dr inż. Jerzy Przybylski, dr inż Zbigniew Szulcartykuł pochodzi z miesięcznika "Napędy i Sterowanie"

Nowoczesny napęd elektryczny, szczególnie z silnikami trójfazowymi prądu przemiennego jest układem elektrycznym o skomplikowanej strukturze uwzględniającej osiągnięcia techniki z kilku dziedzin  

Postawione w tytule pytanie wynika z dwóch prostych faktów. Pierwszy, jest związany z historią rozwoju elektrotechniki. Najpierw rozwiązano problemy wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej, potem budowy i eksploatacji maszyn elektrycznych. Wówczas problem włączania silnika do sieci zasilającej stał się sprawą prostszą. Zapewne jest to nieco uproszczone, lecz bliskie rzeczywistości. W początkach XX wieku regulacje parametrów wyjściowych silników elektrycznych stosowano w bardzo ograniczonym zakresie (głównie silniki prądu stałego) i prostymi, mało ekonomicznymi metodami. Znaczącym postępem było wprowadzenie do praktyki przemysłowej tzw. Układu Leonarda. Umożliwiło to regulację silników prądu stałego. Silnik elektryczny trójfazowy prądu przemiennego, którego zastosowanie w przemyśle w pierwszej połowie XX wieku osiągnęło największe sukcesy (głównie ze względu na trójfazowy system przesyłu i rozdziału energii elektrycznej) sprawił duże trudności przy próbach regulacji prędkości obrotowej lub momentu. Z tego względu regulację parametrów wyjściowych silników stosowano głównie do silników prądu stałego. W przypadku silników prądu przemiennego, który z uwagi na swoje właściwości ruchowe był najczęściej stosowanym, do regulacji prędkości były używane metody mechaniczne (przekładnie, sprzęgła regulowane). Najczęściej jednak silnik trójfazowy prądu przemiennego był stosowany bez układów regulacji, tylko wyposażony w apa,raturę łączącą i zabezpieczającą. W lalach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych znacząco rozwinęła się technika półprzewodnikowych elementów sterowanych. W napędzie elektrycznym rozpoczął się okres szerokiego stosowania tyrystorowych przekształtników do silników prądu stałego. Rozwijały się także badania w dziedzinie napędu prądu przemiennego, choć w zastosowaniach przemysłowych znacznie wolniej niż w dziedzinie napędu z silnikami prądu stałego. Na przełomie lat 1980 i 1990, kiedy wprowadzono w zastosowania tyrystory wyłączalne typu GTO oraz tranzystory mocy IGBT, rozpoczęła się znacząca produkcja przemienników częstotliwości (przetwornice częstotliwości) stosowanych do zasilania silników prądu przemiennego. W ciągu 5 lat (1990 -95) technika wytwarzania przemienników stała się na tyle prosta, że aktualnie przetwornice częstotliwości są wytwarzane przez setki firm. Konstrukcja współczesnego przemiennika częstotliwości umożliwia w prosty sposób uruchomienie regulowanego napędu z silnikiem prądu przemiennego (najczęściej trójfazowym). W zastosowaniach praktycznych najwięcej jest silników o mocach 1-10 kW. Taka sytuacja stwarza wrażenie, że zastosowanie regulowanego napędu prądu przemiennego z przemiennikiem częstotliwości jest takie proste. To jest drugi fakt, który pozwolił autorom zadać tytułowe pytanie. 
Współczesny napęd elektryczny  
W trakcie przemiany elektromechanicznej (głównie silniki elektryczne) zużywa się najwięcej energii elektrycznej w Polsce (podobnie jak w innych krajach). Szacuje się, że w 1993r. na tę przemianę zużyto ok. 56 proc. całej energii elektrycznej wytworzonej w kraju i zużycie to rośnie. Sterując energią elektryczną dostarczaną do silnika reguluje się jego prędkość obrotową i moment obrotowy. Potrzeba regulacji tych parametrów wyjściowych silnika wynika ze względów technologicznych oraz oszczędności energii. Pod względem wielkości zainstalowanej mocy silniki prądu przemiennego stanowią największy udział. Dla przykładu, silniki w zakresie mocy od l do 250 kW stanowią ok. 60 proc. mocy zainstalowanej w napędach a zużycie energii elektrycznej przez te silniki to ok. 25 proc. całkowitej energii elektrycznej wytworzonej w Polsce. Te kilka faktów tłumaczy dlaczego tak usilnie pracowano nad konstrukcją prostego w eksploatacji przemiennika częstotliwości. Obecnie kiedy istnieje łatwy dostęp do przemienników częstotliwości, kiedy maleją ich ceny, zwłaszcza małej mocy, często zapomina się, że napęd elektryczny, a tym bardziej współczesny, to nie tylko silnik elektryczny i przemiennik częstotliwości. Napęd elektryczny tworzy co najmniej 5 urządzeń wskazanych w schemacie przetwarzania energii elektrycznej na mechaniczną (rys. l ).
Rysunek 1. Schemat blokowy napędu elektrycznego Tor przetwarzania energii elektrycznej tworzą:

• układ zasilania energią elektryczną (ZAS),

• układ przetwarzania energii elektrycznej o parametrach stałych na energię elektryczną o parametrach regulowanych (REG) wynikających z potrzeb procesu technologicznego,

• silnik elektryczny (MOT) przetwarzający energię elektryczną na energię mechaniczną o parametrach (najczęściej ruchu obrotowego),

• maszyna robocza MAR - tj. urządzenie, które wymaga zasilania energią mechaniczną o parametrach regulowanych (najczęściej prędkości obrotowej Q lub momentu M,

• układ sterujący (UST) urządzeniem przetwarzającym (REG).

Obecnie najszybciej rozwijającymi się elementami układu napędowego są urządzenia przetwarzające (REG) i układy sterujące (UST). Elementy układu napędowego są powiązane z sobą wzajemnie. Układ sterujący (UST) uzyskuje informację od wszystkich bloków napędu i wypracowuje sygnały sterujące dla urządzenia przetwarzającego energię elektryczną (REG). Zbiór informacji jakie otrzymuje blok (UST) jest dość duży (sygnały o wartości lub jakości parametrów, stan zabezpieczeń, monitoring itp.). Wykonanie bloku sterującego (UST) w technice mikroprocesorowej pozwoliło osiągnąć efekty eksploatacyjne przyjazne dla obsługi i spełniające często bardzo trudne wymagania technologiczne. Urządzenie przetwarzające (REG) stanowi najczęściej energoelektroniczny przekształtnik oparty na półprzewodnikowych elementach sterowanych i niesterowanych. Na rys. l urządzenie REG jest przedstawione jako wykonane oparte na technice tranzystorów IGBT. Dopiero wprowadzenie do praktyki elementów półprzewodnikowych w pełni sterowanych umożliwiło szybki rozwój przemysłowych urządzeń przetwarzających. Często w praktyce urządzenie przetwarzające (REG) oraz układ sterujący (UST) stanowią jeden blok konstrukcyjny. Poprawna praca całego napędu regulowanego jest możliwa gdy wszystkie bloki funkcjonują zgodnie z założeniami projektowymi. Podczas projektowania należy uwzględnić wszystkie powiązania, zależności i zjawiska występujące w całym napędzie. Pominięcie któregokolwiek z tych elementów może spowodować, że oczekiwania mogą minąć się z rzeczywistością. Występuje to wówczas, gdy nie została przeprowadzona właściwa analiza techniczno-ekoniomiczna. 
Przykład nowoczesnego napędu  
Na rys.2 przedstawiono energoelektroniczny napęd wentylatora. Sieć zasilająca (SZ) poprzez transformator (T) zasila przemiennik częstotliwości (F). Do wyjścia przemiennika częstotliwości jest przyłączony silnik indukcyjny klatkowy (M.) napędzający wentylator (W). Regulacja parametrów technologicznych (Pt) wentylatora (ciśnienie, wydajność) odbywa się poprzez regulację prędkości obrotowej (W). Dla mocy silnika mniejszej niż 250 kW transformator może okazać się zbyteczny. Układ sterujący (UST) uzyskuje informacje o stanie sieci zasilającej (U₃) przemiennik częstotliwości (wartość napięcia, jego asymetria) i na tej podstawie zezwala lub blokuje jego pracę. Do układu sterującego (UST) są doprowadzane informacje o napięciu zasilającym silnik (U_M) oraz prądzie (I_M). Informacje te wraz z sygnałem zadającym (prędkość obrotowa silnika lub moment) są podstawą do sterowania przemiennikiem częstotliwości wg jednej z trzech obecnie stosowanych metod:

• metoda sterowania skalarnego

• metoda sterowania zorientowanego połowo (wektorowe)

• metoda bezpośredniego sterowania momentem.

Każda z tych metod pozwala uzyskać określone właściwości momentu napędu. Wybór określonej metody pozwala na uzyskanie charakterystyk statycznych i dynamicznych napędu, odpowiednich dla określonego zastosowania. Dotychczas najczęściej stosowano i najprostszą metodą sterowania przemiennikiem częstotliwości jest metoda skalarna, a najbardziej skomplikowaną i obecnie coraz częściej stosowaną metoda bezpośredniego zadawania momentem. W zastosowaniach praktycznych z dokładną stabilizacją prędkości obrotowej (O) wymagane jest sprzężenie prędkościowe (dokładność stabilizacji < 0,5 %). Na rysunku 2 przedstawiono układ z pętlą sprzężenia technologicznego (Pt) do stabilizacji ciśnienia na wyjściu wentylatora. Potrzeby eksploatacyjne mogą spowodować konieczność rozbudowy układu sterującego UST, który będzie spełniać oprócz funkcji sterujących także rolę układu stabilizacji różnych procesów sterowania i eksploatacyjnych, w którym pracuje napęd, a także obwodów monitorujących określone zjawiska w napędzie i procesie technologicznym. Praktycznie jest wykorzystywane około 50 % lub mniej wszystkich możliwości układu sterowania dla jednego zastosowania.
Rysunek 2. Schemat ideowo-blokowy regulowanego napędu wentylatora W rozpatrywanym przykładzie regulowany układ napędowy regulatora zapewnia następujące właściwości:

• stabilizację ciśnienia na wyjściu wentylatora (regulator ciśnienia zrealizowano w oparciu o wyposażenie układu sterowania UST)

• oszczędność energii elektrycznej (stabilizacja ciśnienia jest realizowaną przez energooszczędną regulację prędkości obrotowej wentylatora)

• szybkie hamowanie wentylatora w wymaganych stanach technologicznych i awaryjnych (w tym celu zastosowano falownik napięcia sterowany metodą wektorową oraz układ choppera do hamowania dynamicznego silnika)

• stabilizacja prędkości obrotowej nie jest wymagana a więc brak jest pętli sprzężenia prędkościowego (poprawną dynamikę pracy układu uzyskuje się dzięki istnieniu w układzie sterującym UST modelu silnika o parametrach ustawianych dla określonego zastosowania)

• wygodną eksploatację, gdyż układ sterujący UST jest wyposażony w układy rejestracji stanów awaryjnych układu napędu oraz obserwację kilkudziesięciu parametrów napędu jak: prądy i napięcia zasilania silnika, moc, częstotliwość, prędkość silnika, zużytą energię elektryczną, nastawy regulatora itp. Układ UST umożliwia zadawanie ciśnienia z kilku miejsc sygnałami analogowymi (prądowymi lub napięciowymi ) lub cyfrowymi. Układ może współpracować z nadrzędnym systemem mikroprocesorowym zarządzającym całym procesem technologicznym

• małe oddziaływanie na sieć zasilającą (zastosowano transformator trójuzwojeniowy zasilający przemiennik) oraz dodatkowe dławiki sieciowe przez co ograniczono zawartość harmoniczych w prądzie pobieranym z sieci

• zastosowano nowy silnik niskonapięciowy przeznaczony do zasilania z przetwornicy częstotliwości. Dotychczasowy był silnikiem średniego napięcia 6 kV, a długi okres jego eksploatacji nie pozwalał na pracę w układzie z podwójnym przetwarzaniem.

Wszystkie te właściwości napędu są efektem rozpatrywania ich na etapie założeń tcchniczno-ekonomicznych oraz projektu wykonawczego. Z powyższych stwierdzeń wynika, że należy rozpatrywać napęd jako układ gdzie wszystkie urządzenia w jego skład wchodzące są ze sobą ściśle powiązane. Poprawne zaprojektowanie, uruchomienie i eksploatacja wymaga znajomości takich dziedzin technicznych jak: maszyny elektryczne, energetyka, energoelektronika, automatyka i sterowanie, a także współpracy z technologami. Warto zauważyć, że tak jak bywa w technice, gdy tylko jeden element urządzenia funkcjonuje niewłaściwie, może być to źródłem dużych komplikacji jego pracy. Przykładem podpierającym to stwierdzenie są oscylogramy prądu i napięcia linii energetycznej 15 kV zasilającej zakład przemysłowy eksploatujący dużą ilość napędów energoelektronicznych przyłączonych w sposób dowolny do sieci i nie posiadający na wyposażeniu żadnych środków zaradczych takiemu stanowi. Konsekwencją tego stanu jest fakt, że kolejny odbiornik elektryczny przyłączony do sieci zakładowej nie mógł poprawnie pracować. 
Podsumowanie  
Zamierzeniem autorów artykułu było osiągnięcie następujących celów:

• nowoczesny napęd elektryczny, szczególnie z silnikami trójfazowymi prądu przemiennego jest układem elektrycznym o skomplikowanej strukturze uwzględniającej osiągnięcia techniki z kilku dziedzin

• efekty techniczne i ekonomiczne jakie chce się osiągnąć są możliwe do przewidzenia (osiągnięcia) na etapie projektowania wykonując dogłębną analizę wszystkich zjawisk

• poprawnie zaprojektowany, wykonany i uruchomiony napęd elektryczny jest łatwy w obsłudze i przyjazny dla środowiska, urządzeń elektrycznych i mechanicznych współpracujących z nim

• ciągły rozwój i stosowanie nowych elementów energoelektronicznych i sterujących wymaga stałego zdobywania wiedzy i praktyki w tej dziedzinie.

Autorzy mają nadzieję, że czasopismo "Napędy i sterowanie" stanie się właściwym miejscem dla zdobywania tej wiedzy i informacji oraz podzieleniem się doświadczeniem praktycznym. Warto zaznaczyć, że czołowe ośrodki rozwoju napędu elektrycznego w pierwszej kolejności w chwili obecnej dążą do wytworzenia przemienników częstotliwości dla silników indukcyjnych dużej mocy i zasilane napięciem średnim (3.3kV, 6kV). w tym dla silników 6kV dotychczas stosowanych. Kształtowanie przebiegu napięcia o regulowanej częstotliwości i amplitudzie metodą PWM (modulacji szerokości impulsów) w prostym wykonaniu nie daje aktualnie wystarczających efektów. Dąży się do uzyskania napięcia o sinusoidalnym kształcie z pomocą nowych struktur i topologii przemiennika częstotliwości oraz rozwoju nowych metod sterowania. Pewnym problemem technicznym jest zastosowanie elementu w pełni sterowalnego na napięcie robocze 6 kV. Stosowane obecnie moduły tranzystorowe IGBT mogą pracować w przemiennikach na napięcie 3,3kV i prądach do 1200 A. Innym rozwiązaniem jest energoelektroniczny element półprzewodnikowy łączący właściwości tyrystora GTO (duże wartości napięć pracy) oraz tranzystora IGBT (duża częstotliwość łączeń) zwany IGOT (Integrated Gate Commutated Thyristor). W zakresie układów napędowych małej mocy wysiłki konstruktorów przemienników są ukierunkowane na produkcję zintegrowanych przemienników z silnikiem oraz produkcję prostych w obsłudze i prostym sposobie sterowania. Stan taki jest efektem konkurencji na rynku, gdzie liczba firm produkujących i sprzedających przemienniki częstotliwości jest coraz większa. Ceny tych urządzeń będą maleć, lecz coraz trudniej, bez dodatkowej informacji i wiedzy o dziedzinie, właściwie je zastosować. W takim przypadku czasopismo "Napędy i sterowanie", mamy nadzieję może być pomocne zarówno dla użytkowników układów napędowych oraz producentów.

---