Back

Napędy falownikowe jako systemy wbudowane

06.06.2016 industrial , electronics , poland , marek kabala

Napędy falownikowe jako systemy wbudowane

Silniki prądu przemiennego (AC) mają ponad stuletnią historię, a w ciągu ostatnich dziesięcioleci zdominowały rynek napędów, zarówno w zastowaniach przemysłowych, jak i urządzeniach powszechnego użytku. W przypadku zastosowań wymagających regulacji prędkości, przez długi czas istniały pewne obszary, w których silniki prądu stałego były jedyną opcją, zwłaszcza, jeśli dodatkowo wymagana była regulacja momentu napędowego lub wysoka dynamika napędu. Obecnie sytuacja się zmieniła, głównie ze względu na dostępność kompaktowych i efektywnych rozwiązań wykorzystujących sterowanie wektorowe, które pozwoliły na rozszerzenie zastosowań silników AC o obszary wrażliwe na cenę  produktu końcowego, takie jak sprzęt AGD czy urządzenia powszechnego użytku. Napędy AC to także idealny wybór dla elektrycznych zespołów trakcyjnych w pojazdach elektryczenych. Stały rozwój techniki napędów AC zaowocował unikalnymi schematami modulacji, bezczujnikowymi obserwatorami stanu pracy, oraz dostępnością gotowych rozwiązań sprzętowych.

Najważniejsze osiągnięcia w zakresie napędów AC pozwalające na efektywaną regulację prędkości były związane z pracą R.H. Parka, a później z opracowaniem sterowania polowo-zorientowanego (FOC), znanym także jako sterowanie vektorowe, które powstało w późnych latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku dzięki pracom K. Hasse, F. Blashke i W. Leonharda. W tamtym czasie proponowana strategia sterowania była dosć trudna do realizacji. Brak wydajnych procesorów, które byłyby w stanie wykonać wymagane obliczenia w czasie rzeczywistym stanowił najważniejszą przeszkodę. Po prawie pięciu dekadach, technika FOC i jej pochodne stały się jednymi z najważniejszych metod sterowania napędmi AC, pozwalającymi na regulację prędkości o wysokiej dynamice oraz umożliwiającymi sterowanie momentem napędowym (Bezpośrednie Sterowanie Momentem DTC jest warte wspomnienia jako alternatywa w niektórych przypadkach).

Co znajduje się wewnątrz falownika małej mocy?

Falownik składa się z układu kluczującego zasilającego fazy silnika, układu sterowania, obwodów pomiarowych, zasilacza oraz pośredniego obwodu DC. Obecnie część sprzętowa falownika małej mocy (poniżej 1 kW), wyłączając zasilanie i elementy bierne, może być zbudowana z zaledwie dwóch układów scalonych: mikrokontrolera i zintegrowanego mostka mocy. Ogólny schemat typowego rozwiązania falownika jest zaprezentowany poniżej.

Dostępne obecnie mikrokontrolery jednoukładowe dedykowane do sterowania silnikami posiadają wydajne rdzenie, modulatory PWM o wysokiej rozdzielczości, przetworniki ADC i inne peryferia, umożliwiając wydajną i niezawodną implementację układów sterowania napędów AC. Tego typu układy stały się na tyle istotną częścią rynku, że stworzyły one odrębna gałąź mikrokontrolerów, zwanych DSC (Digital Signal Controllers) dla wspomnianych i innych zastosowań cyfrowego przetwarzania energii. Mikrokontrolery C2000 produkowane przez firmę Texas Instruments oraz MC56F8xxx oferowane przez Freescale/NXP są przykładami takich układów. Obie firmy oferują projekty referencyjne oraz biblioteki oprogramowania pozwalające na szybką syntezę układu sterowania. Warto w tym miejscu wspomnieć o rozwiązaniu InstaSPIN oferowanym przez TI, ponieważ jest to kompleksowy zestaw narzędzi ułatwiających implemetację, strojenie i weryfikację konstrukcji napędu silnikowego.

W zakresie części zasilającej silnik, producenci oferują zintegrowane moduły mocy, które zawierają klucze mocy ze sterownikami, pomocnicze źródła zasilania bramek kluczy połączonych z dodatnią linią zasilającą, i układy zabezpieczające, dzięki czemu moduł mocy można podłączyć bezpośrednio do kontrolera, pomijając dodatkowe układy logiczne czy układy dopasowania poziomów napięć. Przykładem tego typu produktów mogą być moduły mocy SLLIMM oferowane przez ST.

Podsumowując, kompletny system falownika umożliwiający efektywne sterowanie prędkością maszyny AC może być wbudowany do każdego urządzenia wymagającego niezawodnego i wydajnego napędu.

Dlaczego warto rozważyć zastosowanie falownika w napędzie silnikowym?

Do napędów najczęściej stosowanych w urządzeniach powszechnego użytku należą silniki DC o regulowanej prędkości, oraz jednofazowe silniki AC stosowane w przypadkach, gdy regulacja prędkości nie jest wymagana.

Jaka jest zatem korzyść z zastosowania falownika w porównaniu do napędu DC o regulowanej prędkości? Po pierwsze, silniki AC mają prostszą konstrukcję mechaniczną. Nie mają komutatora (który jest hałaśliwy) oraz szczotek, które wymagają konserwacji. W przypadku pomp, silniki AC oferują konfigurację z mokrym wirnikiem, która eliminuje potrzebę stosowania uszczelnienia pomiędzy rotorem silnika a wirnikiem pompy, redukując wymagania związane z przeglądami i zwiększając niezawodnosć pompy. Kolejną zaletą falowników jest łatwe sterowanie kierunkiem i prędkoscią silnika. Jest to oczywiście możliwe również w napędach DC, jakkolwiek sterowanie kierunkiem w najczęsciej stosowanych napędach DC – silnikach uniwersalnych – wymaga rozbudowy sterownika. Inną korzyścią zastosowania napędów AC jest łatwe przełączanie pomiędzy trybami pracy, takimi jak praca generatorowa, hamowanie dynamiczne czy praca silnikowa, co jest istotne w przypadku systemów trakcyjnych. Możliwość taka występuje również w napędach DC z silnikami obcowzbudnymi,  jednak w przypadku maszyn szeregowych nie jest to już takie proste.

W porównaniu do jednofazowych napędów indukcyjnych pracujących ze stałą prędkością, najbardziej oczywistą zaletą napędów falownikowych jest możliwość sterowania prędkością oraz momentem napędowym. Napędy falownikowe oferują również możliwość wykonania dodatkowych pomiarów i obliczeń, pozwalających na analizę obciążenia oraz aktualnych warunków pracy napędu, bez zastosowania dodatkowych układów sensorycznych. Dobrym przykładem zastosowania tej własności jest napęd pompy, który wykrywa przerwy w ciągłości strumienia pompowanej cieczy lub napęd bębna w pralce, który potrafi ocenić masę załadunku maszyny. Falownik pozwala także na wbudowanie zabezpieczenia przed przeciążeniem silnika, zastosowanie predefiniowanych profili prędkości pozwalających na zredukowanie prądów startowych, czy implementację elementów bezpieczeństwa funkcjonalnego. Napędy falownikowe mogę również zaoferować sterowanie silnikami synchronicznymi, które mają większą gęstość mocy i większą sprawność (w przeważającej części zastosowań), a którymi sterowanie w inny sposób jest kłopotliwe.

A co przemawia przeciwko wbudowanym napędom AC? Po pierwsze, opracowanie takiego produktu wymaga wysoko wykwalifikowanego personelu. Warto również zauważyć, że nie mówimy tutaj  o uniwersalnych falownikach przemysłowych, ale o umiarkowanie prostych układach sterowania silnikami AC, opracowanych dla konkretnego zastosowania, i konkretnego silnika. Znacząca zmiana warunków pracy lub parametrów silnika mogłaby wymagać zmian w oprogramowaniu sterujacym.

Napędy AC oraz ich techniki sterowania łączą w sobie szereg genialnych pomysłów, które są dostępne  - od ręki.

Marek Kabała jest inżynierem wiodącym, pracującym jako lider zespołu programistów zajmujących się projektami dotyczącymi rozwoju produktu. Ma tytuł doktora w specjalności robotyka oraz doświadczenie w projektach interdyscyplinarnych obejmujących modelowanie matematyczne i symulacje, opracowanie algorytmów, ich wdrażanie i weryfikację. Kontakt do Marka: marek.kabala@etteplan.com


Latest articles

  • Powering up testing – getting a grip on software projects 05.05.2017 testing , agile , continuous integration

    Well designed and correctly carried out testing and testing automation help to keep projects on schedule. The maintainability and control of the system is improved, and even the product's life cycle can be extended. The engineers at Etteplan have had good experiences with the Jenkins and Robot Framework systems.

  • Renovating testing environment with Procket Rapid 13.06.2017 testing , test systems , production testing , agile , continuous integration

    Embedded system is a combination of both hardware and software, the testing and development of which calls also for other things than just software and the device itself.

  • TOSIHack, Turku 3.2.2018 05.02.2018 testing , industrial internet , software , security

    Tosihack was a security testing event organized by Etteplan, Tosibox and TurkuSec organization in Turku at Saturday 3.2.2018. A total of 17 hackers joined the event in four teams.

  • Ekahau Sidekick – measurement powerhouse for Wi-Fi professionals 11.01.2018 wireless , laboratory , electronics , product certification

    World’s first all-in-one Wi-Fi network diagnostics and measurement device facilitates Wi-Fi network testing, validation, documentation and troubleshooting. Ekahau Sidekick covers both 2,4 and 5 gigahertz and standards 802.11 a/b/g/n/ac up to -95dBm sensitivity.

  • Less prototyping rounds and EMC challenges with simulation 29.12.2017 wireless , production testing , laboratory , electronics

    Simulation speeds up design and helps improve the end product quality. Simulation suits nicely for example for antenna design, for analysing EMC, RF interoperability, shielding effectiveness and radiating fields. It can also be used to review the current layout, design and mechanics.

  • Is your documentation created "last minute" ? 30.01.2018 industrial , medical , industrial applications , product certification

    The technical documentation is still considered a necessary evil that is often handled only in the last minute. Modern practices in creating the documentation ensure easy-to-maintain, high-quality documents that are an essential part of the product.

  • Designer! Do not forget security in your IoT system 25.01.2018 industrial internet , industrial , security

    A specialist warns: a carelessly constructed Internet of Things system is a serious security risk. White-hat hackers hunt for vulnerabilities in a respected Finnish IoT security product at Tosihack event 3 February 3, 2018.

  • Industrial internet increases requirements for antennas 28.12.2017 industrial internet , wireless , laboratory , electronics

    Wireless devices are becoming more common due to industrial internet. The antenna performance is often characterized by three parameters: efficiency, gain and selectivity...

  • Product certification – case Asqella 17.12.2015 testing , laboratory , product certification

    Nowadays more and more products contain electronics and maybe some kind of wireless technology. People do not always realize that all electronic device must be certified, in other words checked, tested, and approved, before the sales of the product can start.

  • NB-IoT Breakfast 27.9.2017 27.09.2017 industrial internet , wireless , telecom , electronics

    Great NB-IoT session today, with speakers from Ericsson, DNA, u-blox and F-Secure. Some pictures and the presentation materials available here...