W systemach automatyki przemysłowej jedną z najważniejszych kwestii jest możliwość skutecznego i efektywnego sterowania procesami produkcyjnymi w czasie rzeczywistym. Wymaga to nie tylko precyzyjnego monitorowania parametrów maszyn i urządzeń. Konieczne jest także szybkie reagowanie i dostosowywanie prędkości obrotowej silników elektrycznych zależnie od wymagań aplikacji.

Najczęściej w urządzeniach przemysłowych i domowych spotyka się silniki elektryczne asynchroniczne (indukcyjne) – głównie trójfazowe, o małej i średniej mocy. Silniki tego typu są bardzo popularne ze względu na swoją niezawodność i względnie dobrą sprawność energetyczną, a także prostotę konstrukcji. Wraz z nowoczesnymi urządzeniami sterującymi możliwe jest ich wykorzystanie w napędach elektrycznych o regulowanej prędkości obrotowej. 

Sterowanie prędkością obrotową tych silników w niektórych zastosowaniach może być jednak wyzwaniem. Zwłaszcza wtedy, gdy wymagane są precyzyjne operacje lub zmienne obciążenia. Dobór falownika do silnika napędzającego urządzenie w danej aplikacji, a właściwie metody sterowania silnikiem, jest więc podstawą optymalnego wykorzystania nowoczesnych napędów elektrycznych. Typowy podział napędów obejmuje przemienniki częstotliwości ze sterowaniem skalarnym, wektorowym i DTC (direct torque control).

Sterowanie skalarne

Układ sterowania skalarnego (znany również jako sterowanie U/f lub V/f) jest najbardziej rozpowszechnioną i najprostszą metodą sterowania silnikiem elektrycznym. W tego rodzaju systemach prędkość obrotowa jest regulowana poprzez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego silnik, utrzymując U/f = const lub U/f2 = const. 

Główną wadą sterowania skalarnego jest spadek mocy silnika wraz ze zmniejszeniem częstotliwości, co można zauważyć w obrotach sterowanego silnika. W zasadzie jedynymi używanymi zmiennymi są napięcie i częstotliwość odniesienia, natomiast prędkość obrotowa wału silnika i częstotliwość poślizgu nie są kontrolowane precyzyjne. 

Sterowanie skalarne to forma sterowania w otwartej pętli, bez sprzężenia zwrotnego w odniesieniu do prędkości obrotowej lub pozycji wału silnika w określonym momencie. Tego rodzaju sterowanie powinno być stosowane w aplikacjach o lekkich obciążeniach, gdzie nie ma wysokich wymagań co do precyzji regulacji prędkości obrotowej ani momentu obrotowego, a celem jest zapewnienie stabilnej pracy przy zmieniających się obciążeniach. 

Sterowanie skalarne najlepiej nadaje się do zastosowań, w których wysoka precyzja nie jest priorytetem – np. w transporterach, przenośnikach (charakterystyka U/f), pompach, wentylatorach czy dmuchawach (charakterystyka U/f2). Falownik skalarny może sterować kilkoma silnikami równocześnie, co przekłada się na zmniejszenie kosztów i jego optymalne wykorzystanie.

Sterowanie wektorowe

Alternatywą dla metody skalarnej jest sterowanie wektorowe, które pozwala na precyzyjną kontrolę prędkości obrotowej i momentu obrotowego silnika. Falownik z algorytmem wektorowym może w całym zakresie regulacji prędkości obrotowej silnika utrzymywać stałą wartość momentu obrotowego silnika. W praktyce udaje się to uzyskać dla zakresu częstotliwości 0,5–50 (60) Hz (zależnie od częstotliwości znamionowej silnika). Sterowanie wektorowe umożliwia także niezależne sterowanie momentem i strumieniem uzwojenia w silniku. Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie dokładności regulacji prędkości obrotowej wału silnika na poziomie 0,01%.

Żeby jednak uzyskać tak dokładny sposób regulacji, niezbędne jest przeprowadzenie odpowiedniej konfiguracji falownika i dokładne wprowadzenia parametrów obsługiwanego silnika. Każdy z falowników wektorowych może pracować również w trybie skalarnym i zazwyczaj właśnie tak są ustawiane fabrycznie.
Naturalnie sterowanie wektorowe ma także wady. Przede wszystkim falowniki wektorowe są zwykle dość drogie i wymagają większego nakładu pracy przy uruchomieniu. Ponadto w tej metodzie sterowania obowiązuje zasada, że jeden falownik może sterować wyłącznie jednym silnikiem, a nie jak w przypadku falownika skalarnego – w którego przypadku jest możliwość podpięcia do pojedynczego falownika kilku silników.

Falowniki z algorytmem wektorowym znajdują zastosowanie w różnych branżach przemysłu, w których wymagane są duży moment obrotowy, stabilne obroty i ich dokładna regulacja. Zastosowanie falowników tego rodzaju sprawdzi się w przypadku napędów dźwigów, siłowników, podnośników, mikserów, młynów i innych urządzeń – w których potrzebne jest wytworzenie dużego momentu obrotowego na starcie urządzenia lub skrócenie czasu hamowania i rozpędzania silnika.

Bezpośrednie sterowanie momentem

Metoda bezpośredniego sterowania momentem (direct torque control – DTC) to zaawansowana technologia sterowania elektrycznym silnikiem indukcyjnym, która umożliwia precyzyjną regulację momentu obrotowego i prędkości obrotowej wału silnika. Metoda DTC umożliwia bezpośrednie sterowanie momentem i strumieniem skojarzonym stojana silnika, eliminując potrzebę stosowania regulatorów prędkości czy regulatorów pozycji. Opiera się na generowaniu algorytmów sterowania, które uwzględniają aktualne parametry pracującego silnika, takie jak pobierany prąd, napięcie zasilające i prędkość obrotową. Rozwiązanie takie pozwala na szybką i dokładną reakcję na zmienne obciążenia. Rezultatem tego jest uzyskanie regulacji prędkości obrotowej wału silnika o dokładności na poziomie ±0,1–0,5%. Wyposażenie tego systemu w standardowy enkoder może poprawić dokładność regulacji prędkości do ±0,01%.

W procesie sterowania DTC nie ma także konieczności stosowania sprzężenia zwrotnego, co jest jedną z podstawowych zalet tej metody. W tego typu falownikach do ich poprawnej pracy konieczne jest wprowadzenie danych znamionowych silnika. Po ich wprowadzeniu falownik wykona operacje autotuningu silnika, tzn. wyliczy pozostałe dane silnika, w tym rezystancję i induktancję uzwojeń oraz stałą czasową rotora. Parametry silnika zmieniają się wraz z upływem czasu, dlatego w przypadku tego typu falowników niezbędne jest okresowe przeprowadzenie procedury autotuningu.

Falowniki z bezpośrednim sterowanym momentem znajdują zastosowanie w zaawansowanych systemach napędowych, w których wymagana jest wysoka dynamika i precyzja regulacji (np. nawijarki). Wykorzystuje się je również w aplikacjach, w których istotne jest zapewnienie stabilnej pracy przy zmieniających się warunkach obciążenia (np. napędy dźwigowe).

Dobór odpowiedniej metody sterowania napędem elektrycznym jest kluczowy w zapewnieniu optymalnej wydajności, precyzji i stabilności działania systemów przemysłowych. Właściwa metoda sterowania musi być dopasowana do konkretnych wymagań aplikacji, przy uwzględnieniu m.in. rodzaju obciążenia, dynamiki pracy i poziomu precyzji regulacji potrzebnego do osiągnięcia optymalnych rezultatów produkcyjnych. Prawidłowy dobór oraz konfiguracja falownika i silnika są również niezbędne dla zapewnienia efektywnej i niezawodnej pracy urządzeń przemysłowych.