Векторное управление асинхронным двигателем

Линейная скалярная рабочая характеристика ПЧ

Когда асинхронный электродвигатель приводится в действие скалярным преобразователем частоты, напряжение на двигателе линейно уменьшается с уменьшением частоты. Это связано с тем, что используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), где отношение действующего напряжения к частоте постоянно во всем диапазоне регулирования.

Частотно-вольтовая характеристика инвертора будет линейной до тех пор, пока напряжение не поднимется до предела, определяемого напряжением питания инвертора. Скалярное управление не позволяет двигателю развить необходимую мощность на низких частотах (мощность зависит от напряжения), и момент на валу резко падает.

Квадратичная скалярная рабочая характеристика

В ряде случаев, например при использовании преобразователя для мощных вентиляторов и насосов, применяют прямоугольную вольт-частотную характеристику с уменьшенным моментом, что позволяет учесть механику процесса, уменьшая токи и, следовательно, потери на низких частотах.

Как можно управлять скоростью вращения двигателя?

Очевидно, что двигатель при нормальной работе от сети (электрический шкаф) имеет стандартную скорость/скорость. Это ограничивает прямое использование и вынуждает использовать различные зубчатые механизмы для понижения частоты до требуемой. Но и тогда нет возможности динамически изменять скорость, а с ними и мощность, подачу, так как частоты на выходе двигателя и коробки передач все равно остаются фиксированными. Для расширения существующих рамок используются разные методы управления (частотные, импульсные, фазовые и др.), которые можно разделить на две большие группы:

1. Весы. Как правило, применяется на приводных двигателях компрессоров, вентиляторов, насосов и других механизмов, где требуется регулирование скорости вращения или других параметров, связанных с датчиками,
2. Вектор. Это передовая концепция, включающая раздельное независимое управление, изменение крутящего момента и потока. Токовая связь с ротором поддерживается на постоянном уровне, что позволяет поддерживать максимальный крутящий момент.

Управление асинхронным двигателем

Отличие скалярного управления от векторного заключается именно в возможности управления возбуждением (потоком). Фактически это двигатель постоянного тока с независимыми обмотками. Такой подход позволяет создать аналогичную математическую модель операционной системы контроллера.

Скалярный метод управления

Скалярный метод управления используется для приводов малой и средней мощности с вентиляторной нагрузкой (т.е для вентиляторов, насосов, компрессоров, дымососов с легкой или нормальной работой). Самое главное, что при использовании скалярного метода можно управлять многодвигательными приводами от одного преобразователя частоты. Жесткость статической характеристики трансмиссии практически близка к естественной характеристике. Диапазон скалярного принципа управления, в котором возможно регулирование скорости двигателя без потери момента сопротивления, не превышает 1:10.

Благодаря этому достигается постоянная перегрузочная способность двигателя, которая не зависит от частоты приложенного напряжения, но при низких частотах двигатель может перегреваться и снижать развиваемый им момент. Чтобы избежать этого, минимальное значение устанавливается для выходной частоты.

Изменение напряжения питания электродвигателя
под скалярным управлением

При необходимости увеличения жесткости характеристики и расширения пределов регулирования применяются различные аналоговые датчики или датчики частоты пульса. Для этого преобразователи частоты имеют дискретно-аналоговые входы управления.

Преобразователи частоты, в которых управление реализовано скалярным методом управления, обычно малозатратны, проще и общеприменимы в электрическом режиме, где нет критичных требований к точности и диапазону регулирования. При наладке таких преобразователей достаточно учесть только номинальные значения параметров электропривода, настроить стандартные варианты защиты и управления.

С учетом вышеуказанных функций можно рассмотреть следующие возможности использования для скалярного управления преобразователем частоты:

Системы водоснабжения и водоотведения представляют собой достаточно сложную технологическую конструкцию, основными элементами которой являются трубопроводы и насосные агрегаты.

Электрическая работа насосных агрегатов

Применение скалярного метода управления для выполнения плавного пуска, торможения и регулирования скорости работы насосов снижает интенсивность гидроударов, что снижает количество профилактических ремонтов оборудования и вероятность аварий, связанных с механическими нагрузками (преждевременный износ муфт, коробки передач, подшипники двигателя).

При увеличении скорости пропорционально увеличивается напряжение питания статора. Скалярное управление помогает поддерживать момент на валу постоянным в рабочем диапазоне частот (но при малых скоростях момент уменьшается, для этого в преобразователях частоты есть возможность устанавливать момент на нижний предел скорости).

Для насосных систем в инверторе можно настроить следующие полезные функции (особенно для тех инверторов, которые предназначены для отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха — так называемых систем HVAC):

• Инвертировать функцию сна/бодрствования
  Позволяет останавливать асинхронный двигатель в периоды отсутствия или значительного снижения расхода воды. Это экономит энергию и снижает износ оборудования.
• Защита от сухого хода
  Сухой ход возникает, когда давление на входе насоса не соответствует техническим требованиям. Длительная работа в таком режиме может привести к преждевременному выходу из строя подшипниковых узлов и уплотнений. Контроль рабочего состояния преобразователя осуществляется по показаниям датчиков расхода и давления в трубопроводе.
• Замена потерь на трение
  Эта функция регулирует поток к насосному агрегату и компенсирует потерю давления, поддерживая постоянное давление в рабочей точке, независимо от расхода воды.

Также доступны другие прикладные функции для оптимизации и защиты привода насоса (полное управление трубопроводом, контроль давления/потока, блокировка и т д).

Важным преимуществом скалярного метода является возможность одновременного управления группой агрегатов. Преобразователь частоты совместно с алгоритмом системы управления изменяет скорость вращения привода, а также, при необходимости, количество одновременно работающих механизмов.

Вышеуказанные прикладные функции доступны в преобразователях частоты и электроприводах в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

Читайте также: U vw что они означают в электрическом

Когда используется

Скалярное управление двигателями переменного тока — хороший вариант для приложений, где нет переменной нагрузки и не требуется хорошая динамика (вентиляторы, насосы). Скалярное управление не требует датчика положения ротора, а скорость вращения ротора можно оценить по частоте питающего напряжения. При скалярном управлении не требуется высокопроизводительный цифровой сигнальный процессор, как в случае с векторным управлением.

Формы и схема векторного управления

Все существующие сегодня системы векторного управления работой двигателя можно разделить на две группы:

1. Датчик. Блок управления двигателем имеет обратную связь по скорости с помощью расположения соответствующих датчиков на валу,
2. Без датчика. Это системы, работающие без датчиков скорости на главном валу.

Сенсорные системы более сложны, так как точность контроля составляет 1:10000. Безсенсорные системы работают на уровне не более 1:100. Все частотники с учетом уровня создаваемых помех устанавливаются в центральных или отдельных шкафах.

Если представить все вышеперечисленное в виде наглядной схемы, то получится что-то вроде этого:

Здесь вы можете увидеть ключевые компоненты системы управления, такие как:

• АД — собственно асинхронный двигатель (объект управления),
• БРП — логический блок регуляторов переменных в уравнении,
• BVP — это логический блок, отвечающий за вычисления над переменными,
• БЗП — блок, задающий значения переменных,
• ДС — датчик скорости на валу двигателя,
• AIN PWM — блок с амплитудно-импульсной/широтно-импульсной модуляцией.

То, что показано на схеме в виде блоков, на практике является лишь параметрическими элементами схемы управления, которые реализованы на микроконтроллере. Следовательно, сам контроллер и связанные с ним приводы монтируются в электрическом шкафу. Для правильного монтажа разрабатывается технологическая карта.

Управление частотными контроллерами

Современные преобразователи тока/напряжения частоты работают как в скалярном, так и в векторном вариантах, используя параметрические математические модели, реализованные в программном коде встроенного микроконтроллера. Электронные преобразователи частоты работают по тиристорным мостовым схемам и включают в себя следующие основные узлы:

• Выпрямитель — тиристорный или транзисторный мост, преобразующий переменный ток в постоянный,
• Инвертор представляет собой блок AIM/PWM, который работает по обратному принципу, то есть преобразует постоянный ток в переменный.

Так как такой переход так или иначе влияет на форму графика выходного напряжения, блочный регулятор/преобразователь частоты также может использовать специальные ЭМС-фильтры в цепи дросселя. Последнее используется для снижения интенсивности электромагнитных помех.

Основной минус скалярной вольт-частотной характеристики

Линейная и квадратичная вольт-частотная зависимость при своей простоте и широком распространении имеет большой минус — падение мощности на валу, а значит падение крутящего момента и оборотов двигателя. При этом возникает так называемое скольжение, когда скорость вращения ротора отстает от скорости вращения электромагнитного поля.

Чтобы устранить этот эффект, используется компенсация скольжения для корректировки выходной частоты (скорости двигателя) по мере увеличения крутящего момента нагрузки. Если значение компенсации выбрано правильно, фактическая скорость вращения под большой нагрузкой будет приближаться к скорости холостого хода.

Кроме того, большинство линейных преобразователей V/F имеют функцию компенсации крутящего момента на низких скоростях. Эта функция реализована за счет повышения напряжения на низких частотах и ​​при неправильном использовании может привести к перегреву двигателя.

Оба параметра компенсации имеют постоянное (устанавливаемое при настройке) значение и не зависят от нагрузки.

Преимущества векторного управления

Задач, когда необходимо обеспечить заданную скорость, много, и описанный недостаток становится весьма актуальным. В таких случаях используется частотно-векторное управление, когда контроллер рассчитывает напряжение, необходимое для поддержания крутящего момента, обеспечивая стабильную частоту. В отличие от скалярного режима имеется «умное» управление магнитным потоком ротора.

Векторное управление асинхронным двигателем особенно важно при низких частотах — ниже 10 Гц, когда рабочий момент двигателя резко падает. Кроме того, этот метод позволяет поддерживать стабильную скорость (с предсказуемым линейным изменением) при разгоне. Это достигается достижением высокого пускового момента до выхода двигателя на режим.

Немаловажно и то, что при векторном управлении экономится энергия (в некоторых случаях до 60%), так как преобразователь частоты обычно передает на двигатель ровно столько энергии, сколько необходимо для поддержания заданной скорости.

Различают два типа векторного управления — без датчика скорости (без обратной связи, или бессенсорное) и с обратной связью, когда в качестве датчика обычно используется энкодер.

Векторное управление без обратной связи

В этом случае преобразователь частоты рассчитывает скорость вращения двигателя по математической модели на основе ранее введенных данных (параметров двигателя) и мгновенных данных по току и напряжению. На основании расчетов инвертор принимает решение об изменении выходного напряжения.

Перед включением векторного бездатчикового режима необходимо тщательно установить номинальные параметры двигателя: напряжение, ток, частоту, скорость (обороты), мощность, число полюсов, а также сопротивление обмоток и индуктивные параметры. Если какие-либо значения неизвестны, рекомендуется выполнить автотест двигателя на холостом ходу. Некоторые модели векторных преобразователей частоты устанавливают параметры по умолчанию для стандартного двигателя после ввода номинальных значений. Также необходимо установить ограничения на временные и текущие параметры векторного управления.

Недостатки скалярного управления

При скалярном управлении двигателем токи статора не контролируются напрямую.

СДПМ со скалярным методом управления может легко стать неуправляемым (выйти из синхронного состояния), особенно когда момент нагрузки превышает предельное значение момента преобразователя частоты. Скалярный метод не подходит для управления СДПМ на малых скоростях для приложений, требующих высокой динамики 1.

Скалярный метод управления относительно прост в реализации, но имеет ряд существенных недостатков:

во-первых, если датчик скорости не установлен, невозможно контролировать скорость вращения вала асинхронного двигателя, так как она зависит от нагрузки (наличие датчика скорости решает эту проблему), а в случае синхронный двигатель, при изменении нагрузки вы полностью теряете управление; во-вторых, момент нельзя контролировать. Конечно, эту проблему можно решить с помощью датчика крутящего момента, но стоимость его установки очень высока, и, скорее всего, будет выше самого электропривода. В этом случае управление крутящим моментом будет очень медленным, также невозможно управлять крутящим моментом и скоростью одновременно.

Скалярного управления достаточно для большинства приложений, где используется электропривод с диапазоном регулирования скорости двигателя до 1:10.

Когда требуется максимальная скорость, возможность управления в широком диапазоне скоростей и возможность управления крутящим моментом электродвигателя, применяется векторное управление.