Скалярное управление частотника в применении к асинхронным двигателям. Скалярное управление электродвигателем

Главная идея векторного управления заключается в том, чтобы контролировать не только величину и частоту напряжения питания, но и фазу. Другими словами контролируется величина и угол пространственного вектора . Векторное управление в сравнении со обладает более высокой производительностью. Векторное управление избавляет практически от всех недостатков скалярного управления.

Преимущества векторного управления:
• высокая точность регулирования скорости;
• плавный старт и плавное вращение двигателя во всем диапазоне частот;
• быстрая реакция на изменение нагрузки: при изменении нагрузки практически не происходит изменения скорости;
• увеличенный диапазон управления и точность регулирования;
• снижаются потери на нагрев и намагничивание, повышается .

К недостаткам векторного управления можно отнести:
• необходимость задания параметров ;
• большие колебания скорости при постоянной нагрузке;
• большая вычислительная сложность.

Общая функциональная схема векторного управления

Общая блок-диаграмма высокопроизводительной системы управления скорости переменного тока показана на рисунке выше. Основой схемы являются контуры контроля магнитного потокосцепления и момента вместе с блоком оценки, который может быть реализован различными способами. При этом внешний контур управления скоростью в значительной степени унифицирован и генерирует управляющие сигналы для регуляторов момента М * и магнитного потокосцепления Ψ * (через блок управления потоком). Скорость двигателя может быть измерена датчиком (скорости / положения) или получена посредством оценщика, позволяющего реализовать .

Классификация методов векторного управления

Начиная с семидесятых годов двадцатого века было предложено множество способов управления моментом. Не все из них нашли широкое применение в промышленности. Поэтому, в данной статье рассматриваются только самые популярные методы управления. Обсуждаемые методы контроля момента представлены для систем управления и с синусоидальной обратной ЭДС.

Существующие методы управления моментом могут быть классифицированы различным способом.

Чаще всего методы управления моментом разделяют на следующие группы:
• линейные (ПИ, ПИД) регуляторы;
• нелинейные (гистерезисные) регуляторы.

Примечание:

1. Без обратной связи.
2. С обратной связью.
3. В установившемся режиме

Среди векторного управления наиболее широко используются (FOC - field oriented control) и (DTC - direct torque control).

Линейные регуляторы момента

Линейные регуляторы момента работают вместе с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения. Регуляторы определяют требуемый вектор напряжения статора усредненный за период дискретизации. Вектор напряжения окончательно синтезируется методом ШИМ, в большинстве случаев используется пространственно векторная модуляция (ПВМ). В отличие от нелинейных схем управления моментом, где сигналы обрабатываются по мгновенным значениям, в линейных схемах контроля момента, линейный регулятор (ПИ) работает с значениями усредненными за период дискретизации. Поэтому частота выборки может быть уменьшена с 40 кГц у нелинейных регуляторов момента до 2-5 кГц в схемах линейных регуляторов момента.

Полеориентированное управление

Полеориентированное управление (ПОУ, англ. field oriented control, FOC) - метод регулирования, который управляет бесщеточным переменного тока ( , ), как машиной постоянного тока с независимым возбуждением, подразумевая, что поле и могут контролироваться отдельно.

Полеориентированное управление, предложенное в 1970 году Блашке и Хассе основано на аналогии с механически коммутируемым . В этом двигателе разделены обмотки возбуждения и якоря, потокосцепление контролируется током возбуждения , а момент независимо управляется регулировкой тока . Таким образом, токи потокосцепления и момента электрически и магнитно разделены.

Общая функциональная схема бездатчикового полеориентированного управления 1

С другой стороны бесщеточные электродвигатели переменного тока ( , ) чаще всего имеют трехфазную обмотку статора, и вектор тока статора I s используется для контроля и потокосцепления и момента. Таким образом, ток возбуждения и ток якоря объединены в вектор тока статора и не могут контролироваться раздельно. Разъединение может быть достигнуто математически - разложением мгновенного значения вектора тока статора I s на две компоненты: продольную составляющую тока статора I sd (создающую поле) и поперечную составляющую тока статора I sq (создающую момент) во вращающейся dq системе координат ориентированной по полю ротора (R-FOC – rotor flux-oriented control) - рисунок выше. Таким образом, управление бесщеточным двигателем переменного тока становится идентичным управлению и может быть осуществлено используя инвертер ШИМ с линейным ПИ регулятором и пространственно-векторной модуляцией напряжения.

В полеориентированном управлении момент и поле контролируются косвенно посредством управления составляющими вектора тока статора.

Мгновенные значения токов статора преобразовываются к dq вращающейся системе координат с помощью преобразования Парка αβ/dq, для выполнения которого также требуется информации о положении ротора. Поле контролируется через продольную составляющую тока I sd , в то время как момент контролируется через поперечную составляющую тока I sq . Обратное преобразование Парка (dq/αβ), математический модуль преобразования координат, позволяет вычислить опорные составляющие вектора напряжения V sα * и V sβ * .

Для определения положения ротора используется либо датчик положения ротора установленный в электродвигателе либо реализованный в системе управления бездатчиковый алгоритм управления, который вычисляет информацию о положении ротора в режиме реального времени на основании тех данных, которые имеются в системе управления.

Блок-схема прямого управления моментом с пространственно векторной модуляцией с регулировкой момента и потокосцепления с обратной связью работающей в прямоугольной системе координат ориентированной по полю статора представлена на рисунке ниже. Выходы ПИ регуляторов момента и потокосцепления интерпретируются как опорные составляющие напряжения статора V ψ * и V M * в системе координат dq ориентированной по полю статора (англ. stator flux-oriented control, S-FOC). Эти команды (постоянные напряжения) затем преобразуются в неподвижную систему координат αβ, после чего управляющие значения V sα * и V sβ * поступают на модуль пространственно векторной модуляции.

Функциональная схема прямого управления моментом с пространственно векторной модуляцией напряжения

Обратите внимание, что данная схема может рассматриваться как упрощенное управление ориентированное по полю статора (S-FOC) без контура управления током или как классическая схема (ПУМ-ТВ, англ. switching table DTC, ST DTC) в которой таблица включения заменена модулятором (ПВМ), а гистерезисный регулятор момента и потока заменены линейными ПИ регуляторами.

В схеме прямого управления моментом с пространственно векторной модуляцией (ПУМ-ПВМ) момент и потокосцепление напрямую управляются в замкнутом контуре, поэтому необходима точная оценка потока и момента двигателя. В отличии от классического алгоритма гистерезисного , работает на постоянной частоте переключения. Это значительно повышает характеристики системы управления: уменьшает пульсации момента и потока, позволяет уверенно запускать двигатель и работать на низких оборотах. Но при этом снижаются динамические характеристики привода.

Нелинейные регуляторы момента

Представленная группа регуляторов момента отходит от идеи преобразования координат и управления по аналогии с коллекторным двигателем постоянного тока, являющегося основой для . Нелинейные регуляторы предлагают заменить раздельное управление на непрерывное (гистерезисное) управление, которое соответствует идеологии работы (включено-выключено) полупроводниковых устройств инвертора.

В сравнении с полеориентированным управлением схемы прямого управления моментом имеют следующие характеристики:

Преимущества:
• простая схема управления;
• отсутствуют контуры тока и прямое регулирование тока;
• не требуется преобразование координат;
• отсутствует отдельная модуляция напряжения;
• датчик положения не требуется;
• хорошая динамика.

Недостатки:
• требуется точная оценка вектора магнитного потокосцепления статора и момента;
• сильные пульсации момента и тока из-за нелинейного (гистерезисного) регулятора и переменной частоты переключения ключей;
• шум с широким спектром из-за переменной частоты переключения.

Прямое управление моментом

Впервые метод прямого управления моментом с таблицей включения был описан Такахаси и Ногучи в статье IEEJ представленной в сентябре 1984 года и позже в статье IEEE опубликованной в сентябре 1986 года . Схема классического метода прямого управления моментом (ПУМ) на много проще, чем у метода управления по полю (), так как не требуется преобразования систем координат и измерения положения ротора. Схема метода прямого управления моментом (рисунок ниже) содержит оценщик момента и потокосцепления статора, гистерезисные компараторы момента и потокосцепления, таблицу включения и инвертор.

Принцип метода прямого управления моментом заключается в выборе вектора напряжения для одновременного управления и моментом и потокосцеплением статора. Измеренные токи статора и напряжение инвертора используются для оценки потокосцепления и момента. Оцененные значения потокосцепления статора и момента сравниваются с управляющими сигналами потокосцепления статора ψ s * и момента двигателя M * соответственно посредством гистерезисного компаратора. Требуемый вектор напряжения управления электродвигателем выбирается из таблицы включения исходя из оцифрованных ошибок потокосцепления d Ψ и момента d M генерируемых гистерезисными компараторами, а также исходя из сектора положения вектора потокосцепления статора полученного исходя из его углового положения . Таким образом, импульсы S A , S B и S C для управления силовыми ключами инвертора генерируются посредством выбора вектора из таблицы.

Классическая схема прямого управления моментом с таблицей включения с датчиком скорости

Имеется множество вариаций классической схемы нацеленых на улучшение пуска, условий перегрузки, работы на очень низких скоростях, уменьшение пульсаций момента, работу на переменной частоте переключения и уменьшение уровня шумов.

Недостатком классического метода прямого управления моментом является наличие высоких пульсаций тока и в установившемся состоянии. Проблема устраняется повышением рабочей частоты инвертора выше 40кГц, что увеличивает общую стоимость системы управления .

Прямое сомоуправление

Заявка на патент метода прямого самоуправления была подана Депенброком в октябре 1984 года . Блок схема прямого самоуправления показана ниже.

Основываясь на командах потокосцепления статора ψ s * и текущих фазовых составляющих ψ sA , ψ sB и ψ sC компараторы потокосцепления генерируют цифровые сигналы d A , d B и d C , которые соответствуют активным состояниям напряжений (V 1 – V 6). Гистерезисный регулятор момента имеет на выходе сигнал d M , который определяет нулевые состояния. Таким образом, регулятор потокосцепления статора задает отрезок времени активных состояний напряжений, которые перемещают вектор потокосцепления статора по заданной траектории, а регулятор момента определяет отрезок времени нулевых состояний напряжений, которые поддерживают момент электродвигателя в определенном гистерезисом поле допуска.

Схема прямого самоуправления

Характерными особенностями схемы прямого самоуправления являются:
• несинусоидальные формы потокосцепления и тока статора;
• вектор потокосцепления статора перемещается по шестиугольной траектории;
• нет запаса по напряжению питания, возможности инвертора используются полностью;
• частота переключения инвертора ниже чем у прямого управления моментом с таблицей включения;
• отличная динамика в диапазонах постоянного и ослабленного поля.

Заметьте, что работа метода прямого самоуправления может быть воспроизведена с помощью схемы при ширине гистерезиса потока 14%.

При проектировании частотного регулирования электропривода возникает необходимость построения адекватных моделей, в полной мере учитывающих специфику протекающих электромеханических процессов в двигателе. Для апробации моделей необходимо сравнение с физически реализуемым процессом на реальном оборудовании, в связи с этим возникает необходимость определения параметров реальных электродвигателей для проверки модели на адекватность. В статье описана математическая модель векторного управления асинхронным электродвигателем. Модель позволяет отслеживать электромеханические процессы в электродвигателе при его работе. Получены графики механических и электрических переходных процессов, характеризующих пуск электродвигателя. Построена механическая характеристика электродвигателя при векторном управлении, наглядно показывающая увеличение нагрузочного диапазона. Произведена оценка адекватности модели. Математические эксперименты и создание модели выполнены в графической среде имитационного моделирования Simulink – приложении к пакету Matlab.

инвертор

математическая модель

механическая характеристика

векторное управление

асинхронный двигатель

1. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2008. – 297 с.

2. Лиходедов А.Д. Построение механической характеристики асинхронного двигателя и её апробация // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5. – URL: http://www..09.2012).

3. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями: учебное пособие по дисциплинам электромеханического цикла. – СПб., 2002.

4. Шувалов Г.А. Экономия электроэнергии с помощью частотного преобразователя // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. – 2012. – № 2.

5. Blaschke, F. Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage für die Transvector-Regelung von Drehfeldmaschinen (in German), Siemens-Zeitschrift 45, Heft 10, 1971.

6. PLC – это просто!! Векторное управление. – URL: http://plc24.ru/vektornoe-upravlenie/ (дата обращения: 12.09.2012).

Развитие асинхронного электропривода с векторным управлением

Принято различать два основных способа управления электроприводами переменного тока, использующими в качестве преобразователей энергии по-лупроводниковые преобразователи частоты: частотное и векторное.

При частотном управлении в ЭП реализуется один из статических за-конов частотного управления (например, , и т.д.). На выходе системы управления формируется задание по частоте и ам-плитуде выходного напряжения ПЧ. Область применения таких систем: асинхронный электропривод, к кото-рому не предъявляется повышенных статических и динамических требований, вентиляторы, насосы и прочие общепромыш-ленные механизмы.

При векторном управлении управление осуществляется по мгновен-ным значениям переменных. В цифровых векторных системах может выпол-няться управление по эквивалентным (усредненным на интервале дискретно-сти управления) переменным .

В 1971 году Блашке предложил принцип построения системы управления асинхронным двигателем , в котором использовалась векторная модель АД с ориентацией системы координат по потокосцеплению ротора. Этот принцип называется также прямым управлением моментом . Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять, кроме амплитуды, и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».

Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты. Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно-регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи по скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости - сотые доли процента, точность по моменту - единицы процентов .

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат, позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы). В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент. Так, например, частотный преобразователь обеспечивает точность поддержания скорости вращения ±2-3% в режиме U/f, при векторном управлении без датчика скорости ±0,2%, при полном векторном управлении с датчиком скорости обеспечивается точность ±0,01% .

Общий принцип векторного управления АД

В дальнейшем мы будем использовать следующие индексы систем координат: a-b - неподвижная система координат (), ориентированная по оси фазы a обмотки статора; x-y - система координат, вращающаяся синхронно с ротором () и ориентированная по оси фазы a его обмотки; d-q - система координат, вращающаяся синхронно с потокосцеплением ротора () и ориентированная по его направлению; m-n - произвольно ориентированная система координат, вращающаяся с произвольной скоростью .

Общий принцип моделирования и построения системы управления АД заключается в том, что для этого используется система координат, постоянно ориентированная по направлению какого-либо вектора, определяющего электромагнитный момент. Тогда проекция этого вектора на другую ось координат и соответствующее ей слагаемое в выражении для электромагнитного момента будут равны нулю, и формально оно принимает вид, идентичный выражению для электромагнитного момента двигателя постоянного тока, который пропорционален по величине току якоря и основному магнитному потоку.

В случае ориентации системы координат по потокосцеплению ротора () момент можно представить как:

, (1)

где - индуктивность рассеяния цепи ротора, - индуктивность цепи намагничивания, - число пар полюсов, - проекции токов статора на оси системы координат .

По данному выражению можно при условии постоянства потокосцепления ротора управлять электромагнитным моментом, изменяя проекции тока статора на поперечную ось . Выбор уравнения для построения системы управления играет большую роль, т.к. многие величины, в особенности у короткозамкнутых АД, не могут быть измерены. Кроме того, этот выбор существенно влияет на сложность передаточных функций системы, иногда в несколько раз увеличивая порядок уравнений.

Для построения системы векторного управления АД нужно выбрать вектор, относительно которого будет ориентирована система координат, и соответствующее выражение для электромагнитного момента, а затем определить входящие в него величины из уравнений для цепи статора и/или ротора (2) :

, (2, а)

, (2, б)

где - напряжение обмоток статора в векторной форме; - активные сопротивления обмоток статора и ротора; составляющие ,связаны с изменением потокосцепления во времени вследствие изменения во времени токов и называются ЭДС трансформации, по аналогии с процессами ее возбуждения в соответствующей электрической машине; составляющие , - связаны с изменением потокосцепления вследствие вращения ротора и называются ЭДС вращения.

Если в качестве опорного вектора выбрать потокосцепление ротора и ориентировать по нему координатную систему так, чтобы ее вещественная ось совпадала с направлением , то угловая частота вращения системы координат будет равна угловой частоте питания статора , т.к. векторы потокосцеплений статора и ротора вращаются с одинаковой частотой. Применение вектора потокосцепления ротора теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АД.

При этом проекции вектора тока статора с учетом того, что , равны:

(3)

где - электромагнитная постоянная времени ротора.

Выразим потокосцепление и угловую частоту ротора:

(4)

Таким образом, с помощью проекции тока статора можно управлять потокосцеплением ротора, и передаточная функция этого канала соответствует апериодическому звену с постоянной времени, равной постоянной времени ротора; а с помощью проекции можно независимо и безынерционно управлять частотой ротора .

При этом электромагнитный момент АД можно определить, зная частоту токов ротора при заданном потокосцеплении:

, (5)

Выражения - определяют связь между проекциями тока статора на оси координат, потокосцеплением, частотой ротора и электромагнитным моментом АД. Из выражения и уравнения движения следует, что управление моментом может осуществляться безынерционно двумя входными сигналами: потокосцеплением и частотой ротора. Эти сигналы связаны с проекциями вектора тока статора выражениями . Поэтому устройство векторного управления содержит блок развязки координат (РК), осуществляющий преобразования в соответствии с выражениями (3), а также ротатор, вращающий вектор тока статора в направлении, противоположном вращению ротора АД. Входными сигналами для устройства управления будут линейное напряжение сети и частота питающего напряжения, соответствующие потокосцеплению и частоте ротора. Название блока развязки координат происходит от выполняемой им функции формирования сигналов, соответствующих независимым (развязанным, разделённым) проекциям вектора тока статора (рисунок 1).

Рис. 1. Структурная схема блока развязки координат.

Из выражения для электромагнитного момента (5) и общего уравнения движения можно получить передаточную функцию АД по каналу управления частотой ротора:

где - механическая постоянная времени. Эта передаточная функция полностью соответствует двигателю постоянного тока, поэтому построение систем электропривода с векторным управлением АД ничем не отличается от приводов постоянного тока.

Следует отметить, что устройство управления может выполнять свои функции только при условии, что параметры АД, входящие в передаточные функции его звеньев, соответствуют истинным значениям, в противном случае потокосцепление и частота ротора в АД и в устройстве управления будут отличаться друг от друга. Это обстоятельство создает значительные трудности при реализации систем векторного управления на практике, т.к. параметры АД изменяются в процессе работы. В особенности это относится к значениям активных сопротивлений .

Математическое описание координатных преобразований

Если вектор тока представлен в неподвижной системе координат (a, b), то переход к новой системе координат (x,y), развернутой относительно исходной на некоторый угол (рисунок 2а), осуществляется из следующего соотношения аргументов комплексных чисел:

Или (7)

Рис. 2. Обобщенный вектор тока в различных системах координат.

Для системы координат, вращающейся с постоянной угловой частотой , угол равен .

Преобразование координат можно записать в развернутом виде следующим образом:

Отсюда можно найти составляющие вектора и в матричной форме:

, (9)

где , - мгновенные значения токов соответствующих обмоток.

Необходимым элементом системы векторного управления АД является ротатор, осуществляющий преобразование координат векторов в соответствии с выражением (9) .

Для преобразования переменных из системы координат (d,q) в систему координат (a, b) воспользуемся следующими уравнениями:

где γ - угол полеориентирования. Структурная схема ротатора изображена на рисунке 3.

Рис. 3. Структурная схема ротатора.

Математическая модель АД

Асинхронный двигатель смоделирован в системе координат - α, β. Уравнения, соответствующие этой системе координат, описываются системой уравнений:

(11)

где: , , , - составляющие векторов потокосцепления статора и ротора в системах координат ; , - составляющие вектора напряжения статора в системах координат ; - активные сопротивления обмоток статора и ротора; - полные индуктивности обмоток статора и ротора (17),(18);- коэффициенты электромагнитной связи статора и ротора (12),(13); p - число пар полюсов; - механическая скорость ротора; J - момент инерции ротора двигателя; - момент сопротивления на валу двигателя.

Значения полных индуктивностей обмоток и коэффициентов электромагнитной связи статора и ротора вычисляются по формулам:

где:- индуктивности рассеяния; - индуктивность цепи намагничивания,

где: - индуктивное сопротивление рассеяния обмоток статора и ротора; - индуктивное сопротивление цепи намагничивания; f - частота напряжения, подводимого к статору.

При решении системы дифференциальных уравнений в координатах (11) можно получить динамическую механическую характеристику и временные характеристики переменных состояния (например, момента и скорости), которые дают представление о процессах, протекающих в двигателе. Составляющие напряжения, подводимого к статорной обмотке двигателя, вычисляются по формуле:

(19)

где U - действующее значение напряжения, подводимого к статору.

Решение уравнений сводится к интегрированию левой и правой частей каждого дифференциального уравнения системы:

(20)

Токовременные зависимости вычисляются по уравнениям:

(21)

Паспортные данные АД ДМТ f 011-6у1 приведены в статье .

На рисунке 4 изображена модель АД, управляемого током статора, в системе координат, ориентированной по потокосцеплению ротора.

Рис. 4. Модель векторного управления АД в среде Simulink:

АД - асинхронный двигатель;

УУ - устройство управления, включающее: РК - блок развязки координат, Р - ротатор;

Н - нагрузка, учитывающая также сопротивление подшипников.

Модель векторного управления АД позволяет отслеживать электромагнитные процессы, происходящие в асинхронном двигателе при его работе.

На следующем графике (рисунок 5) изображена механическая характеристика электродвигателя при векторном управлении, полученная модельным путем, в сравнении с механической характеристикой электродвигателя без регулятора, полученной при натурном эксперименте .

Рис. 5. Сравнение механических характеристик.

Как можно видеть по графику, при векторном управлении механическая характеристика асинхронного двигателя приобретает жёсткость, вследствие чего расширяется перегрузочный диапазон. Значения характеристик в диапазоне от 0 до 153 Н·м расходятся незначительно, погрешность составляет лишь 1,11%, следовательно, полученная математическая модель адекватно отражает работу реального двигателя и её можно использовать для проведения экспериментов в инженерной практике.

Заключение

Применение векторного управления позволяет посредством изменения амплитуды и фазы питающего напряжения напрямую управлять электромагнитным моментом электродвигателя. Для векторного управления асинхронным двигателем следует сначала привести его к упрощенной двухполюсной машине, которая имеет две обмотки на статоре и роторе, в соответствии с этим имеются системы координат, связанные со статором, ротором и полем. Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели регулируемого электродвигателя.

Механические характеристики, полученные при работе описанной модели, подтверждают теоретические сведения о векторном управлении. Модель адекватна и может применяться для дальнейших экспериментов.

Рецензенты:

Швецов Владимир Алексеевич, д.т.н., профессор кафедры РЭС КамчатГТУ, г. Петропавловск-Камчатский.

Потапов Вадим Вадимович, д.т.н., профессор филиала ДВФУ, г. Петропавловск-Камчатский.

Библиографическая ссылка

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

Вопрос: На рынке представлены векторные и скалярные частотные преобразователи, причем

векторные ощутимо дороже. Каковы технические различия между ними?

Вопрос не так прост, чтобы ответить на него односложным образом. Сами по себе термины

"векторный" и "скалярный" являются неточными применительно к характеристике

частотных преобразователей. Поскольку речь идет по существу о параметре переменного

тока, то использование термина "скалярный" вообще недопустимо. Из курса элементарной

физики хорошо известно, что скалярная величина - это такая величина, каждое значение которой (в отличие от вектора) может быть выражено одним (действительным) числом,

вследствие чего совокупность значений скаляра можно изобразить на линейной шкале (скале - отсюда название). Длина, площадь, время, температура и т. д. - скалярные величины. Векторными величинами, или векторами, называют величины, имеющие и численное

значение, и направление. В этой связи разделение частотных преобразователей на скалярные

и векторные в принципе некорректно, и отражает стремление менеджеров торговых

компаний обосновать более высокие цены на один из типов преобразователей, якобы имеющий превосходство над другим.

Что касается технической стороны дела, она заключается в следующем.

Основным способом корректировки вращающего момента на валу электродвигателя является

изменение частоты и величины тока обмоток статора, что приводит к изменению силы его

вращающегося магнитного поля. Большинство частотных преобразователей устроены таким

образом, что дают возможность пользователю настроить характеристику выходных

электрических параметров под конкретный вид оборудования. Например, в зависимости от

величины момента инерции приводимого в движение оборудования можно придать

характеристике выходного тока преобразователя линейный, параболический или гиперболический вид.

Так, если необходимо стронуть с места тяжелую массу на приводимом в движение

транспортере, характеристике выходного тока следует придать гиперболический вид. Водяные насосы и вентиляторы желательно приводить в движение по параболической

кривой, что дает экономию электроэнергии. По этому алгоритму работают практически все

частотные преобразователи, называемые неправильным термином "скалярные", более точным названием которых было бы: "частотные преобразователи с предварительной настройкой частоты и величины выходного тока".

Другим эффективным средством повышения момента на валу электродвигателя является

использование 3-й гармоники выходного тока, вектор которой, как и кратных ей более

высоких гармоник, вращается в ту же сторону, что и вектор тока основной гармоники (50

Гц), т.е., имеет прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении

и имеют обратную последовательность. Общий ток нейтрали, вычисляемый по формуле:

управления параметрами выходного тока, а именно:

1) Преобразователи с предварительной настройкой параметров выходного тока .

Используются в большинстве общепромышленных приводов как с обратной связью по

контролю технологического параметра так и без нее, включая приводы насосов,

вентиляторов, конвейеров, транспортеров, экструдеров, в том числе одно- и многодвигательные системы.

2) Преобразователи с динамической настройкой параметров выходного тока . Используются в однодвигательных приводах высокоточного технологического

оборудования. Могут быть с обратной связью по контролю положения ротора двигателя и без нее. По точности и глубине регулирования скорости вращения несколько превосходят преобразователи первого типа, но значительно уступают сервоприводам.

Что касается проблемы в целом, следует иметь ввиду, что для решения конкретных задач в области управляемого привода применяются соответствующие электродвигатели со своими

системами управления - шаговые моторы с контроллерами, серводвигатели с контроллерами,

двигатели постоянного тока с контроллерами и, наконец, асинхронные и синхронные

электродвигатели с частотными преобразователями. Попытки создать универсальный привод

заведомо обречены на провал, поскольку конструктивные различия между приводами

слишком велики, а решаемые приводами задачи просто несопоставимы. Невозможно создать из асинхронного двигателя серводвигатель, а из синхронного шаговый, даже если встроить в него полсотни полюсов.

Что же делать? Все гениальное просто - достаточно правильно спроектировать привод с

учетом необходимого момента на валу в самом неблагоприятном диапазоне частот

вращения, а управление технологическим параметром поручить ПИД-регулятору, который имеется в большинстве скалярных преобразователей. автор статьи

большинстве современных т.н. "скалярных" преобразователей.

Для осуществления возможности регулирования момента и скорости в современных электроприводах используются следующие методы частотного управления, такие как:

• Векторное;
• Скалярное.

Наибольшее распространение получили асинхронные электроприводы со скалярным управлением. Его используют в приводах компрессоров, вентиляторов, насосов и прочих механизмов в которых необходимо удерживать на определенном уровне или скорость вращения вала электродвигателя (применяется датчик скорости), либо какого-то технологического параметра (к примеру, давление в трубопроводе, с применением соответствующего датчика).

Принцип действия скалярного управления асинхронным двигателем - амплитуда и частота питающего напряжения изменяются по закону U/f^n = const, где n>=1. То, как будет выглядеть данная зависимость в конкретном случае, зависит от требований предъявляемых нагрузкой электроприводу. Как правило, в качестве независимого воздействия выступает частота, а напряжение при определенной частоте определяется видом механической характеристики, а также значениями критического и пускового моментов. Благодаря скалярному управлению обеспечивается постоянная перегрузочная способность асинхронного двигателя, независящая от частоты напряжения, и все же при довольно низких частотах может произойти значительное снижение момента, развиваемого двигателем. Максимальное значение диапазона скалярного управления, при котором возможно осуществление регулирования значения скорости вращения ротора электродвигателя, без потери момента сопротивления не превышает 1:10.

Скалярное управление асинхронным двигателем довольно просто реализуется, но все же имеются два значительных недостатка. Во-первых, если на валу не установлен датчик скорости, то невозможно осуществлять регулирование значения скорости вращения вала, поскольку она зависит от воздействующей на электропривод нагрузки. Установка датчика скорости с легкостью решает данную проблему, но еще одним значительным недостатком остается – отсутствие возможности регулирования значения момента на валу двигателя. Можно конечно установить датчик момента, но стоимость подобных датчиков, как правило, превышает стоимость самого электропривода. Причем, даже если установить датчик управления моментом, то процесс управления этим самым моментом окажется невероятно инерционным. Еще одно «но» - скалярное управление асинхронным двигателем характеризуется тем, что невозможно осуществление одновременного регулирования скорости и момента, поэтому приходится осуществлять регулирование той величины, которая в данный момент времени наиболее важна в силу условий технологического процесса.

Дабы устранить недостатки, которыми обладает скалярное управление двигателем, еще в 71-м году прошлого века компанией SIEMENS было предложено внедрение метода векторного управления двигателем. В первых электроприводах с векторным управлением использовались двигатели, в которых были встроены датчики потока, что значительно ограничивало область применения подобных приводов.

Система управления современных электроприводов содержит в себе математическую модель двигателя, позволяющую рассчитать скорость вращения и момент вала. Причем в качестве необходимых датчиков устанавливаются только датчики тока фаз статора двигателя. Специально разработанная структура системы управления обеспечивает независимость и практически безынерционность регулирования основных параметров – момент вала и скорость вращения вала.

К сегодняшнему дню сформировались следующие системы векторного управления асинхронным двигателем:

• Бездатчиковые – на валу двигателя отсутствует датчик скорости,
• Системы, имеющие обратную связь по скорости.

Применение методов векторного управления зависит от области применения электропривода. Если диапазон измерения значения скорости не превышает 1:100, а требования, предъявляемые к точности, колеблются в пределах ±1,5%, то используется бездатчиковая система управления. Если измерение скорости осуществляется в пределах достигающих значений 1: 10000 и больше, а уровень точности должен быть довольно высоким (±0,2% при частоте вращения ниже 1 Гц), или же необходимо позиционировать вал или осуществлять регулирование момента на валу при низких частотах вращения, то применяется система, имеющая обратную связь по скорости.

Преимущества векторного метода управления асинхронным двигателем:

• Высокий уровень точности при регулировании скорости вращения вала, несмотря даже на возможное отсутствие датчика скорости,
• Осуществление вращения двигателя на малых частотах происходит без рывков, плавно,
• Если установлен датчик скорости, то можно достичь номинального значения момента на валу даже при нулевом значении скорости,
• Быстрое реагирование на возможное изменение нагрузки – резкие скачки нагрузки практически не отражаются на скорости электропривода,
• Высокий уровень КПД двигателя, за счет сниженных потерь из-за намагничивания и нагрева.

Несмотря на очевидные преимущества, метод векторного управления имеет и определенные недостатки – большая сложность вычислений, для работы необходимо знание параметров двигателя. Помимо всего прочего колебания значения скорости при постоянной нагрузке значительно больше, нежели при скалярном методе управления. Кстати, существуют такие сферы, где используются электроприводы исключительно со скалярным методом управления. К примеру, групповой электропривод, в котором один преобразователь подпитывает несколько двигателей.

Скалярное управление (частотное) - метод управления бесщеточным переменного тока, который заключается в том, чтобы поддерживать постоянным отношение напряжение/частота (В/Гц) во всем рабочем диапазоне скоростей, при этом контролируется только величина и частота питающего напряжения.

Отношение В/Гц вычисляется на основе номинальных значений ( и частоты) контролируемого электродвигателя переменного тока. Поддерживая постоянным значение отношения В/Гц мы можем поддерживать относительно постоянным магнитный поток в зазоре двигателя. Если отношение В/Гц увеличивается тогда электродвигатель становится перевозбужденным и наоборот если отношение уменьшается двигатель находится в недовозбужденном состоянии.

Изменение напряжения питания электродвигателя при скалярном управлении

На низких оборотах необходимо компенсировать падение напряжения на сопротивлении статора, поэтому отношение В/Гц на низких оборотах устанавливают выше чем номинальное значение. Скалярный метод управления наиболее широко используется для управления асинхронными электродвигателями.

В применении к асинхронным двигателям

При скалярном методе управления, скорость контролируется установкой величины напряжения и частоты статора, таким образом, чтобы магнитное поле в зазоре поддерживалось на нужной величине. Для поддержания постоянного магнитного поля в зазоре, отношение В/Гц должно быть постоянным на разных скоростях.

При увеличении скорости напряжение питания статора так же должно пропорционально увеличиваться. Однако синхронная частота асинхронного двигателя не равна частоте вращения вала, а зависит от нагрузки. Таким образом система контроля со скалярным управлением без обратной связи не может точно контролировать скорость при наличии нагрузки. Для решения этой задачи в систему может быть добавлена обратная связь по скорости, а следовательно и компенсация скольжения .

Недостатки скалярного управления

Метод скалярного управления относительно прост в реализации, но обладает несколькими существенными недостатками:
• во-первых, если не установлен датчик скорости нельзя управлять скоростью вращения вала , так как она зависит от нагрузки (наличие датчика скорости решает эту проблему), а вслучае с при изменении нагрузки - можно совсем потерять управление;
• во-вторых, нельзя управлять . Конечно, эту задачу можно решить с помощью датчика момента, но стоимость его установки очень высока, и будет скорее всего выше самого электропривода. При этом управление моментом будет очень инерционным;
• также нельзя управлять одновременно моментом и скоростью.

Скалярное управление достаточно для большинства задач в которых применяется электропривод с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:10.

Когда требуется максимальное быстродействие, возможность регулирования в широком диапазоне скоростей и возможность управления моментом электродвигателя используется .