Falowniki – sterowanie skalarne i wektorowe

Podstawowe zależności

W przypadku falowników trójfazowych, podłączonych do trójfazowych silników, mogłoby się wydawać, że najprostszym sposobem regulacji szybkości obrotowej zestawu napędowego będzie zmiana częstotliwości napięcia zasilającego. Poszczególne fazy napięcia są bowiem bezpośrednio przyłożone do uzwojeń silnika (a konkretnie - najczęściej jego stojana). Wzrost chwilowej wartości napięcia na danej fazie powoduje wzrost siły przyciągania lub odpychania danego fragmentu rotora, co prowadzi do zmiany jego pozycji. Im zmiany napięcia sterującego szybsze, tym szybciej będzie zmieniać się pozycja rotora względem stojana, co skutkuje przyspieszeniem ruchu obrotowego.

Trzeba jednak zauważyć, że skoro wartości sił działających na rotor zależą od chwilowych wartości napięć zasilających, to nie tylko szybkość ich zmieniania się będzie wpływać na ruch wirnika, ale też zakres wartości, które przyjmują – czyli napięcie skuteczne sygnału przemiennego. Wpływ ten przekłada się na chwilowy moment obrotowy silnika, dlatego w celu zachowania względnie stałego momentu obrotowego dla różnych szybkości obrotowych, już nawet proste metody sterowania napędami opierają się o utrzymanie stałej proporcji pomiędzy częstotliwością a napięciem skutecznym sygnału zasilającego silnik prądu przemiennego. Taki algorytm sterowania nazywa się skalarnym (U/f).

Falowniki skalarne

Fot. falownik skalarny; źródło: INVT

Przemienniki częstotliwości z algorytmem U/f stosuje się w prostszych aplikacjach, które nie wymagają bardzo dokładnej regulacji prędkości obrotowej oraz tam, gdzie moment obciążenia maleje wraz z prędkością lub jest względnie stały w całym zakresie jej zmian. W praktyce obejmuje to przede wszystkim takie urządzenia jak wentylatory, dmuchawy, pompy, sprężarki, czy też taśmociągi.

Falowniki ze sterowaniem skalarnym nie sprawdzą się jednak tam, gdzie konieczne jest precyzyjne utrzymanie zadanej prędkości lub momentu obrotowego. Problem ten staje się istotny szczególnie w aplikacjach, w których obciążenie wału silnika istotnie zmienia się w czasie. W silnikach występują bowiem poślizgi, co oznacza, że szybkość wirowania pola elektromagnetycznego w silniku nie zawsze jest identyczna z szybkością obrotów wału, a więc prędkość obrotowa wału nie jest aż tak ściśle proporcjonalna do częstotliwości napięcia zasilającego. W praktyce, przemienniki skalarne wprowadzają długie stany przejściowe pomiędzy zmienianymi, zadanymi prędkościami obrotowymi oraz tworzą oscylacje szybkości obrotów wału wokół prędkości zadanej. Nie da się też w praktyce regulować za ich pomocą momentu obrotowego, a przy niskich częstotliwościach, ze względu na utrzymanie również niskiego poziomu wartości napięcia skutecznego sygnału zasilającego, wartość maksymalnego momentu obrotowego jest również bardzo mała.

Gdy powyższe ograniczenia sprawiają, że zastosowanie algorytmu sterowania skalarnego U/f do napędzania silnika elektrycznego jest niemożliwe i gdy nie występuje konieczność sterowania pracą więcej niż jednego silnika równocześnie z użyciem pojedynczego falownika, trzeba sięgnąć po model ze sterowaniem wektorowym.

Falowniki wektorowe

Fot. Falownik wektorowy; źródło: Omron

Falowniki obsługujące wektorowe algorytmy sterowania pozwalają znacznie bardziej precyzyjnie kontrolować prędkość obrotową, przede wszystkim ze względu na regulowanie momentu obrotowego silnika. Falownik wektorowy może w całym zakresie regulacji prędkości obrotowej silnika utrzymywać stałą wartość momentu obrotowego silnika. W praktyce udaje się to nawet dla częstotliwości zasilania rzędu połowy herca. Sterowania wektorowe polega bowiem na oddzielnym sterowaniu momentem i strumieniem uzwojenia w silniku. Pozwala to uzyskać dokładność regulacji prędkości obrotowej na poziomie setnych części procenta.

Co więcej, każdy falownik wektorowy może pracować w trybie skalarnym i zwykle w nastawach fabrycznych jest załączony tryb skalarny (U/f). Sterowanie wektorowe wymaga bowiem wprowadzenia dodatkowych nastaw, które pozwolą dopasować pracę falownika do podłączonego modelu silnika.

Niestety, napędy wektorowe są znacznie droższe niż skalarne i trudniejsze w uruchomieniu. Nie bez znaczenia jest też fakt, że wymagają zastosowania dodatkowych podzespołów odpowiadających za sprzężenie zwrotne, co pozwala monitorować sposób reakcji silnika na zadawane napięcie zasilające.