Sagedusmuunduri vektorjuhtimine – puust ja punaseks

Tegelikult on vektorjuhtimisel väga selge ja praktiline roll – eriti siis, kui mootorilt oodatakse jõudu, sujuvust ja head juhitavust ka madalatel pööretel.
Vaatame asja algusest ja inimkeeli.

Kuidas mootorit tavaliselt juhitakse?

Asünkroonmootori puhul on loogika lihtne:

• sagedus määrab pöörlemiskiiruse
• pinge määrab, kui tugev magnetväli mootoris tekib

Lihtsaim juhtimisviis ongi nn V/f-juhtimine, kus sagedusmuundur hoiab pinget ja sagedust omavahel lineaarses seoses. Kui sagedus langeb, langeb ka pinge. See töötab ja on paljudes lihtsates rakendustes täiesti piisav.

Aga probleemid tulevad mängu siis, kui:

• mootor peab töötama aeglaselt
• koormus muutub
• on vaja head pöördemomenti juba käivitamisel

Just siin hakkab V/f-juhtimine hätta jääma.

Miks ainult V/f-st ei piisa?

V/f-juhtimine ei tea tegelikult, mida mootor parasjagu teeb.
Ta ei küsi:

• kui suur on koormus
• kui palju pöördemomenti tegelikult vaja on
• kas mootor on soe või külm

Ta lihtsalt hoiab pinget ja sagedust. Tulemuseks võib olla:

• nõrk moment madalatel pööretel
• aeglane reaktsioon koormuse muutusele
• suuremad kaod ja kuumem mootor

Ja siit jõuamegi vektorjuhtimiseni.

Mis on vektorjuhtimine – lihtsas keeles?

Vektorjuhtimise mõte on lihtne:
juhtida mootori pöördemomenti ja magnetvoogu eraldi.

Sagedusmuundur mõõdab mootori voolusid ja jagab need matemaatiliselt kaheks osaks:

• üks osa tekitab magnetvälja
• teine osa tekitab pöördemomendi

Kui neid kahte komponenti eraldi kontrollida, saab mootorit juhtida palju täpsemalt. Sisuliselt pannakse asünkroonmootor käituma nagu alalisvoolumootor, kus „jõud“ ja „väli“ on lahutatud ja hästi juhitavad.

Kõik see kõlab keeruliselt, aga tänapäeval teeb selle töö ära sagedusmuunduri sees olev protsessor. Kasutaja jaoks tähendab see lihtsalt paremini käituvat mootorit.

Mis on magnetvoog?

Magnetvoog on see mootori sees tekkiv magnetväli, mis „hoiab kinni“ rootori ja võimaldab tal koos staatori väljaga pöörlema hakata. Kui magnetvoogu ei ole, siis mootor küll saab voolu, aga ei suuda pöördemomenti tekitada.

Magnetvoo tekitamiseks kulub alati osa elektrienergiast, sõltumata sellest, kas mootoril on parasjagu koormus peal või mitte. Kui magnetvoogu on liiga vähe, jääb mootor nõrgaks ja ebastabiilseks. Kui seda on liiga palju, hakkab mootor lihtsalt rohkem soojust tootma, ilma et sellest jõudu juurde tuleks.

Vektorjuhtimise üks suurimaid eeliseid ongi see, et sagedusmuundur hoiab magnetvoo kogu aeg just parajal tasemel ning reguleerib eraldi pöördemomenti – nii saab mootor teha täpselt nii palju tööd, kui vaja, ilma liigse energiakuluta.

Autotune – väike samm, suur vahe

Et vektorjuhtimine toimiks korralikult, peab sagedusmuundur teadma, millise mootoriga ta tegeleb. Selleks kasutatakse autotune’i.

Autotune’i käigus mõõdab muundur muu hulgas:

• staatori takistust
• induktiivsusi
• magnetiseerimisomadusi

Sõltuvalt sagedusmuunduri mudelist ja mõõtmise sügavusest võib autotune:

• kesta vaid paar sekundit
• võtta täpsemal seadistamisel paarkümmend sekundit või isegi rohkem

Oluline on meeles pidada, et autotune tuleks teha külma mootoriga, sest mootori parameetrid muutuvad soojenemisel.

Mitsubishi Electric vektorjuhtimine praktikas

Mitsubishi Electric sagedusmuundurite vektorjuhtimine võimaldab mootorit jõuliselt juhtida juba alates ligikaudu 1 Hz sagedusest, seda ka ilma kiiruse tagasisideta.

See tähendab, et:

• mootor ei „sure välja“ madalatel pööretel
• pöördemoment on stabiilne
• kiirus püsib koormuse muutudes paremini paigas

Loomulikult annab enkoodriga lahendus veelgi täpsema ja jõulisema tulemuse ning on õigustatud rakendustes, kus täpsus ja dünaamika on kriitilised. Kuid paljudes tööstuslikes rakendustes töötab sensorita vektorjuhtimine väga hästi.

Madalad pöörded ja jahutus – oluline meeldetuletus

Üks asi, mida vektorjuhtimise juures kindlasti ei tohi unustada, on mootori jahutus.

Asünkroonmootori võlli otsas olev ventilaator:

• jahutab mootorit hästi nimikiiruse lähedal
• muutub madalatel pööretel praktiliselt ebaefektiivseks

Kui mootor töötab:

• madalatel sagedustel
• suure koormusega
• pikema aja vältel

tuleb mõelda lisajahutusele, suuremale mootorile või töötsükli piirangutele. Vektorjuhtimine aitab küll momenti hoida, kuid füüsika vastu ei saa.

Rakendused, kus vektorjuhtimine on sisuliselt vältimatu

Vektorjuhtimine on eriti vajalik kõigis rakendustes, kus on vaja jõulist, kuid sujuvat tööd madalatel pööretel.

Näiteks:

• tõsteseadmed ja kraanad
• mikserid ja segistid
• purustajad
• kruvikonveierid
• raskelt käivituvad mehhanismid

Hea praktiline näide on ka lintlihvija töökojas. Karastatud tera peenteraga lihvimisel on oluline vältida tera ülekuumenemist. Üks tõhus viis selleks on pöörlemiskiiruse märgatav vähendamine. Samas peab mootor suutma koormust „välja kanda“. Vektorjuhtimine võimaldab vähendada pöördeid, säilitades samal ajal vajaliku jõudluse.

Kas vektorjuhtimine aitab ka energiat säästa?

Jah – aga nutikalt.

Vektorjuhtimine ei tõsta küll mootori nimikasutegurit, kuid:

• hoiab magnetvoo optimaalsel tasemel
• väldib tarbetut voolutarvet
• vähendab kadusid osalise koormuse ja madalate pöörete korral
• reageerib kiiremini koormuse muutustele

Tulemuseks on jahedam mootor ja väiksem energiatarve just seal, kus enamik ajameid päriselt töötab – mitte kogu aeg nimikiirusel.

Kokkuvõtteks

Vektorjuhtimine ei ole lihtsalt „parem režiim“ sagedusmuunduris.
See on tööriist, mis:

• parandab mootori juhitavust
• annab rohkem jõudu seal, kus seda vaja on
• muudab ajami töö sujuvamaks ja stabiilsemaks
• aitab paljudes rakendustes ka energiat kokku hoida

Kui mootor peab tegema päriselt tööd – eriti madalatel pööretel –, siis on vektorjuhtimine väga sageli ainus mõistlik valik.