Energian takaisinkytkentälaitteiden toimittajat muistuttavat, että sähkövoimansiirron monimutkaisten ominaisuuksien vuoksi sähkömoottorit toimivat usein sekä eteen- että taaksepäin, usein ylikuormitustilassa ja jatkuvassa vaihtamisessa sähköisen ja jarrutuksen välillä. Myös sen turvallisuus ja luotettavuus ovat ratkaisevan tärkeitä. Vaihtovirtamoottoreiden taajuusmuunnostekniikka on kehittynyt yhä kehittyneemmäksi, ja taajuusmuuttajien käyttö asynkronisten vaihtovirtamoottoreiden nopeuden säätöön on tullut tärkeimmäksi energiansäästötekniikaksi moottorin nopeuden säädössä.
Viestintänopeuden säätö on kehittynyt staattorijännitteen säätöön perustuvasta nopeuden säädöstä, roottorin sarjanapojen säätöön ja sähkömagneettiseen liukukytkimeen perustuvasta nopeuden säädöstä 1970-luvulla aina muuttuvataajuiseen nopeuden säätöön 1980-luvulla, ja useat teknologiat ovat saavuttaneet käytännön vaiheen. Vaihtovirtanopeuden säädön luotettavuuden lisääntyessä ja hinnan laskiessa tasavirtanopeuden säädön korvaamisesta on tullut väistämätön trendi.
1. Taajuusmuuttaja ja energiansäästö
Kun asynkronimoottoreiden nopeutta säädetään perustaajuuden alapuolella, käytetään yleensä vakiojännitteen ja muuttuvan taajuuden säätömenetelmää, jossa jännite ja staattorin jännitehäviö kompensoidaan. Jos nopeutta säädetään perustaajuuden yläpuolelle, käytetään yleensä vakiojännitteen ja muuttuvan taajuuden säätömenetelmää. Yhdistämällä nämä kaksi tilannetta voidaan saavuttaa asynkronimoottoreiden muuttuvan jännitteen ja muuttuvan taajuuden nopeussäätöominaisuudet. DIT-algoritmin mukaisesti symmetriaperiaatteen mukaisesti, jos x(n) jaetaan kahteen ryhmään aikatasossa, niin taajuustasossa X(k) muodostaa parittomia ja parillisia näytteenottoryhmiä, muodostaen toisen yleisesti käytetyn FFT-rakenteen, jota kutsutaan taajuusalueen näytteenotto-FFT (DIF-FFT) -algoritmiksi. Sande ja Turky ehdottivat sen ensimmäisenä, ja se tunnetaan myös nimellä Sande-Turkyn algoritmi.
Yleiskäyttöisen taajuusmuuttajan jarrutuspiiri on suunniteltu vastaamaan asynkronimoottoreiden jarrutustarpeisiin. Muuttuvataajuuskäyttöjärjestelmässä asynkronisen moottorin hidastamiseksi ja pysäyttämiseksi yleiskäyttöisen taajuusmuuttajan lähtötaajuuden asteittaista pienentämistä voidaan käyttää asynkronisen moottorin synkronisen nopeuden pienentämiseen, jolloin moottorin hidastaminen saavutetaan. Asynkronisen moottorin hidastusprosessin aikana, koska synkroninen nopeus on pienempi kuin asynkronisen moottorin todellinen nopeus, roottorin virran vaihe kääntyy, jolloin asynkroninen moottori tuottaa jarrutusmomentin eli regeneratiivisen jarrutuksen tilassa. Suurissa ja keskikokoisissa yleiskäyttöisissä taajuusmuuttajissa käytetään energian säästämiseksi yleensä tehon regenerointiyksikköä, joka syöttää edellä mainitun energian takaisin virtalähteeseen. Pienitehoisissa yleiskäyttöisissä taajuusmuuttajissa käytetään yleensä jarrutuspiiriä asynkronisen moottorin energian takaisinkytkennän kuluttamiseen jarrutuspiirissä. Tekniikassa regeneratiivisen jarrutusenergian käsittelyyn kuuluvat yleensä menetelmät, kuten varastointi, takaisinkytkentä sähköverkkoon ja vastuksen purkaminen, riippuen yleiskäyttöisten taajuusmuuttajien kapasiteetista ja käyttötilanteista.
2. Muuttuvan taajuuden nopeudensäätötekniikan soveltaminen sähköautomaation ohjauksessa
2.1. Muuttuvan taajuuden nopeudensäädön ominaisuudet
Kaikissa Cyclone II -laitteissa käytetään 300 mm:n kiekkoja ja ne valmistetaan TSMC:n 90 nm:n matalan K-arvon prosesseilla, mikä varmistaa suuren nopeuden ja alhaiset kustannukset. Minimoitujen piialueiden käytön ansiosta Cyclone II -sarjan laitteet voivat tukea monimutkaisia digitaalisia järjestelmiä vain yhdellä sirulla, ja kustannukset vastaavat erillistä integroitua piiriä. Korkean suorituskyvyn omaavissa yleiskäyttöisissä taajuusmuuttajissa on useita laitteistorakenteita erilaisten suunnittelutarpeiden täyttämiseksi: itsenäisiä taajuusmuuttajia, yhteisen tasavirtaväylän taajuusmuuttajia ja taajuusmuuttajia, joissa on energian takaisinkytkentäyksiköt. Itsenäinen taajuusmuuttaja on taajuusmuuttajatyyppi, jossa tasasuuntaajayksikkö ja invertteriyksikkö on sijoitettu yhteen koteloon. Se on tällä hetkellä yleisimmin käytetty taajuusmuuttaja ja yleensä käyttää vain yhtä sähkömoottoria, jota käytetään yleisiin teollisuuskuormiin. Käytetty konfigurointimenetelmä on JTAG:n ja AS:n yhdistelmä, joten konfigurointipiirin on täytettävä sekä AS- että JTAG-konfigurointivaatimukset. Konfigurointipiiri käyttää EPCS1:tä. Edellä mainitun konfigurointimenetelmän erityinen liitäntätapa ja nastaominaisuudet. Kun kuormia, kuten hissejä, nostolaitteita ja käännettäviä valssimyllyjä, käytetään tehokkailla yleiskäyttöisillä taajuusmuuttajilla, tarvitaan nelikvadranttikäyttöä, joten on konfiguroitava energian takaisinkytkentäyksikkö. Energian takaisinkytkentäyksikön tehtävänä on syöttää sähkömoottorin jarrutuksen aikana syntyvä regeneratiivinen energia takaisin sähköverkkoon.
2.2. Muuttuvan taajuuden nopeudensäätötekniikan soveltaminen teollisuuden sähköautomaatiossa
(1) Adaptiivinen moottorimalliyksikkö. Adaptiivisen moottorimalliyksikön tehtävänä on tunnistaa moottorin perusparametrit automaattisesti havaitsemalla moottoriin tuleva jännite ja virta. Tämä moottorimalli on keskeinen yksikkö suorassa vääntömomentin säädössä. Useimmissa teollisissa sovelluksissa, jos nopeuden säädön tarkkuus on yli 0,5 %, voidaan käyttää suljetun silmukan nopeuden takaisinkytkentää.
(2) Vääntömomentin ja magneettivuon vertailumittari. Tämän tyyppisen vertailumittarin tehtävänä on verrata takaisinkytkentäarvoa sen vertailuarvoon 20 ms:n välein ja tuottaa lähtönä vääntömomentin tai magneettikentän tilan käyttämällä kaksipistehystereesisäädintä.
(3) Pulssin optimoinnin valitsin. Valitsimme Cyclone II EP2C5Q208C8 -sirun tiedonkäsittelyyn ja suunnittelimme sitten FPGA-toteutuksen signaalilähteelle OFDM-modulointia varten. Kirjoitimme viidestä moduulista koostuvan piirin, joka toteutti pääasiassa konstellaatiokartoituksen FFT:tä, lisäsi syklisen etuliitteen, puskurimoduulin ja D/A-toiminnot. Suunnittelimme OFDM-signaalilähteen ja simuloimme ja varmensimme kunkin moduulin toiminnot. Lopuksi OFDM-signaalilähde viimeisteltiin, mukaan lukien ohjelmistosimulointi ja FPGA-laitteiston varmennus. Elektrolyyttikondensaattoreiden kapasitanssin merkittävän vaihtelun vuoksi niissä esiintyy epätasaisia jännitteitä. Siksi jokaisen kondensaattorin rinnalle on kytketty saman resistanssin omaava jännitteen tasausvastus vaihtelun vaikutuksen poistamiseksi. Jotta kondensaattorin läpi virtaava latausvirta (syöksyvirta) ei polttaisi tasasuuntaajapiiriä loppuun ja aiheuttaisi muita vaikutuksia virran kytkemisen yhteydessä, varastointipiiriin on lisätty myös toimenpiteitä syöksyvirran estämiseksi.
Energiansäästö ja kulutuksen vähentäminen ovat tärkeitä keinoja tuotantokustannusten alentamiseksi, ja kustannusten alentaminen on tehokas keino parantaa tuotteen kilpailukykyä. Näiden toiminnallisten moduulien lisäämisen lisäksi on myös välttämätöntä jatkuvasti optimoida valmista suunnittelua suunnitteluprosessin aikana, parantaa suorituskykyä ja säästää resursseja, jotta koko järjestelmä saadaan yhden FPGA-sirun sisälle, saavutetaan merkittäviä energiansäästövaikutuksia ja parannetaan prosessiolosuhteita.