TÄITURID - ELEKTROMEHAANILISED TÄITURID

Sagedusmuunduriga elektriajam

Sagedusmuundur ja tema tööpõhimõte

Sagedusmuundur (frequency converter) on tänapäeval kasutatavates elektriajamites põhi-komponendiks kiiruse reguleerimiseks. Traditsiooniliselt oli sagedusmuundur ette nähtud mootori toitepinge ja sageduse sujuvaks reguleerimiseks. Tänapäeval kujutab sagedusmuundur terviklikku ajamiplokki, mis sisaldab toitemuundurit, andureid, juhtseadet ning võimaldab juhtida elektrimootorit ja tema poolt käitavat töömasinat. Samuti on võrguliidese abil ajamit rakendada keerukates automaatjuhtimissüsteemides

Tänapäeval kasutatakse erinevat tüüpi sagedusmuundureid, kõige enamasti alalisvoolu vahelüliga muundurit.

Sagedusmuundur koosneb mittejuhitavast kolmefaasilisest alaldist, alalisvoolu vahelülist ning vaheldist.

Alaldi (rectifier) koosneb kuuest dioodist (iga faasi peale 2 dioodi) ning on ette nähtud vahelduvvoolu muutmiseks alalisvooluks. Alaldi väljundis on pulseeriv alalisvool pingega U_z, mis kolmefaasilise 400 V süsteemi puhul omab väärtust V.

Joonis 2.17. Kolmefaasilise mittejuhitava sildalaldi tööpõhimõte [26].

Alalisvoolu vahelüli (DC link) koosneb omakorda kondensaatorist, käivitus- ja pidurdusahelast. Alalisvoolu vahelülis silutakse alalisvoolu pulsatsioonid ära kondensaatori abil. Kui muundur lülitatakse võrku tekkib kondensaatori laadumise tõttu väga suur vooluimpulss, mistõttu on alalisvoolu vahelülisse sisse ehitatud türistoriga juhitav pidurdusahel. Takisti piirab voolu väärtust, kondensaatorid laaduvad aeglasemalt ning ohutult. Kui kondensaatorid on laetud viiakse türistor kinnisesse olekusse ning takisti lühistatakse. Pidurdusahelat kasutatakse dünaamilisel pidurdamisel, et ära hajutada pidurdamisel vabanevat soojusenergiat. Pidurdusahel on juhitav transistoriga. Sagedusmuunduri väljalülitamisel võib kondensaatorile jääda eluohtlik kõrgepinge veel kuni viieks minutiks, mistõttu tuleb olla eriti ettevaatlik äsja väljalülitatud seadmega.

Vaheldis (inverter) muundatakse alalisvool muutliku pinge ja sagedusega vahelduvvooluks. Vaheldi koosneb kuuest transistorist ja antiparalleelselt ühendatud dioodidega. Muundurit juhitakse transistoride juhtimisega kasutades selleks pulsilaiusmodulatsiooni põhimõtet (vt. punkt 2.6.5). Muunduri väljund on ühendatud mootori klemmidega.

Joonis 2.18. ABB komponentajam ACS 150 [21]

Sagedusjuhtimine

Üheks kõige levinumaks vahelduvvoolumootorite kiiruse reguleerimise viisidest on mootori sagedusjuhtimine (frequency control), kus mootori pinge antakse ette sageduse funktsioonina . Kõige lihtsamal juhul hoitakse pinge ja sageduse suhe konstantsena . See suhe tuleneb asjaolust, et sageduse kasvades suurenevad ka kaod mootori mähistes (vt. punkti 2.6.5.), mistõttu tuleb sagedusega f suurendada ka pinget U. Asünkroonmootori pinge- sageduse juhtimise plokkskeem on toodud Joonis 2.19. Tärn (*) suuruste juures tähendab etteandesuurust.

Joonis 2.19. Asünkroonmootori pinge- sageduse juhtimise plokkskeem [23].

Sagedusjuhtimist nimetatakse ka skalaarjuhtimiseks või avatud ahelaga juhtimiseks (Open loop control), kuna sellisel süsteemil puudub tagaside, mistõttu sagedusmuundur ei teagi, kui kiiresti mootor tegelikult pöörleb ja kas üldse pöörleb. Küll aga tagatakse vastavalt nimiandmetele mootori liigkoormuskaitse (tavaliselt 150% nimivoolust) voolutugevuse mõõtmisega ning vajaduse korral väljalülitamisega (7). Järsk koormuse muutus võib põhjustada mootori vääratumise st tööpunkti nihkumist väärtuspunkti (vt. Joonis 2.11). Selle tulemusena mootor seiskub või jääb pöörlema väikesel kiirusel, millega kaasneb mähiste temperatuuri tõus. Seetõttu on sagedusjuhtimisel (skalaarjuhtimisel) probleemiks koormusele vastava momendi tekitamine ning selleks sobiva pinge rakendamine mootorile [25]. Sageduse ja pinge reguleerimine sobib hästi valdavalt püsitalitluses töötavate mootorite puhul, kui sagedus ja pinge muutuvad suhteliselt aeglaselt [21].

Väikestel sagedustel hakkab mootori moment vähenema, sest üha suuremat tähtsust etendavad kaod mähise aktiivtakistusel.

Väljatugevuse vähenemine nimisagedusest suurematel sagedustel

Mootori sageduse suurenemisel üle nimisageduse peab mootori toitepinge jääma konstantseks. Sellisel juhul hakkab mootori vool ja järelikult ka magnetvälja tugevus vähenema ning mootor läheb üle vähendatud väljatugevusega režiimi (field weakening mode). Mootori poolt arendatav moment hakkab vähenema, kusjuures libistus ja võimsus jäävad muutumatuks. Välja nõrgenemise väheneb moment pöördvõrdeliselt

ja suurim lubatud moment

väheneb see ruutkarakteristiku järgi ning selles režiimis väheneb ka mootori taluvus ülekoormusele, millega tuleb arvestada.

Joonis 2.20. Momendi tunnusjooned nõrgendatud välja piirkonnas

Konstantse momendi talitlus kuni 87 Hz sageduseni

Sagedusjuhtimisega ajami põhisagedust võib mõnel juhul suurendada ka kuni 87 Hz, kui mootori nimisagedus on 50 Hz. Sagedusmuundur peab seda funktsiooni võimaldama. Kui 50 Hz puhul toidetakse mootorit pingega 230 V, siis 87 Hz puhul teguri korda suurema pingega 400 V. See on võimalik ainult sellisel mootoril, mida võib kolmnurkühenduses toita pingega 400 V. Kui mootor staatorimähistega 230 / 400 V (Δ / Y). Mähised peavad olema sellise režiimi jaoks sobivad (8).

On oluline, et mootori pinge suureneb koos sagedusega ning nimipingest 230 V suurematel pingetel on pinge ja sageduse suhe konstantne () ning sama väärtusega kui nimipingest allpool .

Enamike mootorisarjade puhul toodetakse suurema (üle 4 kW) võimsusega mootoreid ka suuremale toitepingele, nt 400 / 690 V. Nende masinate puhul pole võimalik rakendada põhisageduse suurenemist kuni 87 Hz. Seepärast tuleb jälgida, et suurendatud põhisagedusega ajamites kasutataks vaid 230 / 400 V nimipingega mootoreid.

Pinge ja sageduse võrdelisel suurendmisel 50 Hz kuni 87 Hz laieneb ka mootori konstantse momendiga tööpiirkond kuni 87 Hz ning mootori võimsus suureneb seejuures nimivõimsusega võrreldes kuni korda. Pöörlemiskiiruse suurenemisel üle 87 Hz läheb ajam üle nõrgendatud väljatugevusega režiimi. Optimaalselt talitleva sagedusmuunduri korral, eriti kui töötatakse täispingel ja siinuselise vooluga, võib seda lubada ka lühiajalise ülekoormuse (short- time duty) puhul. Pöörlemiskiiruse suurenemisel paraneb ka mootori jahutus, mistõttu on püsitalitluses (S1, vt punkti 2.3.6.) lubatud võimsus kuni 35 % võrra suurem, mis tähendab, et võib kasutada väiksema suurusastmega mootorit. Näiteks lubatakse mootorile võimsusega 3 kW kolmnurklülituses püsitalitluses sageduse 87 Hz puhul võimsust 4 kW (8).

Joonis 2.21. Elektrimootori talitlus 87 Hz režiimis

Pulsilaiusmodulatsioon

Pulsilaiusmodulatsioon (PWM – Pulse Width Modulation) ühendab endas väljundi pinge ja sageduse juhtimist ning on tänapäeval rohkesti kasutatud vaheldite juhtimiseks. Pulsilaiusmodulatsiooni väljundiks on konstantse amplituudiga elektriliste impulsside jada, kus vajaliku kujuga signaali saamiseks muudetakse impulsside kestust (laiust) konstantse perioodi korral. Kaasaegsetes muundurites ulatub pulsilaiusmodulatsiooni sagedus mõnedest kilohertsidest (1 kHz = 10³ Hz) mootorite juhtimisea kuni megahertsidesse (1 MHz = 10⁶ Hz) mõningates muundurites. Pulsi laiusega reguleeritakse mõjuva pinge efektiivväärtust (vt. Joonis 2.22).

Joonis 2.22. Pulsi efektiivsus

Suhteline lülituskestus leitakse

Pinge efektiivväärtus ühe perioodi jooksul arvutatakse

Siit järeldub, et mida pikem on lülituskestus (mida laiem on pulss), seda suurem on pinge efektiivväärtus perioodi jooksul.

Sagedusmuunduri alalisvoolu vahelüli pinge pole sageli juhitav. Pulsilaiusmodulatsiooni kasutamsel on võimalik saada transistoride lülitamise abil reguleeritavat väljundpinget. Eksisteerib mitu erinevat pulsilaiusmodulatsiooni liiki, kuna tänapäeval on kõige tihedamini kasutatav siinuseline pulsilaiusmodulatsioon, siis vaatleme seda modulatsiooni tüüpi lähemalt.

Siinuselise pulsilaiusmodulatsiooni eesmärgiks on sellise pinge formeerimine, mis oleks võimalikult lähedane ideaalse siinusega (vt. punkti 2.6.5). PWM-i genereeritakse juhtsignaalide kandevsageduse kolmnurkpinge võrdlemisel siinussignaaliga, nagu on näidatud joonisel x,a. Signaalid võrreldakse elektroonikas kasutatavas elemendis- komparaatoris. Ajahetkel, mil siinuspinge hetkväärtus on suurem, kui kolmnurksignaali hetkväärtus, on transistor avatud (transistori baasile on rakendatud pinge U_s, vt punkti 2.6.1) ning sellel hetkel jookseb mootorist läbi elektrivool.

Joonis 2.23. Ühefaasilise siinuspinge genereerimine pulsilaiusmodulatsiooniga

Pulsilaiusmodulatsiooni kasutatakse kolmefaasilise vahelduvpinge tekitamiseks. Selle tarvis on ühe siinusseade signaali asemel kasutatud kolm. Mida kõrgem on kandevsignaali (kolmnurksignaali) sagedus, seda rohkem sarnaneb väljundis siinuspinge ideaalsele sinusoidile. Seadesignaali (siinussignaali) sageduse reguleerimisega reguleeritakse väljundpinge sagedus. Sellise moodusega juhitakse asünkroon- ja sünkroonmootoreid.

Pulsilaiusmodulatsiooni põhimõtet kasutatakse ka alalisvoolumootorite (vt. punkt 2.6.5) juhtimiseks. Sellisel juhul genereeritakse pulsi laiust muutes muutuva efektiivväärtusega alalispinge.

Mootori momendi vahetu juhtimine

Mootori momendi vahetu juhtimise (DTC, direct torque control) meetod juhib otseselt staatori voogu Φ ja momenti M ning ei vaja sisemisi vooluregulaatoreid ega pulsilaiusmodulatsiooni. Selle mooduse korral juhitakse vaheldi lüliteid vahetult mootori pinge ja voolu mõõtmise kvalitatiivse seaduse alusel. Staatori magnetvoog tuletatakse staatori pingest, momenti on aga magnetvoo ja mootori voolu produkt. Välja arvutatud voog ja moment võrreldakse nende etteandesuurustega ning juhul kui need erinevad lubatud tolerantsi võrra, siis vaheldi transistore juhitakse selliselt, et viia voog ja moment võimalikult kiiresti lubatud vahemikku [23].

Momendi vahetu juhtimise korral on kolmefaasilise asünkroonmootori juhtimine on avatud ahelaga juhtimine, mis sarnaneb alalisvoolu juhtimisele. Pulsilaiusmodulatsiooniga juhitavates ajamites juhitakse pinget ja sagedust, mis enne genereerimist läbivad paljusid matemaatilisi plokke kontrolleris. Kuna DTC puhul juhitakse otse mootorit momenti ja magnetvälja, mis ise sõltuvad mootori parameetritest, siis ei vaja selline süsteem lisaks pulsilaiusmodulatsiooniga töötavat modulaatorit. Lisaks sellele võimaldab selline moodus juhtida momenti ilma tagasisideanduriteta.

Üheks suureks eeliseks on võimalus juhtida mootorit väga väikestel sagedustel (alla 0,5 Hz) arendades samal ajal nimimomenti (ettevaatust mootori jahutus!). Ilma tagasisideta ajamites on pöörlemiskiiruse täpsus tavaliselt 10% mootori nimilibistusest, mis rahuldab 95 % tööstuses kasutatavate tööde nõudmisi. Momendi juhtimise puhul reageerib süsteem muutustele 1-2 ms jooksul, samas kui PWMiga juhitavate ajamite puhul on see 100 ms. Momendi juhtimisel on tagatud ka momendi lineaarsus, mis on eriti oluline täpsetes töödes, nagu paberikerimisrullides (paper winders).

Üheks piiranguks on DTC meetodi kasutamine mitme mootori paralleelsel juhtimisel. Sellisel juhul ei ole juhtseadmel infot iga üksiku mootori oleku kohta, sellisel juhul on mõistlikum kasutada sagedusjuhtimist.

Mootori koormused ja nende tunnusjooned

Selleks, et valida töömasina jaoks optimaalne mootor peab tundma erinevate koormuste karakteristikuid. Mootori sobitamisel koormusega peab jälgima, et mootori käivitusmoment oleks töömasina käivitusmomendist suurem. Samuti ei tohi töömasin põhjustada rootori seiskumist ülekoormuse tõttu.

Momendi tunnusjoone järgi jaotatakse koormused neljaks kategooriaks:

konstantse koormusega,
pöörlemiskiirusega võrdeliselt kasvava koormusega,
pöörlemiskiirusega ruutsõltuvalt kasvava koormusega,
konstantse võimsusega töövahemikus.

Loetletud koormuste näited, momendi M ja võimsuse P sõltuvused pöörlemiskiirusest n ja nende mehaanilised tunnusjooned on ära toodud Tabel 2.5.

Tabel 2.5. Erinevad koormuskarakteristikud

tõstuk (hoist), konveier (conveyor), robot (robot).	valts (rolling mill), veski (mill), triikimisrull (calander).	pump (pump), ventilaator (fan), tsentrifuug (centrifuge).	puur (borer), kerija (winder), press (press).
M = const	M ~ n	M ~ n²	M ~ n^-1
P ~ n	P ~ n²	P ~ n³	P = const

Konstantse koormuse puhul ei sõltu koormusmoment pöörlemiskiirusest (M = const). Sellisteks koormusteks on tõstemehhanismid, konveierid ja robotid, mis nõuavad kõrget lahtimurdmismomenti (moment paigalt nihutamiseks). Seepärast peab ka mootor ja mootorit juhtiv sagedusmuundur olema võimelised taluma lühiajalisi ülekoormuseid. Juhul, kui suure koormusmomendiga seadmed töötavad püsivalt madalatel kiirustel, siis tekkib oht mootori ülekuumenemiseks ning jahutamiseks tuleb kasutada välist jahutust. Kriitilise temperatuurini kuumenemist, mille puhul mähiste isolatsioon võib sulada, aitab vältida mootorisse sisseehitatud temperatuuriandur (termistor).

Lineaarselt kasvava koormusmomendiga koormusteks võivad olla valtsid, veskid, paber-pressid. Nende puhul esineb lahtimurdemoment harva ning on tavaliselt väike. Võimsus kasvab ruutvõrdeliselt pöörlemiskiirusega st. et kahekordsel nimikiirusel tarbitakse 4 korda suuremat võimsust.

Ruutvõrdeliselt kasvava koormusmomendiga on ventilaatorid, pumbad ja tsentrifuugid st seadmed, kus määravaks on õhu või vedeliku takistus. Lahtimurdemoment esineb neis väga harva ning on tavaliselt väike. Tihtipeale töötavad need seadmed kiiretel pööretel, mistõttu on tagatud hea jahutus. Võimsus muutub aga pöörlemiskiirusega kuupvõrdeliselt. Kui langetada ventilaatori pöörlemiskiirust 100 protsendilt 90 protsendile, siis väheneb tarbitav võimsus 0,9³·P_n, ehk ligikaudu 70 % peale.

Konstantse võimsusega on puurid, freesid, mähkimismasinad jt. Nad töötavad konstantsel kiirusel ning moment on väike, kuna neid tavaliselt koormatakse hetkel, mil masin on saavutanud oma nimikiiruse. Moment on pöördvõrdeline pöörlemiskiirusega.

Tavaliselt esinevad praktikas segakarakteristikud ning kõrvalekalded ideaalsetest tunnus-joontest.

Sagedusmuunduri funktsioonid

Ajami käivitamine ja peatamine

Käivitusmeetodi valikul määratakse juhtimiseks kasutatavate juhtlülitite tüüp ja otstarve. Kiirendus- ja aeglustusrampide kestused töökiirusele käivitamisel ja pidurdamisel on sätestatavad laias vahemikus sekundikümnendikest kuni kümnete minutiteni. Käivituse alghetkel rakendatavat sageduse väärtust nimetatakse stardi- ehk käivitussageduseks.

Ajami peatumine võib toimuda kas vaba väljajooksu või aeglustusrambiga. Aeglustusrambi puhul aeglustatakse mootori kiirust sageduse vähendamisega kuni pidurdussageduseni ja rakendatakse seejärel dünaamilist pidurdust. Pidurdussageduseks loetakse sagedust, millest allpool rakendatakse mootori dünaamilist pidurdust. Pidurduseks kasutatava alalispinge vaikeväärtus sõltub muunduri võimsusest ja on tavaliselt sätitav vahemikus 1…20%, kusjuures muunduri suurema võimsuse puhul valitakse väiksem pinge. Samuti saab valida dünaamilise pidurduse kestuse [21].

Joonis 2.24. Programmeeritavad kiirendus- ja aeglustusrampide, samuti dünaamilise pidurduse kestus

Käivitamise ja pidurdamise rambid peavad olema valitud sobivalt mootori andmetega. Näiteks ei saa valida kiiret käivitust suure inertsimomendiga mootorile, kuna sellisel juhul oleks vaja arendada ajamil väga suurt momenti ja ka võimsust. See võib põhjustada muundurisse sisseehitatud kaitsete rakendumise ja mootori seiskumise. Kui mootorit peatatakse vaba väljajooksuga, siis tuleb enne mootori taaskäivitamist oodata, kuni mootor on seisma jäänud, vastasel korral võib rakenduda sagedusmuunduri [21].

Libistuse kompensatsioon

Libistuse kompensatsioon (slip compensation) võimaldab parandada ajami dünaamilisi omadusi. Seda moodust kasutatakse suure jõudlusega asünkroonajamites, kus peamiseks eesmärgiks on kiiruse reguleerimine. Libistuse kompenseerimisel hoitakse mootori kiirus koormuse suurenemisel tema toitepinge sageduse suurendamisega konstantne (vt. punkt 2.6.2). Libistuse kompenseerimine ei anna tulemust anduriteta süsteemides. Tavaliselt valitakse kompensatsiooni vahemikuks 0...5 %. Ülekompenseerimisel tekkib oht, et mootori töö muutub ebastabiilseks [21].

Joonis 2.25. Libistuse kompensatsiooni põhimõte

IR kompensatsioon

IR kompensatsiooni kasutatakse staatoris tekkiva aktiivpingelangu ΔU kompenseerimiseks (vt. Joonis 2.26). IR kompensatsioon aitab tagada vajaliku magnetvoo tugevuse ning sellega mootori parema käivituse. Nagu on näha, ei alustata pinge- sageduse juhtimise puhul pinget suurendama nullist, vaid teatud pinge väärtusest ΔU = IR, mida kasutaja võib sättida 0...20 % piires.

Joonis 2.26. Staatori pingelangu (IR) kompensatsioon

Tabelis 6.2 on toodud firma ABB poolt soovituslikud IR kompensatsiooni väärtused 400 V pöörlevatele mootoritele kasutades sagedusmuundurit ACS400.

Tabel 2.6. Soovituslikud IR kompensatsiooni väärtused 400V pöörlevatele masinatele

Võimsus [kW]	3	7,5	15	22	37
IR komp. [V]	21	18	15	12	10

Mootori momendikompensatsioon

Momendikompensatsiooni puhul võib sagedusmuundur sõltuvalt koormuse tüübist valida ka erineva kujuga kiirendusrambi. Kui koormus on pöörlemiskiirusega võrdeline, siis kasutatakse lineaarset rampi, samas kui koormus on pöörlemiskiirusga ruutvõrdeline, kasutatakse parabooli kujulist rampi.

Mootori pöördemomendi automaatkompensatsiooni puhul vähendab sagedusmuundur mootori koormuse vähenemisel automaatselt tema toitepinget. Kompensatsiooni parameeterid sätitakse nimivoolu juures vahemikus 0…20 % nimipingest (tavaliselt 3…5 %). Kompensatsiooni liiga suure väärtuse puhul võib ajam minna mittestabiilseks ja rakenduda liigvoolukaitse.

a

b

Joonis 2.27. (a) Momendi kompensatsiooni, (b) momendi automaatkompensatsioon