuerdan que, debido a las complejas características de la transmisión de energía eléctrica, los motores eléctricos suelen operar tanto en sentido de avance como de retroceso, a menudo en estado de sobrecarga y alternando continuamente entre modo eléctrico y frenado. Su seguridad y fiabilidad también son cruciales. La tecnología de conversión de frecuencia de los motores de CA se ha vuelto cada vez más sofisticada, y el uso de convertidores de frecuencia para la regulación de la velocidad de los motores asíncronos de CA se ha convertido en la tecnología de ahorro energético más importante para la regulación de la velocidad del motor.
La regulación de velocidad de las comunicaciones ha evolucionado desde la regulación de voltaje del estator, la regulación de velocidad de polos en serie de rotor bobinado y la regulación de velocidad de embrague deslizante electromagnético en la década de 1970 hasta la regulación de velocidad de frecuencia variable en la década de 1980, y diversas tecnologías han alcanzado la práctica. Con la creciente fiabilidad y el menor precio de la regulación de velocidad de CA, la sustitución de la regulación de velocidad de CC se ha convertido en una tendencia inevitable.
1. Convertidor de frecuencia y conservación de energía
Al regular la velocidad por debajo de la frecuencia fundamental de los motores asíncronos, se suele adoptar un método de control con relación de frecuencia de voltaje constante y compensación de caída de tensión del estator; si la velocidad se ajusta por encima de la frecuencia fundamental, se suele adoptar el método de control de voltaje constante y frecuencia variable. Al combinar las dos situaciones anteriores, se pueden obtener las características de control de velocidad de voltaje y frecuencia variable de los motores asíncronos. En correspondencia con el algoritmo DIT, de acuerdo con el principio de simetría, si x (n) se descompone en dos grupos en el dominio del tiempo, entonces en el dominio de la frecuencia, X (k) formará grupos de muestreo pares-impares, formando otra estructura FFT comúnmente utilizada llamada algoritmo FFT de muestreo en el dominio de la frecuencia (DIF-FFT). Como fue propuesto por primera vez por Sande y Turky, también se conoce comúnmente como el algoritmo Sande Turky.
El circuito de frenado de un convertidor de frecuencia universal está diseñado para satisfacer las necesidades de frenado de los motores asíncronos. En el sistema de accionamiento de frecuencia variable, para frenar y detener el motor asíncrono, se puede utilizar el método de reducción gradual de la frecuencia de salida del convertidor de frecuencia universal para reducir la velocidad síncrona del motor, logrando así el objetivo de ralentizarlo. Durante la desaceleración del motor asíncrono, debido a que la velocidad síncrona es inferior a la velocidad real, la fase de la corriente del rotor se invierte, lo que provoca que el motor asíncrono genere par de frenado, es decir, en estado de frenado regenerativo. En convertidores de frecuencia universales de gran y mediana capacidad, para ahorrar energía, generalmente se utiliza una unidad de regeneración de energía para realimentar dicha energía a la fuente de alimentación. En convertidores de frecuencia universales de pequeña capacidad, se suele utilizar un circuito de frenado para consumir la realimentación de energía del motor asíncrono en el circuito de frenado. En ingeniería, el tratamiento de la energía de frenado regenerativo generalmente incluye métodos como el almacenamiento, la realimentación a la red eléctrica y la descarga resistiva, según la capacidad y los escenarios de aplicación de los convertidores de frecuencia generales.
2. Aplicación de la tecnología de control de velocidad de frecuencia variable en el control de automatización eléctrica
2.1. Características del control de velocidad de frecuencia variable
Todos los dispositivos Cyclone II utilizan obleas de 300 mm y se fabrican mediante procesos de baja k de 90 nm de TSMC para garantizar alta velocidad y bajo coste. Gracias al uso de regiones de silicio minimizadas, los dispositivos de la serie Cyclone II pueden soportar sistemas digitales complejos con un solo chip, a un coste equivalente al de un circuito integrado dedicado. Los convertidores de frecuencia universales de alto rendimiento cuentan con diversas estructuras de hardware para satisfacer diferentes necesidades de ingeniería: convertidores de frecuencia independientes, convertidores de frecuencia de bus de CC común y convertidores de frecuencia con unidades de realimentación de energía. El convertidor de frecuencia independiente es un tipo de convertidor de frecuencia que integra la unidad rectificadora y la unidad inversora en una sola carcasa. Actualmente, es el convertidor de frecuencia más utilizado y, por lo general, solo acciona un motor eléctrico para cargas industriales generales. El método de configuración empleado combina JTAG y AS, por lo que el circuito de configuración debe cumplir con los requisitos de configuración tanto de AS como de JTAG. El chip de configuración adopta EPCS1. Según el método de conexión específico y las características de los pines del método de configuración mencionado anteriormente. Al accionar cargas como ascensores, montacargas y laminadores reversibles con convertidores de frecuencia universales de alto rendimiento, se requiere un funcionamiento en cuatro cuadrantes, por lo que se debe configurar una unidad de realimentación de energía. La función de esta unidad es realimentar a la red eléctrica la energía regenerativa generada durante el frenado del motor eléctrico.
2.2. Aplicación de la tecnología de control de velocidad de frecuencia variable en el control de la automatización eléctrica industrial
(1) Unidad de modelado de motor adaptativo. Su función es identificar automáticamente los parámetros básicos del motor mediante la detección de la tensión y la corriente de entrada. Este modelo de motor es clave para el control directo de par. En la mayoría de las aplicaciones industriales, si la precisión del control de velocidad es superior al 0,5 %, se puede utilizar la retroalimentación de velocidad de lazo cerrado.
(2) Comparador de par y comparador de flujo magnético. La función de este tipo de comparador es comparar el valor de retroalimentación con su valor de referencia cada 20 ms y generar el estado del par o del campo magnético mediante un regulador de histéresis de dos puntos.
(3) Selector de optimización de pulsos. Se seleccionó el chip Cyclone II EP2C5Q208C8 para procesar la información y, a continuación, se diseñó la implementación FPGA de la fuente de señal para la modulación OFDM. Se desarrolló un circuito compuesto por cinco módulos, que implementan principalmente la FFT de mapeo de constelación, la inserción de prefijo cíclico, el módulo de búfer y las funciones D/A. Se diseñó una fuente de señal OFDM y se simularon y verificaron las funciones de cada módulo. Finalmente, se completó la fuente de señal OFDM, incluyendo la simulación por software y la verificación del hardware FPGA. Debido a la gran variabilidad en la capacidad de los condensadores electrolíticos, estos experimentan tensiones desiguales. Por lo tanto, se conecta en paralelo a cada condensador una resistencia de ecualización de tensión con el mismo valor de resistencia para eliminar la influencia de la variabilidad. Para evitar que la corriente de carga (sobrecorriente) que fluye a través del condensador queme el circuito rectificador y cause otros impactos al encender la alimentación, también se incorporan medidas para suprimir la sobrecorriente al circuito de almacenamiento.
La conservación de energía y la reducción del consumo son medidas importantes para reducir los costos de producción, y la reducción de costos es un medio eficaz para mejorar la competitividad del producto. Además de añadir estos módulos funcionales, también es necesario optimizar continuamente el diseño final durante el proceso de diseño, mejorar aún más el rendimiento y ahorrar recursos para integrar todo el sistema en un solo chip FPGA, lograr un ahorro energético significativo y optimizar las condiciones del proceso.