Скалярное и векторное управление в частотных преобразователях. Основные способы управления частотным электроприводом

1.5.1 Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости. Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты. Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.

Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс. При постоянном моменте нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

.

Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя М макс к моменту сопротивления на валу М с . То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя.

При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Основная особенность при регулировании АД заключается в том, что необходимо изменять напряжение U на статоре как в функции момента статических M с сопротивлений, так и в соответствии с изменением частоты.

Таким образом, при скалярном методе управления зависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки на валу электрического двигателя. При этом для постоянного момента нагрузки всегда поддерживается отношение U /f = cоnst , и, по сути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Вместе с тем на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличения пускового момента используется повышение уровня на­пряжения питания.

Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график для U от f для любого типа нагруз­ки.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.

Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно - регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

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 скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.

В синхронном частотно-регулируемом приводе применяются те же ме­тоды управления, что и в асинхронном.

Управляющая часть ПЧ выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспе­чивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита). При этом на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды ( и вых = vаr , ƒ вых = vаr ).

Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании скорости для различных объектов управления имеют вид представленный на рисунке 1.2.

Итак, при объектах управления с постоянным моментом статической нагрузки M c = Const , напряжение источника питания должно изменяться пропорционально его частоте U / f = const в объектах управления, требующих регулирования скорости при постоянстве мощности P c = Const закон управления, будет: U /  f = const , при вентиляторной нагрузке закон управления соответствует U / f 2 = const . По этим соображениям наибольшее распространение метод регулирования получил для механизмов M с = Const , хотя в принципе использование функциональных преобразователей позволяет реализовать любой из этих законов.

До последнего времени системы электроприводов прямоточных волочильных станов строились исключительно на базе двигателей постоянного тока. Причиной этому являлось отсутствие надежных преобразователей частоты. При этом системы тиристорный преобразователь двигатель (ТП-Д) имеют такие недостатки, как:

Ограничение темпа нарастания тока якоря, повышенный момент инерции электропривода, приводящие к снижению быстродействия систем автоматического регулирования;

Высокие массогабаритные показатели;

Трудоемкость в обслуживании.

Перечисленные недостатки обусловлены наличием коллектора и соответственно процессов коммутации и могут быть исключены при построении системы электропривода на основе асинхронного короткозамкнутого двигателя.

В настоящее время имеется достаточный опыт промышленного применения электроприводов по системе ПЧ-АД в диапазоне мощностей 35...100 кВт.

Таким образом, система ПЧ-АД имеющая диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента и точность по моменту – единицы процентов может обеспечивать необходимую синхронизацию скоростей приводных электродвигателей в прямоточном волочильном стане с целью безобрывного волочения и заданной величиной противонатяжения проволоки.

1.5.2 Насосные станции с частотными электроприводами. В насосной станции №1 в г. Талдыкорган обычный короткозамкнутый асинхронный электродвигатель насоса мощностью 110 кВт/ч включен через преобразователь ПЧТ, разработанный в НИИ ХЭМЗ. Система управления электроприводом построена аналогично ранее описанным, за исключением того, что в качестве преобразователя уровня в системе использован ультразвуковой уровнемер ЭХО3. Применение частотного электропривода в этой установке уменьшает потребление электроэнергии на 60 тыс. кВт - ч в год, Т.о. примерно на 5 %.

В насосных станциях г. Талдыкорган используются также частотные преобразователи типа ПЧР-2 и производства финской фирмы Stromberg, на основе которых созданы и работают свыше 10 систем автоматического регулирования режима работы насосных станций с агрегатами мощностью от 75 до 160 кВт.

Частотные преобразователи фирмы Stromberg - высоконадежные и достаточно компактные средства регулирования насосных агрегатов. Для обеспечения равномерного использования насосных агрегатов предусматривается устройство, с помощью которого они могут поочередно подключаться к одному преобразователю.

1.5.3 Многоскоростные электродвигатели в насосных установках. Циркуляционные насосные станции некоторых талдыкорганских ТЭЦ укомплектованы вертикальными насосными агрегатами с двухскоростными двигателями марки ДВДА215/64-16-20К. Из семи насосов каждой станции два приводятся во вращение этими электродвигателями. Номинальная мощность двигателей 1400 кВт, частота вращения 375 и 300 об/мин. Наличие таких насосных агрегатов позволяет лучше приспосабливать режим работы насосной установки к режиму работы теплосети. Применяются двухскоростные электродвигатели и в водопроводных насосных установках.

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 .

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.

В настоящее время, управление скоростью двигателей переменного тока с помощью преобразователей частоты широко применяется практически во всех отраслях промышленности.

На практике, применяются системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:
2. Векторное управление.

Методы регулирования, используемые в преобразователях частоты для управления двигателями переменного тока

В настоящее время, управление скоростью двигателей переменного тока с помощью преобразователей частоты широко применяется практически во всех отраслях промышленности. Это, прежде всего, связано с большими достижениями в области силовой электроники и микропроцессорной техники, на основе которых были разработаны частотные преобразователи. С другой стороны, унификация производства преобразователей частоты производителями, позволила достаточно сильно повлиять на их стоимость и сделала их окупаемыми в достаточно короткие промежутки времени. Экономия энергоресурсов при применении преобразователей для управления асинхронными двигателями в некоторых случаях может достигать 40% и более.
На практике, применяются системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:
1. U/f- регулирование (вольт-частотное или скалярное управление);
2. Векторное управление.

U/f- регулирование скорости асинхронного электропривода

Скалярное управление или U/f-регулирование асинхронным двигателем - это изменение скорости двигателя путем воздействия на частоту напряжения на статоре при одновременном изменении модуля этого напряжения. При U/f-регулировании частота и напряжение выступают как два управляющих воздействия, которые обычно регулируются совместно. При этом частота принимается за независимое воздействие, а значение напряжения при данной частоте определяется исходя из того, как должен изменяться вид механических характеристик привода при изменении частоты, т.е., из того, как должен меняться в зависимости от частоты критический момент. Для реализации такого закона регулирования необходимо обеспечить постоянство соотношения U/f=const, где U-напряжение на статоре, а f-частота напряжения статора.
При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.
К законам U/f-регулирования можно отнести законы, связывающие величины и частоты питающего двигатель напряжения (U/f=const, U/f2=const и другие). Их достоинством является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление используется для большинства практических случаев применения частотного электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя без использования датчика обратной связи до 1:40. Алгоритмы скалярного управления не позволяют реализовать контроль и управление вращающим моментом электродвигателя, а также режим позиционирования. Наиболее эффективная область применения данного способа управления: вентиляторы, насосы, конвейеры и т.д.

Векторное управление

Векторное управление – это метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующий гармонические токи и напряжения фаз (скалярное управление), но и обеспечивающий управление магнитным потоком двигателя. В основе векторного управления лежит представление о напряжениях, токах, потокосцеплениях, как о пространственных векторах.
Основные принципы были разработаны в 70-х годах 20 века. В результате фундаментальных теоретических исследований и успехов в области силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорных систем, на сегодняшний день, разработаны электроприводы с векторным управлением, которые серийно выпускаются производителями приводной техники всего мира.
При векторном управлении в асинхронном электроприводе в переходных процессах имеется возможность поддерживать постоянство потокосцепления ротора, в отличие от скалярного регулирования, где потокосцепление ротора в переходных процессах меняется при изменении токов статора и ротора, что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента. В приводе с векторным управлением, где потокосцепление ротора можно поддерживать постоянным, электромагнитный момент изменяется так быстро, как быстро изменяется составляющая тока статора (аналогия с изменением момента при изменении тока якоря в машине постоянного тока).
При векторном управлении в звене управления подразумевается наличие математической модели регулируемого электропривода. Режимы векторного управления можно проклассифицировать следующим образом:
1. По точности математической модели электродвигателя, используемой в звене управления:
. Использование математической модели без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем);
Использование математической модели с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя, т.е. активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и тока двигателя.
2. По наличию или отсутствию обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:
Управление двигателем без обратной связи по скорости – при этом устройством управления используются данные математической модели двигателя и значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора;
Управление двигателем с обратной связью по скорости – при этом устройством используется не только значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора электродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика, что в некоторых задачах управления позволяет повысить точность отработки электроприводом задания скорости (положения) .

К основным законам векторного управления можно отнести следующие:
а. Закон обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления статора ψ1 (соответствующее постоянству Евнеш /f).
б. Закон, обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления воздушного зазора ψ0 (постоянство Е/f);
в. Закон, обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления ротора ψ2 (постоянство Евнут/f).
Закон поддержания постоянства потокосцепления статора реализуется при поддержании постоянного отношения ЭДС статора к угловой частоте поля. Основной недостаток такого закона – пониженная перегрузочная способность двигателя при работе на высоких частотах. Обусловлено это увеличением индуктивного сопротивления статора и, следовательно, снижением потокосцепления в воздушном зазоре между статором и ротором при увеличении нагрузки.
Поддержание постоянства главного потока повышает перегрузочную способность двигателя, но усложняет аппаратную реализацию системы управления и требует либо изменений конструкции машины, либо наличия специальных датчиков.
При поддержании постоянного потокосцепления ротора, момент двигателя не имеет максимума, однако при увеличении нагрузки увеличивается главный магнитный поток, приводящий к насыщению магнитных цепей и, следовательно, к невозможности поддержания постоянства потокосцепления ротора.

Сравнительная оценка законов регулирования скорости асинхронным электроприводом изменением частоты напряжения на статоре

На рис.1 приведены результаты теоретических исследований энергетических показателей асинхронного двигателя мощностью Рн=18,5 кВт при различных законах частотного управления, которые проводились в работе В.С. Петрушина и к.т.н. А.А. Танькова «Энергетические показатели асинхронного двигателя в частотном электроприводе при различных законах управления». Там же даны результаты эксперимента, проведенного при испытании этого двигателя (закон частотного управления U/f = const). Двигатель работал на нагрузку с постоянным моментом 30,5 Нм в диапазоне скоростей 500 - 2930 об/мин.
Сопоставив полученные зависимости можно сделать вывод, что в зоне небольших скоростей при использовании законов управления второй группы КПД больше на 7-21%, а коэффициент мощности меньше на 3-7%. С увеличением скорости различия снижаются.

Рис.1. Изменение КПД (а) и cosφ (б) в диапазоне регулирования: 1 - экспериментальные зависимости; расчетные зависимости при разных законах управления: 2 - U/f = const, 3 - Евнеш /f = const, 4 - Е/f= const, 5 - Евнут /f= const.
Таким образом, законы векторного управления обеспечивают не только лучшее управление электроприводом в статических и динамических режимах, но и повышение КПД двигателя и, соответственно, всего привода. Однако все законы с поддержанием постоянства потокосцепления имеют свои определенные недостатки.
Общим недостатком законов с поддержанием постоянства потокосцепления являются: низкая надежность, обусловленная наличием датчиков, встраиваемых в двигатель, и потери в стали при работе двигателя с нагрузочным моментом меньше номинального. Эти потери вызваны необходимостью поддержания постоянного номинального потокосцепления в различных режимах работы.
Существенно повысить КПД двигателя можно путем регулирования магнитного потока статора (ротора) в зависимости от величины нагрузочного момента (скольжения). Недостатками такого управления являются низкие динамические характеристики привода, обусловленные большой величиной постоянной времени ротора, из-за чего магнитный поток машины восстанавливается с некоторой задержкой и сложность технической реализации системы управления.
На практике группа законов с постоянством магнитного потока получила распространение для динамичных электроприводов, работающих с постоянным моментом сопротивления на валу и с частыми ударными приложениями нагрузки. В то время как группа законов с регулированием магнитного потока в функции нагрузки на валу применяется для низкодинамичных электроприводов и для приводов с “вентиляторной” нагрузкой.

Согласно последним данным статистики примерно 70% всей выработанной электроэнергии в мире потребляет электропривод. И с каждым годом этот процент растет.

При правильно подобранном способе управления электродвигателем возможно получение максимального КПД, максимального крутящего момента на валу электромашины, и при этом повысится общая производительность механизма. Эффективно работающие электродвигатели потребляют минимум электроэнергии и обеспечивают максимальную экономичность.

Для электродвигателей, работающих от преобразователя частоты ПЧ, эффективность во многом будет зависеть от выбранного способа управления электрической машиной. Только поняв достоинства каждого способа, инженеры и проектировщики систем электроприводов смогут получить максимальную производительность от каждого способа управления.
Содержание:

Способы контроля

Многие люди, работающие в сфере автоматизации, но не сталкивающиеся вплотную с процессами разработки и внедрения систем электроприводов полагают, что управление электродвигателем состоит из последовательности команд, вводимых с помощью интерфейса от пульта управления или ПК. Да, с точки зрения общей иерархии управления автоматизированной системой это правильно, однако есть еще способы управления самим электродвигателем. Именно эти способы и будут оказывать максимальное влияние на производительность всей системы.

Для асинхронных электродвигателей, подключенных к преобразователю частоты, существует четыре основных способа управления:

• U/f – вольт на герц;
• U/f с энкодером;
• Векторное управление с разомкнутым контуром;
• Векторное управление с замкнутым контуром;

Все четыре метода используют широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая изменяет ширину фиксированного сигнала путем изменения длительности импульсов для создания аналогового сигнала.

Широтно-импульсная модуляция применяется к преобразователю частоты путем использования фиксированного напряжения шины постоянного тока. путем быстрого открытия и закрытия (правильней сказать коммутации) генерируют выходные импульсы. Варьируя ширину этих импульсов на выходе получают «синусоиду» нужной частоты. Даже если форма выходного напряжения транзисторов импульсная, то ток все равно получается в виде синусоиды, так как электродвигатель имеет индуктивность, которая влияет на форму тока. Все методы управления основываются на ШИМ модуляции. Разница между методами управления заключается лишь в методе вычисления подаваемого напряжения на электродвигатель.

В данном случае несущая частота (показана красным) представляет собой максимальную частоту коммутации транзисторов. Несущая частота для инверторов, как правило, лежит в пределах 2 кГц – 15 кГц. Опорная частота (показана синим) представляет собой сигнал задания выходной частоты. Для инверторов применимых в обычных системах электроприводов, как правило, лежит в пределах 0 Гц – 60 Гц. При накладывании сигналов двух частот друг на друга, будет выдаваться сигнал открывания транзистора (обозначен черным цветом), который подводит силовое напряжение к электродвигателю.

Способ управления U/F

Управление вольт-на-герц, наиболее часто называемое как U/F, пожалуй, самый простой способ регулирования. Он часто используется в несложных системах электропривода из-за своей простоты и минимального количества необходимых для работы параметров. Такой способ управления не требует обязательной установки энкодера и обязательных настроек для частотно-регулируемого электропривода (но рекомендовано). Это приводит к меньшим затратам на вспомогательное оборудование (датчики, провода обратных связей, реле и так далее). Управление U/F довольно часто применяют в высокочастотном оборудовании, например, его часто используют в станках с ЧПУ для привода вращения шпинделя.

Модель с постоянным моментом вращения имеет постоянный вращающий момент во всем диапазоне скоростей при одинаковом соотношении U/F. Модель с переменным соотношением вращающего момента имеет более низкое напряжение питания на низких скоростях. Это необходимо для предотвращения насыщения электрической машины.

U/F — это единственный способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, который позволяет регулирование нескольких электроприводов от одного преобразователя частоты. Соответственно все машины запускаются и останавливаются одновременно и работают с одной частотой.

Но данный способ управления имеет несколько ограничений. Например, при использовании способа регулирования U/F без энкодера нет абсолютно никакой уверенности, что вал асинхронной машины вращается. Кроме того, пусковой момент электрической машины при частоте 3 Гц ограничивается 150%. Да, ограниченного крутящего момента более чем достаточно для применения в большинстве существующего оборудования. Например, практически все вентиляторы и насосы используют способ регулирования U/F.

Данный метод относительно прост из-за его более «свободной» спецификации. Регулирование скорости, как правило, лежит в диапазоне 2% — 3% максимальной выходной частоты. Отклик по скорости рассчитывается на частоту свыше 3 Гц. Скорость реагирования частотного преобразователя определяется быстротой его реакции на изменение опорной частоты. Чем выше скорость реагирования – тем быстрее будет реакция электропривода на изменение задания скорости.

Диапазон регулирования скорости при использовании способа U/F составляет 1:40. Умножив это соотношение на максимальную рабочую частоту электропривода, получим значение минимальной частоты, на которой сможет работать электрическая машина. Например, если максимальное значение частоты 60 Гц, а диапазон составляет 1:40, то минимальное значение частоты составит 1,5 Гц.

Паттерн U/F определяет соотношение частоты и напряжения в процессе работы частотно-регулируемого электропривода. Согласно ему, кривая задания скорости вращения (частота электродвигателя) будет определять помимо значения частоты еще и значения напряжения, подводимого к клеммам электрической машины.

Операторы и технические специалисты могут выбрать необходимый шаблон регулирования U/F одним параметром в современном частотном преобразователе. Предустановленные шаблоны уже оптимизированы под конкретные применения. Также существуют возможности создания своих шаблонов, которые будут оптимизироваться под конкретную систему частотно-регулируемого электропривода или электродвигателя.

Такие устройства как вентиляторы или насосы имеют момент нагрузки, который зависит от скорости их вращения. Переменный крутящий момент (рисунок выше) шаблона U/F предотвращает ошибки регулирования и повышает эффективность. Эта модель регулирования уменьшает токи намагничивания на низких частотах за счет снижения напряжения на электрической машине.

Механизмы с постоянным крутящим моментом, такие как конвейеры, экструдеры и другое оборудование используют способ регулирования с постоянным моментом. При постоянной нагрузке необходим полный ток намагничивания на всех скоростях. Соответственно характеристика имеет прямой наклон во всем диапазоне скоростей.

Способ управления U/F с энкодером

Если необходимо повысить точность регулирования скорости вращения в систему управления добавляют энкодер. Введение обратной связи по скорости с помощью энкодера позволяет повысить точность регулирования до 0,03%. Выходное напряжение по-прежнему будет определятся заданным шаблоном U/F.

Данный способ управления не получил широкого применения, так как представляемые им преимущества по сравнению со стандартными функциями U/F минимальны. Пусковой момент, скорость отклика и диапазон регулирования скорости – все идентично со стандартным U/F. Кроме того, при повышении рабочих частот могут возникнуть проблемы с работой энкодера, так как он имеет ограниченное количество оборотов.

Векторное управление без обратной связи

Векторное управление (ВУ) без обратной связи используется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электродвигатели могут развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц. Это значительно расширяет перечень механизмов, где может быть применен асинхронный электропривод с векторным управлением. Этот метод также позволяет управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.

Ограничение вращающего момента осуществляется двигателем. Это необходимо для предотвращения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение моментов разбивают на четыре различных квадранта, в зависимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электродвигатель . Ограничения могут устанавливаться для каждого квадранта отдельно или же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.

Двигательный режим асинхронной машины будет при условии, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, проще говоря – асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.

Например, машина по закупорке бутылок может использовать ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с положительным моментом) для предотвращения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм производит движение вперед и использует положительный момент для того, чтобы закрутить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет использовать квадрант 2 (обратное вращение и положительный момент). Если кабина подымается на верхний этаж, то крутящий момент будет противоположен скорости. Это необходимо для ограничения скорости подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.

Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ позволяет устанавливать ограничения по моменту и току электродвигателя, поскольку при увеличении тока растет и момент. Выходное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это делает принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным по сравнению с принципом U/F.

Также частотные преобразователи с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что делает возможным его применение в механизмах с ударными нагрузками. Например, в дробилках горной породы нагрузка постоянно меняется и зависит от объема и габаритов обрабатываемой породы.

В отличии от шаблона управления U/F векторное управление использует векторный алгоритм, для определения максимально эффективного напряжения работы электродвигателя.

Векторное управления ВУ решает данную задачу благодаря наличию обратной связи по току двигателя. Как правило, обратная связь по току формируется внутренними трансформаторами тока самого преобразователя частоты ПЧ. Благодаря полученному значению тока преобразователь частоты проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока двигателя математически расщепляется на вектор тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q).

Используя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q). Для достижения максимальной производительности, преобразователь частоты должен держать I d и I q разведенными на угол 90 0 . Это существенно, так как sin 90 0 = 1, а значение 1 представляет собой максимальное значение крутящего момента.

В целом векторное управление асинхронным электродвигателем осуществляет более жесткий контроль. Регулирование скорости составляет примерно ±0,2% от максимальной частоты, а диапазон регулирования достигает 1:200, что позволяет сохранять вращающий момент при работе на низких скоростях.

Векторное управление с обратной связью

Векторное управление с обратной связью использует тот же алгоритм управления, что и ВУ без обратной связи. Основное различие заключается в наличии энкодера, что дает возможность частотно-регулируемому электроприводу развивать 200% пусковой момент при скорости 0 об/мин. Этот пункт просто необходим для создания начального момента при трогании с места лифтов, кранов и других подъемных машин, чтоб не допустить просадки груза.

Наличие датчика обратной связи по скорости позволяет увеличить время отклика системы более 50 Гц, а также расширить диапазон регулирования скорости до 1:1500. Также наличие обратной связи позволяет управлять не скоростью электрической машиной, а моментом. В некоторых механизмах именно значение момента имеет большую важность. Например, мотальная машина, механизмы закупорки и другие. В таких устройствах необходимо регулировать момент машины.