تأمینکنندگان دستگاههای بازخورد انرژی به شما یادآوری میکنند که به دلیل ویژگیهای پیچیده انتقال توان الکتریکی، موتورهای الکتریکی اغلب در هر دو جهت رو به جلو و معکوس کار میکنند، اغلب در حالت کار بیش از حد و تعویض مداوم بین حالت الکتریکی و ترمز؛ ایمنی و قابلیت اطمینان آن نیز بسیار مهم است. فناوری تبدیل فرکانس موتورهای AC به طور فزایندهای پیچیده شده است و استفاده از مبدلهای فرکانس برای تنظیم سرعت موتور آسنکرون AC به مهمترین فناوری صرفهجویی در مصرف انرژی برای تنظیم سرعت موتور تبدیل شده است.
تنظیم سرعت ارتباطی از تنظیم سرعت با تنظیم ولتاژ استاتور، تنظیم سرعت قطب سری روتور سیمپیچشده، تنظیم سرعت کلاچ لغزشی الکترومغناطیسی در دهه ۱۹۷۰ به تنظیم سرعت فرکانس متغیر در دهه ۱۹۸۰ تکامل یافته است و فناوریهای مختلفی به مرحله عملی رسیدهاند. با افزایش قابلیت اطمینان و کاهش قیمت تنظیم سرعت AC، جایگزینی تنظیم سرعت DC به یک روند اجتنابناپذیر تبدیل شده است.
۱. مبدل فرکانس و صرفهجویی در مصرف انرژی
هنگام تنظیم سرعت زیر فرکانس اصلی موتورهای آسنکرون، معمولاً یک روش کنترل با نسبت فرکانس ولتاژ ثابت و جبران افت ولتاژ استاتور اتخاذ میشود. اگر سرعت بالاتر از فرکانس اصلی تنظیم شود، معمولاً روش کنترل ولتاژ ثابت و فرکانس متغیر اتخاذ میشود. با ترکیب دو حالت فوق، میتوان ویژگیهای کنترل سرعت ولتاژ متغیر و فرکانس متغیر موتورهای آسنکرون را بدست آورد. مطابق با الگوریتم DIT، طبق اصل تقارن، اگر x(n) در حوزه زمان به دو گروه تجزیه شود، در حوزه فرکانس، X(k) گروههای نمونهبرداری زوج فرد تشکیل میدهد و ساختار FFT رایج دیگری به نام الگوریتم نمونهبرداری حوزه فرکانس (DIF-FFT) را تشکیل میدهد. از آنجایی که این الگوریتم برای اولین بار توسط Sande و Turky پیشنهاد شد، معمولاً با نام الگوریتم Sande Turky نیز شناخته میشود.
مدار ترمز در مبدل فرکانس یونیورسال برای رفع نیازهای ترمز موتورهای آسنکرون طراحی شده است. در سیستم درایو فرکانس متغیر، به منظور کاهش سرعت و توقف موتور آسنکرون، میتوان از روش کاهش تدریجی فرکانس خروجی مبدل فرکانس یونیورسال برای کاهش سرعت سنکرون موتور آسنکرون استفاده کرد و از این طریق به هدف کاهش سرعت موتور دست یافت. در طول فرآیند کاهش سرعت موتور آسنکرون، به دلیل اینکه سرعت سنکرون کمتر از سرعت واقعی موتور آسنکرون است، فاز جریان روتور معکوس میشود و باعث میشود موتور آسنکرون گشتاور ترمزی تولید کند، یعنی در حالت ترمز احیاکننده. برای مبدلهای فرکانس یونیورسال با ظرفیت بزرگ و متوسط، به منظور صرفهجویی در انرژی، معمولاً از یک واحد احیاکننده توان برای بازگرداندن انرژی فوق به منبع تغذیه استفاده میشود. برای مبدلهای فرکانس یونیورسال با ظرفیت کوچک، معمولاً از یک مدار ترمز برای مصرف انرژی بازخوردی از موتور آسنکرون در مدار ترمز استفاده میشود. در مهندسی، تصفیه انرژی ترمز احیاکننده عموماً شامل روشهایی مانند ذخیرهسازی، بازخورد به شبکه برق و تخلیه مقاومت است که به ظرفیت و سناریوهای کاربردی مبدلهای فرکانس عمومی بستگی دارد.
۲. کاربرد فناوری کنترل سرعت فرکانس متغیر در کنترل اتوماسیون الکتریکی
۲.۱ ویژگیهای کنترل سرعت فرکانس متغیر
تمام دستگاههای Cyclone II از ویفرهای ۳۰۰ میلیمتری استفاده میکنند و بر اساس فرآیندهای TSMC 90nm و low-K ساخته میشوند تا سرعت بالا و هزینه کم را تضمین کنند. به دلیل استفاده از نواحی سیلیکونی به حداقل رسیده، دستگاههای سری Cyclone II میتوانند از سیستمهای دیجیتال پیچیده تنها با یک تراشه، با هزینهای معادل یک مدار مجتمع اختصاصی، پشتیبانی کنند. مبدلهای فرکانس جهانی با کارایی بالا دارای چندین ساختار سختافزاری برای برآورده کردن نیازهای مختلف مهندسی هستند: مبدلهای فرکانس مستقل، مبدلهای فرکانس باس DC مشترک و مبدلهای فرکانس با واحدهای بازخورد انرژی. مبدل فرکانس مستقل نوعی مبدل فرکانس است که واحد یکسوساز و واحد اینورتر را در یک محفظه واحد قرار میدهد. در حال حاضر پرکاربردترین مبدل فرکانس است و عموماً فقط یک موتور الکتریکی را هدایت میکند که برای بارهای صنعتی عمومی استفاده میشود. روش پیکربندی مورد استفاده ترکیبی از JTAG و AS است، بنابراین مدار پیکربندی باید الزامات پیکربندی AS و JTAG را برآورده کند. تراشه پیکربندی EPCS1 را اتخاذ میکند. طبق روش اتصال خاص و ویژگیهای پین روش پیکربندی ذکر شده در بالا. هنگام راهاندازی بارهایی مانند آسانسورها، بالابرها و نوردهای برگشتپذیر با مبدلهای فرکانس جهانی با کارایی بالا، عملکرد چهار ربع مورد نیاز است، بنابراین باید یک واحد بازخورد انرژی پیکربندی شود. عملکرد واحد بازخورد انرژی، بازگرداندن انرژی احیاکننده تولید شده در هنگام ترمز موتور الکتریکی به شبکه برق است.
۲.۲ کاربرد فناوری کنترل سرعت فرکانس متغیر در کنترل اتوماسیون برق صنعتی
(1) واحد مدل تطبیقی موتور. وظیفه واحد مدل تطبیقی موتور، شناسایی خودکار پارامترهای اساسی موتور با تشخیص ولتاژ و جریان ورودی به موتور است. این مدل موتور، واحد کلیدی کنترل مستقیم گشتاور است. برای اکثر کاربردهای صنعتی، اگر دقت کنترل سرعت بیشتر از 0.5٪ باشد، میتوان از بازخورد سرعت حلقه بسته استفاده کرد.
(2) مقایسهگر گشتاور و مقایسهگر شار مغناطیسی. وظیفه این نوع مقایسهگر، مقایسه مقدار بازخورد با مقدار مرجع آن در هر 20 میلیثانیه و نمایش وضعیت گشتاور یا میدان مغناطیسی با استفاده از یک رگولاتور هیسترزیس دو نقطهای است.
(3) انتخابگر بهینهسازی پالس. ما تراشه Cyclone II EP2C5Q208C8 را برای پردازش اطلاعات انتخاب کردیم و سپس پیادهسازی FPGA منبع سیگنال را برای مدولاسیون OFDM طراحی کردیم. ما مداری متشکل از پنج ماژول نوشتیم که عمدتاً نگاشت صورت فلکی FFT را پیادهسازی میکنند. با قرار دادن پیشوند چرخهای، ماژول بافر و توابع D/A، یک منبع سیگنال OFDM طراحی شد و عملکردهای هر ماژول شبیهسازی و تأیید شد. در نهایت، منبع سیگنال OFDM، شامل شبیهسازی نرمافزاری و تأیید سختافزار FPGA، تکمیل شد. با توجه به تغییرپذیری قابل توجه در ظرفیت خازنهای الکترولیتی، آنها ولتاژهای نابرابر را تجربه خواهند کرد. بنابراین، یک مقاومت متعادلکننده ولتاژ با مقدار مقاومت برابر به طور موازی به هر خازن متصل میشود تا تأثیر تغییرپذیری را از بین ببرد. به منظور جلوگیری از سوختن مدار یکسوکننده توسط جریان شارژ (جریان سرج) که از طریق خازن عبور میکند و باعث ایجاد اثرات دیگر هنگام روشن شدن برق میشود، اقداماتی برای سرکوب جریان سرج نیز به مدار ذخیرهسازی اضافه میشود.
صرفهجویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف، ابزارهای مهمی برای کاهش هزینههای تولید هستند و کاهش هزینه، ابزاری مؤثر برای افزایش رقابتپذیری محصول است. علاوه بر افزودن این ماژولهای کاربردی، بهینهسازی مداوم طراحی تکمیلشده در طول فرآیند طراحی، بهبود بیشتر عملکرد و صرفهجویی در منابع نیز ضروری است تا بتوان به کل سیستم در یک تراشه FPGA دست یافت، به اثرات صرفهجویی قابل توجه در مصرف انرژی دست یافت و شرایط فرآیند را بهبود بخشید.