Η εκκίνηση, η ρύθμιση της ταχύτητας και η πέδηση είναι βασικές λειτουργίες που πρέπει να ελέγχονται, για την καλύτερη δυνατή απόδοση των ηλεκτροκινητήρων.
Άρθρο του Νικόλαου Σ. Κορακιανίτη*
Οι ηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται εκτενώς σε πολλές εφαρμογές στη βιομηχανία αλλά και στην καθημερινότητά μας.
Ενδεικτικά αναφέρουμε την ενσωμάτωσή τους σε βιομηχανικές γραμμές παραγωγής, σε γερανογέφυρες φορτοεκφόρτωσης εμπορευματοκιβωτίων φορτίων, στη θέρμανση, στην ψύξη, στον κλιματισμό, στις μεταφορές, σε αντλητικά συστήματα, αλλά και σε εφαρμογές που σχετίζονται με την ασφάλεια, την άνεση και τη διασκέδασή μας.
Κοινό ζητούμενο σε όλες τις εφαρμογές είναι ο έλεγχος της λειτουργίας τους, και ειδικότερα της εκκίνησης, της πέδησης και της ρύθμισης της ταχύτητάς τους.
Οδήγηση ηλεκτρικών κινητήρων Ε.Ρ.
Οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.) έχουν ένα πλήθος πλεονεκτημάτων συγκρινόμενοι με τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.), καθώς είναι οικονομικότεροι, 20 – 40% ελαφρύτεροι και χρειάζονται λιγότερη συντήρηση. Διακρίνονται σε δύο βασικά είδη: τους ασύγχρονους (ή επαγωγικούς) και τους σύγχρονους κινητήρες, και οι περιοχές λειτουργίας τους είναι η περιοχή σταθερής ροπής και η περιοχή σταθερής ισχύος, στις οποίες ο έλεγχος γίνεται ως εξής:Περιοχή σταθερής ροπής: Έλεγχος μέσω της ρύθμισης του λόγου της τάσης τροφοδοσίας προς τη συχνότητά της, μέσω μετατροπέων Ε.Ρ./Σ.Ρ.
Περιοχή σταθερής ισχύος: Σε αυτή την περιοχή η ταχύτητα του κινητήρα υπερβαίνει την ονομαστική της τιμή, και για να αποφευχθούν φαινόμενα υπερφόρτισης, ελαττώνεται η ροπή στρέψης με τη συχνότητα, διατηρώντας τη μηχανική ισχύ σταθερή στον άξονα του κινητήρα.
Η ταχύτητα περιστροφής ns του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου που αναπτύσσεται στο διάκενο μεταξύ του στάτη και του ρότορα, όταν το τύλιγμα του στάτη (τύλιγμα τυμπάνου) ενός τριφασικού κινητήρα Ε.Ρ. τροφοδοτηθεί από μία τριφασική πηγή με συμμετρικές τάσεις, είναι συνάρτηση της συχνότητας fτροφ. της τάσης τροφοδοσίας, αλλά και του πλήθους των μαγνητικών πόλων του στάτη (p: ζεύγη μαγνητικών πόλων), όπως φαίνεται και από την παρακάτω σχέση:
Η πιο σύνθετη κατασκευή των κινητήρων Ε.Ρ. σε σχέση με αυτή των κινητήρων Σ.Ρ. έχει ως συνέπεια να απαιτούνται για τον έλεγχό τους συνθετότεροι αλγόριθμοι ελέγχου, που εκτελούνται από μικροεπεξεργαστές ή μικροϋπολογιστές με μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος ταχείας μεταγωγής, στα σύγχρονα συστήματα ελέγχου τους. Για εφαρμογές στις οποίες μεταβάλλεται η ταχύτητα, πρέπει να γίνεται έλεγχος στην τροφοδοσία των κινητήρων Ε.Ρ., στην τάση, στην ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος και στη συχνότητα.
Αυτοί οι ρυθμιστές ισχύος, οι οποίοι είναι σχετικά σύνθετοι και ακριβότεροι, απαιτούν προηγμένες τεχνικές ελέγχου ανάδρασης, όπως είναι λόγου χάρη το μοντέλο αναφοράς (model reference), ο προσαρμοστικός έλεγχος (adaptive control), ο έλεγχος ρυθμού ολίσθησης (sliding mode control) και ο έλεγχος προσανατολισμένου πεδίου (field-oriented control). Εντούτοις, τα πλεονεκτήματα των κινητήριων συστημάτων Ε.Ρ. ξεπερνούν σε σπουδαιότητα τα μειονεκτήματα.
Υπάρχουν δύο είδη κινητήριων συστημάτων Ε.Ρ.:Κινητήρια συστήματα επαγωγικών κινητήρων.
Κινητήρια συστήματα σύγχρονων κινητήρων.
Οι αντιστροφείς (inverters) και οι ομαλοί εκκινητές (soft starters) μπορούν να ελέγχουν τη συχνότητα, την τάση ή το ρεύμα για να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις των κινητήριων συστημάτων Ε.Ρ. τα οποία αντικαθιστούν τα κινητήρια συστήματα Σ.Ρ. και χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανικές και οικιακές εφαρμογές.
Μέθοδοι ελέγχου ηλεκτρικών κινητήρων Ε.Ρ.
Η ταχύτητα και η ροπή των επαγωγικών κινητήρων μπορούν να μεταβληθούν εφόσον τους ασκηθεί:Έλεγχος τάσεως στάτη (stator voltage control).
Έλεγχος τάσεως δρομέα (rotor voltage control).
Έλεγχος συχνότητας (frequency control).
Έλεγχος τάσεως και συχνότητας στάτη (stator voltage and frequency control).
Έλεγχος ρεύματος στάτη (stator current control).
Έλεγχος τάσεως, ρεύματος και συχνότητας (voltage, current, and frequency control).
Κινητήρια συστήματα επαγωγικών κινητήρων
Ένας έλεγχος κλειστού βρόχου (closed-loop control) απαιτείται συνήθως για να ικανοποιήσει τις προδιαγραφές απόδοσης σε μόνιμη και μεταβατική κατάσταση λειτουργίας των κινητήριων συστημάτων Ε.Ρ., και η στρατηγική ελέγχου μπορεί να υλοποιηθεί με τριών ειδών ελέγχους, που είναι οι εξής:Βαθμωτός έλεγχος (scalar control), όπου οι μεταβλητές ελέγχου είναι ποσότητες Σ.Ρ. (dc quantities) και ελέγχονται μόνο τα μεγέθη τους.
Διανυσματικός έλεγχος (vector control) ή έλεγχος προσανατολισμένου πεδίου (field-oriented control [FOC]), όπου ελέγχονται και το μέγεθος και η φάση των μεταβλητών ελέγχου.
Προσαρμοστικός έλεγχος (adaptive control), όπου οι παράμετροι του ελεγκτή μεταβάλλονται συνεχώς για να προσαρμοστούν στις μεταβολές των μεταβλητών εξόδου (output variables).
Η τεχνική ελέγχου προσανατολισμένου πεδίου ( field-oriented control [FOC]) επιτρέπει να οδηγηθεί ένας επαγωγικός κινητήρας βραχυκυκλωμένου κλωβού (squirrel-cage induction motor) με υψηλή δυναμική απόδοση, που είναι συγκρίσιμη με την χαρακτηριστική ενός κινητήρα Σ.Ρ. Η τεχνική αυτή αποσυνδέει δυο συνιστώσες του ρεύματος του στάτη: τη μία που παρέχει τη μαγνητική ροή του διακένου αέρα και την άλλη που παράγει τη ροπή. Παρέχει ανεξάρτητο έλεγχο της μαγνητικής ροής και της ροπής, και η χαρακτηριστική ελέγχου (control characteristic) γραμμικοποιείται.
Ο διανυσματικός έλεγχος μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με άμεσο (direct field-oriented control [DFOC]) είτε με έμμεσο έλεγχο προσανατολισμένου πεδίου (indirect field-oriented control [IFOC]), μέθοδοι οι οποίες διαφέρουν κατά κύριο λόγο στον τρόπο με τον οποίο παράγεται το μοναδιαίο διάνυσμα για τον έλεγχο.
Στην άμεση μέθοδο, το διάνυσμα της μαγνητικής ροής υπολογίζεται από τις τερματικές ποσότητες του κινητήρα, ενώ στην έμμεση μέθοδο χρησιμοποιείται η συχνότητα ολίσθησης του κινητήρα ωsl για να υπολογιστεί το επιθυμητό διάνυσμα μαγνητικής ροής. Είναι απλούστερο να εφαρμόσουμε την έμμεση μέθοδο παρά την άμεση, και για αυτό χρησιμοποιείται ολοένα και περισσότερο σε έλεγχο επαγωγικού κινητήρα.
Κινητήρια συστήματα σύγχρονων κινητήρων
Ένας σύγχρονος κινητήρας είναι μια μηχανή σταθερής ταχύτητας και πάντα περιστρέφεται με μηδενική ολίσθηση στη σύγχρονη ταχύτητα, η οποία εξαρτάται από τη συχνότητα και τον αριθμό των πόλων. Ένας σύγχρονος κινητήρας μπορεί να εργάζεται ως κινητήρας ή γεννήτρια, και ο συντελεστής ισχύος μπορεί να ελέγχεται μεταβάλλοντας το ρεύμα πεδίου. Με κυκλομετατροπείς και αντιστροφείς οι εφαρμογές των σύγχρονων κινητήρων σε κινητήρια συστήματα μεταβαλλόμενης ταχύτητας διευρύνονται.
Οι σύγχρονοι κινητήρες μπορούν να ταξινομηθούν σε έξι είδη, που είναι τα εξής:
Κοινό ζητούμενο σε όλες τις εφαρμογές είναι ο έλεγχος της λειτουργίας τους, και ειδικότερα της εκκίνησης, της πέδησης και της ρύθμισης της ταχύτητάς τους.
Οδήγηση ηλεκτρικών κινητήρων Ε.Ρ.
Οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.) έχουν ένα πλήθος πλεονεκτημάτων συγκρινόμενοι με τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ.), καθώς είναι οικονομικότεροι, 20 – 40% ελαφρύτεροι και χρειάζονται λιγότερη συντήρηση. Διακρίνονται σε δύο βασικά είδη: τους ασύγχρονους (ή επαγωγικούς) και τους σύγχρονους κινητήρες, και οι περιοχές λειτουργίας τους είναι η περιοχή σταθερής ροπής και η περιοχή σταθερής ισχύος, στις οποίες ο έλεγχος γίνεται ως εξής:Περιοχή σταθερής ροπής: Έλεγχος μέσω της ρύθμισης του λόγου της τάσης τροφοδοσίας προς τη συχνότητά της, μέσω μετατροπέων Ε.Ρ./Σ.Ρ.
Περιοχή σταθερής ισχύος: Σε αυτή την περιοχή η ταχύτητα του κινητήρα υπερβαίνει την ονομαστική της τιμή, και για να αποφευχθούν φαινόμενα υπερφόρτισης, ελαττώνεται η ροπή στρέψης με τη συχνότητα, διατηρώντας τη μηχανική ισχύ σταθερή στον άξονα του κινητήρα.
Η ταχύτητα περιστροφής ns του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου που αναπτύσσεται στο διάκενο μεταξύ του στάτη και του ρότορα, όταν το τύλιγμα του στάτη (τύλιγμα τυμπάνου) ενός τριφασικού κινητήρα Ε.Ρ. τροφοδοτηθεί από μία τριφασική πηγή με συμμετρικές τάσεις, είναι συνάρτηση της συχνότητας fτροφ. της τάσης τροφοδοσίας, αλλά και του πλήθους των μαγνητικών πόλων του στάτη (p: ζεύγη μαγνητικών πόλων), όπως φαίνεται και από την παρακάτω σχέση:
Η πιο σύνθετη κατασκευή των κινητήρων Ε.Ρ. σε σχέση με αυτή των κινητήρων Σ.Ρ. έχει ως συνέπεια να απαιτούνται για τον έλεγχό τους συνθετότεροι αλγόριθμοι ελέγχου, που εκτελούνται από μικροεπεξεργαστές ή μικροϋπολογιστές με μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος ταχείας μεταγωγής, στα σύγχρονα συστήματα ελέγχου τους. Για εφαρμογές στις οποίες μεταβάλλεται η ταχύτητα, πρέπει να γίνεται έλεγχος στην τροφοδοσία των κινητήρων Ε.Ρ., στην τάση, στην ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος και στη συχνότητα.
Αυτοί οι ρυθμιστές ισχύος, οι οποίοι είναι σχετικά σύνθετοι και ακριβότεροι, απαιτούν προηγμένες τεχνικές ελέγχου ανάδρασης, όπως είναι λόγου χάρη το μοντέλο αναφοράς (model reference), ο προσαρμοστικός έλεγχος (adaptive control), ο έλεγχος ρυθμού ολίσθησης (sliding mode control) και ο έλεγχος προσανατολισμένου πεδίου (field-oriented control). Εντούτοις, τα πλεονεκτήματα των κινητήριων συστημάτων Ε.Ρ. ξεπερνούν σε σπουδαιότητα τα μειονεκτήματα.
Υπάρχουν δύο είδη κινητήριων συστημάτων Ε.Ρ.:Κινητήρια συστήματα επαγωγικών κινητήρων.
Κινητήρια συστήματα σύγχρονων κινητήρων.
Οι αντιστροφείς (inverters) και οι ομαλοί εκκινητές (soft starters) μπορούν να ελέγχουν τη συχνότητα, την τάση ή το ρεύμα για να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις των κινητήριων συστημάτων Ε.Ρ. τα οποία αντικαθιστούν τα κινητήρια συστήματα Σ.Ρ. και χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανικές και οικιακές εφαρμογές.
Μέθοδοι ελέγχου ηλεκτρικών κινητήρων Ε.Ρ.
Η ταχύτητα και η ροπή των επαγωγικών κινητήρων μπορούν να μεταβληθούν εφόσον τους ασκηθεί:Έλεγχος τάσεως στάτη (stator voltage control).
Έλεγχος τάσεως δρομέα (rotor voltage control).
Έλεγχος συχνότητας (frequency control).
Έλεγχος τάσεως και συχνότητας στάτη (stator voltage and frequency control).
Έλεγχος ρεύματος στάτη (stator current control).
Έλεγχος τάσεως, ρεύματος και συχνότητας (voltage, current, and frequency control).
Κινητήρια συστήματα επαγωγικών κινητήρων
Ένας έλεγχος κλειστού βρόχου (closed-loop control) απαιτείται συνήθως για να ικανοποιήσει τις προδιαγραφές απόδοσης σε μόνιμη και μεταβατική κατάσταση λειτουργίας των κινητήριων συστημάτων Ε.Ρ., και η στρατηγική ελέγχου μπορεί να υλοποιηθεί με τριών ειδών ελέγχους, που είναι οι εξής:Βαθμωτός έλεγχος (scalar control), όπου οι μεταβλητές ελέγχου είναι ποσότητες Σ.Ρ. (dc quantities) και ελέγχονται μόνο τα μεγέθη τους.
Διανυσματικός έλεγχος (vector control) ή έλεγχος προσανατολισμένου πεδίου (field-oriented control [FOC]), όπου ελέγχονται και το μέγεθος και η φάση των μεταβλητών ελέγχου.
Προσαρμοστικός έλεγχος (adaptive control), όπου οι παράμετροι του ελεγκτή μεταβάλλονται συνεχώς για να προσαρμοστούν στις μεταβολές των μεταβλητών εξόδου (output variables).
Η τεχνική ελέγχου προσανατολισμένου πεδίου ( field-oriented control [FOC]) επιτρέπει να οδηγηθεί ένας επαγωγικός κινητήρας βραχυκυκλωμένου κλωβού (squirrel-cage induction motor) με υψηλή δυναμική απόδοση, που είναι συγκρίσιμη με την χαρακτηριστική ενός κινητήρα Σ.Ρ. Η τεχνική αυτή αποσυνδέει δυο συνιστώσες του ρεύματος του στάτη: τη μία που παρέχει τη μαγνητική ροή του διακένου αέρα και την άλλη που παράγει τη ροπή. Παρέχει ανεξάρτητο έλεγχο της μαγνητικής ροής και της ροπής, και η χαρακτηριστική ελέγχου (control characteristic) γραμμικοποιείται.
Ο διανυσματικός έλεγχος μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με άμεσο (direct field-oriented control [DFOC]) είτε με έμμεσο έλεγχο προσανατολισμένου πεδίου (indirect field-oriented control [IFOC]), μέθοδοι οι οποίες διαφέρουν κατά κύριο λόγο στον τρόπο με τον οποίο παράγεται το μοναδιαίο διάνυσμα για τον έλεγχο.
Στην άμεση μέθοδο, το διάνυσμα της μαγνητικής ροής υπολογίζεται από τις τερματικές ποσότητες του κινητήρα, ενώ στην έμμεση μέθοδο χρησιμοποιείται η συχνότητα ολίσθησης του κινητήρα ωsl για να υπολογιστεί το επιθυμητό διάνυσμα μαγνητικής ροής. Είναι απλούστερο να εφαρμόσουμε την έμμεση μέθοδο παρά την άμεση, και για αυτό χρησιμοποιείται ολοένα και περισσότερο σε έλεγχο επαγωγικού κινητήρα.
Κινητήρια συστήματα σύγχρονων κινητήρων
Ένας σύγχρονος κινητήρας είναι μια μηχανή σταθερής ταχύτητας και πάντα περιστρέφεται με μηδενική ολίσθηση στη σύγχρονη ταχύτητα, η οποία εξαρτάται από τη συχνότητα και τον αριθμό των πόλων. Ένας σύγχρονος κινητήρας μπορεί να εργάζεται ως κινητήρας ή γεννήτρια, και ο συντελεστής ισχύος μπορεί να ελέγχεται μεταβάλλοντας το ρεύμα πεδίου. Με κυκλομετατροπείς και αντιστροφείς οι εφαρμογές των σύγχρονων κινητήρων σε κινητήρια συστήματα μεταβαλλόμενης ταχύτητας διευρύνονται.
Οι σύγχρονοι κινητήρες μπορούν να ταξινομηθούν σε έξι είδη, που είναι τα εξής:
Κινητήρες κυλινδρικού δρομέα (Cylindrical rotor motors).
Κινητήρες έκτυπων (προεξεχόντων) πόλων (Salient-pole motors).
Κινητήρες μαγνητικής αντίστασης (Reluctance motors).
Κινητήρες μόνιμου μαγνήτη (Permanent – magnet motors).
Κινητήρες διακοπτόμενης μαγνητικής αντίστασης (Switched reluctance motors).
Κινητήρες Σ.Ρ. και Ε.Ρ. χωρίς ψήκτρες (Brushless DC and AC motors).
Η ταχύτητα των σύγχρονων κινητήρων μπορεί να ελέγχεται μεταβάλλοντας την τάση, τη συχνότητα και το ρεύμα, όπως και στους επαγωγικούς κινητήρες. Επειδή η ταχύτητα των σύγχρονων κινητήρων εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα τροφοδοσίας, χρησιμοποιούνται σε πολυκινητήρια συστήματα (ή κινητήρια συστήματα πολλών κινητήρων [multimotor drives]) που απαιτούν ακριβή κατανομή ταχύτητας (accurate speed tracking) μεταξύ των κινητήρων. Τέτοια συστήματα απαντώνται σε νηματουργία (fiber spinning mills), χαρτοβιομηχανίες (paper mills), υφαντουργίες (textile mills) και εργαλειομηχανές, καθώς και σε μηχανοκίνητα εργαλεία κοπής και διαμόρφωσης μετάλλων (machine tools).
*Ο κ. Νικόλαος Σ. Κορακιανίτης είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός και τεχνολογίας υπολογιστών, MSc Electrical and Computer Engineering, MSc in Microelectronics, ακαδημαϊκός υπότροφος του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής, στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων & Ηλεκτρονικών Μηχανικών, καθώς και μέλος του Ερευνητικού Εργαστηρίου Ευφυών Τεχνολογιών, Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και Ποιότητας.
Κινητήρες έκτυπων (προεξεχόντων) πόλων (Salient-pole motors).
Κινητήρες μαγνητικής αντίστασης (Reluctance motors).
Κινητήρες μόνιμου μαγνήτη (Permanent – magnet motors).
Κινητήρες διακοπτόμενης μαγνητικής αντίστασης (Switched reluctance motors).
Κινητήρες Σ.Ρ. και Ε.Ρ. χωρίς ψήκτρες (Brushless DC and AC motors).
Η ταχύτητα των σύγχρονων κινητήρων μπορεί να ελέγχεται μεταβάλλοντας την τάση, τη συχνότητα και το ρεύμα, όπως και στους επαγωγικούς κινητήρες. Επειδή η ταχύτητα των σύγχρονων κινητήρων εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα τροφοδοσίας, χρησιμοποιούνται σε πολυκινητήρια συστήματα (ή κινητήρια συστήματα πολλών κινητήρων [multimotor drives]) που απαιτούν ακριβή κατανομή ταχύτητας (accurate speed tracking) μεταξύ των κινητήρων. Τέτοια συστήματα απαντώνται σε νηματουργία (fiber spinning mills), χαρτοβιομηχανίες (paper mills), υφαντουργίες (textile mills) και εργαλειομηχανές, καθώς και σε μηχανοκίνητα εργαλεία κοπής και διαμόρφωσης μετάλλων (machine tools).
*Ο κ. Νικόλαος Σ. Κορακιανίτης είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός και τεχνολογίας υπολογιστών, MSc Electrical and Computer Engineering, MSc in Microelectronics, ακαδημαϊκός υπότροφος του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής, στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων & Ηλεκτρονικών Μηχανικών, καθώς και μέλος του Ερευνητικού Εργαστηρίου Ευφυών Τεχνολογιών, Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και Ποιότητας.
Αναρτήσεις
