Vektorsko upravljanje motorom. Tehničke razlike između vektorskih i skalarnih pretvarača

Vektorska kontrola

Vektorska kontrola je metoda upravljanja sinhronim i asinhronim motorima, ne samo da generira harmonijske struje (napone) faza (skalarno upravljanje), već i omogućava kontrolu magnetnog fluksa rotora. Prve implementacije principa vektorske kontrole i algoritama visoke preciznosti zahtijevaju korištenje senzora položaja (brzine) rotora.

Općenito, pod " vektorsko upravljanje" odnosi se na interakciju upravljačkog uređaja sa takozvanim "prostornim vektorom", koji rotira frekvencijom motornog polja.

Matematički aparat vektorskog upravljanja

Wikimedia fondacija. 2010.

Pogledajte šta je "Vektorska kontrola" u drugim rječnicima:

Paus papir sa njim. Vektorregelung. Metoda kontrole brzine rotacije i/ili momenta elektromotora pomoću utjecaja pretvarača elektromotora na vektorske komponente struje statora elektromotora. U literaturi na ruskom jeziku u ... Wikipediji

Rješenje problema optimalnog upravljanja matematičke teorije, u kojem se kontrolno djelovanje u=u(t) formira u obliku funkcije vremena (pri čemu se pretpostavlja da tokom procesa ne postoje informacije osim one date na samom početak ulazi u sistem...... Mathematical Encyclopedia

- (frekvencijski kontrolirani pogon, PNC, Variable Frequency Drive, VFD) sistem za kontrolu brzine rotora asinhronog (ili sinhronog) elektromotora. Sastoji se od samog elektromotora i frekventnog pretvarača... Wikipedia

Ovaj izraz ima druga značenja, pogledajte CNC (značenja). Predlaže se spajanje ove stranice sa CNC-om. Objašnjenje razloga i diskusija na stranici Wikipedije: Ka ujedinjenju/25 f... Wikipedia

Stator i rotor asinhrone mašine 0,75 kW, 1420 o/min, 50 Hz, 230-400 V, 3,4 2,0 ​​A Asinhrona mašina je električna mašina naizmenične struje ... Wikipedia

- (DPR) dio elektromotora. U komutatorskim elektromotorima senzor položaja rotora je jedinica komutatora četke, koja je ujedno i strujni prekidač. Kod elektromotora bez četkica senzor položaja rotora može biti različitih tipova... Wikipedia

DS3 DS3 010 Osnovni podaci Zemlja proizvodnje ... Wikipedia

Asinhrona mašina je električna mašina naizmenične struje, čija brzina rotora nije jednaka (manja) brzini rotacije magnetnog polja stvorenog strujom namotaja statora. Asinhrone mašine su najčešće električne... ... Wikipedia

Ovaj izraz ima druga značenja, pogledajte Pretvarač frekvencije. Ovaj članak bi trebao biti vikifikovan. Formatirajte ga prema pravilima za formatiranje članaka... Wikipedia

DS3 ... Wikipedia

Knjige

• Štedno vektorsko upravljanje asinhronim elektromotorima: pregled stanja i novi rezultati: Monografija, Borisevich A.V.. Monografija je posvećena metodama povećanja energetske efikasnosti vektorskog upravljanja asinhronim elektromotorima. Razmatran je model asinhronog elektromotora i princip vektorskog...

Skalarna kontrola(frekvencija) - metoda upravljanja naizmjeničnom strujom bez četkica, koja se sastoji od održavanja konstantnog omjera napon/frekvencija (V/Hz) u cijelom opsegu radnih brzina, uz kontrolu samo veličine i frekvencije napona napajanja.

Odnos V/Hz se izračunava na osnovu nazivne vrednosti (i frekvencije) AC motora koji se nadgleda. Održavanjem omjera V/Hz konstantnim, možemo održavati relativno konstantan magnetni tok u jazu motora. Ako se omjer V/Hz poveća onda motor postaje preuzbuđen i obrnuto, ako se omjer smanjuje, motor je u nedovoljno pobuđenom stanju.

Promjena napona napajanja motora sa skalarnom kontrolom

Pri malim brzinama potrebno je kompenzirati pad napona na otporu statora, tako da je omjer V/Hz pri malim brzinama postavljen viši od nominalne vrijednosti. Skalarna metoda upravljanja najčešće se koristi za upravljanje asinhronim elektromotorima.

Primijenjeno na asinhrone motore

Kod skalarne metode upravljanja, brzina se kontrolira podešavanjem napona i frekvencije statora, tako da se magnetsko polje u procjepu održava na željenoj vrijednosti. Da bi se održalo konstantno magnetsko polje u procjepu, omjer V/Hz mora biti konstantan pri različitim brzinama.

Kako se brzina povećava, napon napajanja statora također se mora povećati proporcionalno. Međutim, sinhrona frekvencija asinhronog motora nije jednaka brzini osovine, već ovisi o opterećenju. Dakle, skalarni sistem upravljanja otvorenom petljom ne može precizno kontrolisati brzinu kada je prisutno opterećenje. Da bi se riješio ovaj problem, sustavu se može dodati povratna informacija o brzini, a time i kompenzacija klizanja.

Nedostaci skalarnog upravljanja

Metoda skalarnu kontrolu relativno jednostavan za implementaciju, ali ima nekoliko značajnih nedostataka:
• prvo, ako senzor brzine nije instaliran, ne možete kontrolirati brzinu rotacije osovine, jer ovisi o opterećenju (prisustvo senzora brzine rješava ovaj problem), a u slučaju promjene opterećenja možete potpuno izgubiti kontrola;
• drugo, ne može se kontrolisati. Naravno, ovaj problem se može riješiti pomoću senzora momenta, ali cijena njegove ugradnje je vrlo visoka i najvjerojatnije će biti veća od samog električnog pogona. U ovom slučaju, kontrola obrtnog momenta će biti vrlo inercijalna;
• takođe je nemoguće istovremeno kontrolisati obrtni moment i brzinu.

Skalarna kontrola je dovoljna za većinu zadataka u kojima se koristi električni pogon s rasponom kontrole brzine motora do 1:10.

Kada je potrebna maksimalna brzina, koristi se mogućnost regulacije u širokom rasponu brzine i mogućnost kontrole obrtnog momenta elektromotora.

Svaka promjena ili održavanje konstantne brzine električnog pogona omogućava ciljanu regulaciju obrtnog momenta koji razvija motor. Moment nastaje kao rezultat interakcije protoka (veza fluksa) koji stvara jedan dio motora sa strujom u drugom dijelu i određen je vektorskim proizvodom ova dva prostorna vektora koji stvaraju moment. Stoga je veličina momenta koji razvija motor određena modulima svakog vektora i prostornim kutom između njih.

Prilikom izgradnje skalarni kontrolni sistemi Kontrolirane su i regulirane samo numeričke vrijednosti (moduli) vektora koji stvaraju moment, ali nije kontroliran njihov prostorni položaj. Princip vektorske kontrole leži u činjenici da upravljački sistem kontroliše numeričku vrijednost i položaj u prostoru jedan u odnosu na drugi vektora koji stvaraju moment. Dakle, zadatak vektorskog upravljanja je odrediti i nasilno uspostaviti trenutne vrijednosti struje u namotajima motora na način da generalizirani vektori struja i fluksnih veza zauzmu položaj u prostoru koji osigurava stvaranje potrebnog elektromagnetnog momenta.

Elektromagnetski moment koji stvara motor:

gdje je m projektni faktor; , 2 - prostorno

vektori struja ili veze fluksa koji formiraju moment; X- prostorni ugao između vektora koji stvaraju momente.

Kao što slijedi iz (6.53), minimalne vrijednosti struja (veza protoka) koje formiraju moment će biti za potrebnu vrijednost momenta ako vektori X i 2 su okomite jedna na drugu, tj. X = °.

U sistemima vektorske kontrole nema potrebe za određivanjem apsolutne prostorne pozicije vektora, i 2 u odnosu na osi statora ili rotora. Potrebno je odrediti položaj jednog vektora u odnosu na drugi. Stoga se uzima da je jedan od vektora baza, a pozicija drugog kontroliše ugao X.

Na osnovu toga, pri konstruisanju sistema upravljanja vektorima, preporučljivo je poći od matematičkog opisa elektromagnetskih i elektromehaničkih procesa izraženih u koordinatama vezanim za bazni vektor (koordinate I- v). Takav matematički opis dat je u § 1.6.

Ako uzmemo kao bazni vektor i usmjerimo koordinatnu os I duž ovog vektora, onda, na osnovu (1.46), dobijamo sledeći sistem jednačina:

U ovim jednačinama? v = , budući da se vektor poklapa sa koordinatnom osom I.

Na sl. Slika 6.31 prikazuje vektorski dijagram struja i veza protoka u osama I- v ^koordinatna orijentacija I duž vektora sprege rotora. Iz vektorskog dijagrama to slijedi

Rice. B.31. Vektorski dijagram veza fluksa i struja u osi u-v at M

Sa konstantnom (ili sporom promjenom) str kvačilo rotora d"V u /dt= rezultirajući i i = I G = yji u +i v = i v

U ovom slučaju, vektor struje rotora G okomito na vezu fluksa rotora. Budući da je fluks curenja rotora 0 znatno manji od fluksa u međuprostoru mašine H, t tada, ako je veza fluksa rotora konstantna, možemo pretpostaviti da je projekcija vektora struje statora na koordinatnu osu v i v jednako |/"| ili /

Prednost usvojenog koordinatnog sistema u-v za konstruisanje sistema vektorskog upravljanja momentom i brzinom asinhronog motora je da se moment motora (6.54) definiše kao skalarni proizvod dva međusobno okomita vektora: veze fluksa rotora *P i aktivne komponente struje statora. Ova definicija momenta je tipična, na primjer, za nezavisnu pobudu DC motora, najpogodnija za konstruiranje sistema automatskog upravljanja.

Vektorski sistem upravljanja. Strukturni dijagram takvog upravljanja zasniva se na sljedećim principima:

• ? dvokanalni upravljački sistem sastoji se od kanala za stabilizaciju fluksa spone rotora i kanala za regulaciju brzine (momenta);
• ? oba kanala moraju biti nezavisna, tj. promjene reguliranih vrijednosti jednog kanala ne bi trebale utjecati na drugi;
• ? kanal za kontrolu brzine (momenta) kontroliše komponentu struje statora /v. Algoritam za rad petlje za kontrolu obrtnog momenta je isti kao u sistemima podređene kontrole brzine DC motora (vidi § 5.6) - izlazni signal regulatora brzine je referenca na moment motora. Dijeljenjem vrijednosti ovog zadatka modulom povezivanja fluksa rotora I dobijamo zadatak za komponentu struje statora i v (Sl. 6.32);
• ? svaki kanal sadrži interni krug struja /v i ja i sa aktuelnim regulatorima koji obezbeđuju potreban kvalitet regulacije;
• ? dobijene trenutne vrijednosti i v and ja i preko koordinatnih transformacija se pretvaraju u vrijednosti i a i / p dvofaznog fiksnog koordinatnog sistema a - (3 a zatim u zadatku stvarnih struja u namotajima statora u trofaznom koordinatnom sistemu a-b-c;
• ? Signali brzine, kuta rotacije rotora i struja u namotajima statora neophodnih za proračune i formiranje povratne sprege mjere se odgovarajućim senzorima, a zatim se pomoću inverznih koordinatnih transformacija pretvaraju u vrijednosti ovih veličina koje odgovaraju osi koordinata. u-v.

Rice.

Takav sistem upravljanja omogućava brzu kontrolu obrtnog momenta, a samim tim i brzinu u najširem mogućem opsegu (preko 10.000:1). U ovom slučaju trenutne vrijednosti momenta asinhronog motora mogu značajno premašiti nominalnu vrijednost kritičnog momenta.

Da bi upravljački kanali bili nezavisni jedan od drugog, potrebno je uvesti unakrsne kompenzacijske signale e K0MPU i e compm na ulaz svakog kanala (vidi sliku 6.32). Vrijednost ovih signala nalazimo iz jednadžbi statorskog kola (6.54). Izrazivši i CHK 1y kroz odgovarajuće struje i induktivnosti (1.4) i uzevši u obzir da kada je os orijentisana I duž vektora veze fluksa rotora H / |u =0 dobijamo:

Odakle ga nalazimo?

Gdje koeficijent disipacije.

Zamjenjujući (6.55) u (6.54) i uzimajući u obzir da u kontrolnom sistemu koji se razmatra d x V 2u /dt = 0, dobijamo

ili

nove vremenske konstante; e i e v - EMF rotacije duž osi u- v

Za postavljanje nezavisnih veličina ja i i /v treba nadoknaditi e i I e v uvođenje kompenzacijskih napona:

Za implementaciju principa vektorskog upravljanja potrebno je direktno izmjeriti ili izračunati pomoću matematičkog modela (procijeniti) modul i kutni položaj vektora veze fluksa rotora. Funkcionalni dijagram vektorskog upravljanja asinhronim motorom sa direktnim merenjem protoka u vazdušnom prostoru mašine pomoću Holovih senzora prikazan je na Sl. 6.33.

Rice. B.ZZ. Funkcionalni dijagram direktnog vektorskog upravljanja asinhronim motorom

Kolo sadrži dva upravljačka kanala: upravljački (stabilizacijski) kanal za vezu fluksa rotora *P 2 i kanal za kontrolu brzine. Prvi kanal sadrži eksternu petlju za povezivanje fluksa rotora koja sadrži PI kontroler veze fluksa RP i povratnu vezu veze fluksa, čiji se signal generira pomoću Hallovih senzora koji mjere protok u međuprostoru mašine X? T duž osi ai(3. Realne vrijednosti fluksa se zatim preračunavaju u PP bloku u vrijednosti veze fluksa rotora duž osa a i p i pomoću vektorskog filtera VF, modul veze fluksa rotora pronađen je vektor, koji se kao negativna povratna sprega dovodi do regulatora veze protoka RP i koristi se kao razdjelnik u kanalu za kontrolu brzine.

U prvom kanalu, interni strujni krug je podređen krugu veze fluksa ja i, koji sadrži PI regulator struje PT1 i povratnu informaciju o stvarnoj vrijednosti struje / 1i, izračunatu iz stvarnih vrijednosti faznih struja statora pomoću faznog pretvarača PF2 i pretvarača koordinata KP1. Izlaz regulatora struje PT1 je postavka napona Ulu, kojem se dodaje kompenzacijski signal drugog kanala e kshpi(6,57). Primljeni signal za podešavanje napona pretvara se pomoću koordinatnih KP2 i faznih PF2 pretvarača u određene vrijednosti i naponske faze na izlazu frekventnog pretvarača.

Kanal upravljanja fluksom rotora osigurava da veza fluksa Ch* 2 ostane konstantna u svim pogonskim režimima na razini specificirane vrijednosti x P 2set. Ako je potrebno oslabiti polje, H*^ može varirati u određenim granicama uz malu stopu promjene.

Drugi kanal je dizajniran za regulaciju brzine (okretnog momenta) motora. Sadrži eksternu petlju brzine i podređenu internu strujnu petlju / 1u. Naredba za brzinu dolazi od generatora intenziteta, koji određuje ubrzanje i potrebnu vrijednost brzine. Povratna informacija o brzini se realizuje preko DS senzora brzine ili senzora ugaone pozicije rotora.

PC kontroler brzine se usvaja kao proporcionalni ili proporcionalno-integralni, ovisno o zahtjevima za električni pogon. Izlaz regulatora brzine je naredba za obrtni moment koji razvija L/R motor. Budući da je obrtni moment jednak proizvodu struje pomoću veze fluksa rotora H / 2, onda dijeljenjem vrijednosti zadavanja momenta u bloku DB podjele M nazad na Ch / 2 dobijamo trenutnu vrednost podešavanja koja se dovodi na ulaz strujnog regulatora PT2. Dalja obrada signala je slična prvom kanalu. Kao rezultat dobijamo zadatak za napon napajanja motora po fazama, koji određuje vrijednost i prostorni položaj u svakom trenutku vremena generaliziranog vektora napona statora!? Imajte na umu da su signali koji se odnose na varijable u - koordinatama jednosmjerni strujni signali, a signali koji odražavaju struje i napone u zračnim koordinatama su signali naizmjenične struje koji određuju ne samo modul, već i frekvenciju i fazu odgovarajućeg napona i struje.

Razmatrani sistem vektorskog upravljanja trenutno je implementiran u digitalnom obliku na bazi mikroprocesora. Razvijene su i široko se koriste različite sheme upravljanja strukturnim vektorima, koje se u detaljima razlikuju od one koja se razmatra. Dakle, trenutno se stvarne vrijednosti veza fluksa ne mjere senzorima magnetskog fluksa, već se izračunavaju pomoću matematičkog modela motora, na osnovu izmjerenih faznih struja i napona.

Općenito, vektorsko upravljanje može se ocijeniti kao najefikasniji način upravljanja motorima na naizmjeničnu struju, pružajući visoku tačnost i brzinu upravljanja.

Najpoznatiji način uštede energije je smanjenje brzine AC motora. Budući da je snaga proporcionalna kocki brzine osovine, malo smanjenje brzine može dovesti do značajnih ušteda energije. Svi razumiju koliko je to relevantno za proizvodnju. Ali kako to postići? Odgovorit ćemo na ovo i druga pitanja, ali prvo, hajde da razgovaramo o vrstama upravljanja asinhronim motorima.

AC električni pogon je elektromehanički sistem koji služi kao osnova za većinu tehnoloških procesa. Važna uloga u tome pripada frekventnom pretvaraču (FC), koji igra glavnu „sviranje glavne violine dueta“ – asinhronog motora (IM).

Malo elementarne fizike

Još iz škole imamo jasnu ideju da je napon razlika potencijala između dvije tačke, a frekvencija je vrijednost jednaka broju perioda kroz koje struja uspijeva proći bukvalno u sekundi.

U sklopu tehnološkog procesa često je potrebno mijenjati radne parametre mreže. U tu svrhu postoje frekventni pretvarači: skalarni i vektorski. Zašto se tako zovu? Počnimo s činjenicom da posebne karakteristike svake vrste postaju jasne iz njihovog imena. Prisjetimo se osnova elementarne fizike i dozvolimo sebi da IF nazovemo kraće radi jednostavnosti. „Vektornik“ ima određeni pravac i poštuje pravila vektora. “Scalarnik” nema ništa od ovoga, tako da je algoritam za njegovo upravljanje prirodno vrlo jednostavan. Čini se da su imena odlučena. Hajde sada da razgovaramo o tome kako su različite fizičke veličine iz matematičkih formula međusobno povezane.

Zapamtite da čim se brzina smanji, obrtni moment se povećava i obrnuto? To znači da što je veća rotacija rotora, to će veći fluks proći kroz stator, a samim tim će se inducirati veći napon.

Isti princip leži u principu rada u sistemima koje razmatramo, samo što se u „skalaru” kontroliše magnetsko polje statora, a u „vektoru” interakcija magnetnih polja statora i rotora igra značajnu ulogu. U potonjem slučaju, tehnologija omogućava poboljšanje tehničkih parametara rada pogonskog sistema.

Tehničke razlike između pretvarača

Mnogo je razlika, da istaknemo one najosnovnije, i to bez naučne mreže riječi. Za skalarni (bez senzora) frekventni drajver, U/F odnos je linearan i opseg kontrole brzine je prilično mali. Inače, zato na niskim frekvencijama nema dovoljno napona za održavanje obrtnog momenta, a ponekad je potrebno prilagoditi naponsko-frekventnu karakteristiku (VFC) radnim uslovima, isto se dešava i na maksimalnoj frekvenciji iznad 50 Hz .

Prilikom rotacije osovine u širokom rasponu brzina i niskih frekvencija, kao i ispunjavanju zahtjeva za automatsku kontrolu momenta, koristi se metoda vektorske kontrole sa povratnom spregom. Ovo otkriva još jednu razliku: skalar obično nema takvu povratnu informaciju.

Koje vanredne situacije odabrati? Primjena jednog ili drugog uređaja uglavnom je vođena opsegom upotrebe električnog pogona. Međutim, u posebnim slučajevima, izbor tipa frekventnog pretvarača postaje bez izbora. Prvo: postoji jasna, primetna razlika u ceni (skalarne su mnogo jeftinije, nema potrebe za skupim računarskim jezgrama). Stoga jeftinija proizvodnja ponekad nadmašuje proces donošenja odluka. Drugo: postoje područja primjene u kojima je moguća samo njihova upotreba, na primjer, u transportnim linijama, gdje se više elektromotora sinhrono upravlja iz jednog (VFD).

Skalarna metoda

Asinhroni električni pogon sa skalarnom kontrolom brzine (tj. VFC) i danas je najčešći. Osnova metode je da je brzina motora funkcija izlazne frekvencije.

Skalarna motorna kontrola je optimalan izbor za slučajeve u kojima nema promjenjivog opterećenja i nema potrebe za dobrom dinamikom. Skalaru nisu potrebni senzori za rad. Kada se koristi ova metoda, nema potrebe za skupim digitalnim procesorom, kao što je slučaj sa vektorskom kontrolom.

Metoda se često koristi za automatsku kontrolu ventilatora, kompresora i drugih jedinica.Ovdje je potrebno da se ili brzina rotacije vratila motora održava pomoću senzora, ili drugog specificiranog indikatora (npr. temperatura tekućine, kontrolirana odgovarajućim uređajem za praćenje).

Kod skalarnog upravljanja, promjena frekvencije i amplitude napona napajanja određena je formulom U/fn = const. Ovo omogućava konstantan magnetni tok u motoru. Metoda je prilično jednostavna, laka za implementaciju, ali ne bez nekih značajnih nedostataka:

• Nije moguće istovremeno kontrolisati obrtni moment i brzinu, pa se bira vrednost koja je sa tehnološke tačke gledišta najznačajnija;
• uski opseg kontrole brzine i nizak obrtni moment pri malim brzinama;
• loše performanse sa dinamički promenljivim opterećenjem.

Šta je vektorska metoda?

Vektorska metoda

Nastao je u procesu usavršavanja, a koristi se kada je potrebno ostvariti maksimalnu brzinu, regulaciju u širokom rasponu brzina i upravljivost obrtnog momenta na vratilu.

U najnovijim modelima električnih pogona u upravljački sistem (CS) ovog tipa uvodi se matematički model motora koji može izračunati obrtni moment motora i brzinu rotacije vratila. U tom slučaju potrebna je samo ugradnja senzora fazne struje statora.

Danas imaju dovoljan broj prednosti:

• visoka preciznost;
• bez trzaja, glatka rotacija krvnog pritiska;
• širok spektar propisa;
• brza reakcija na promjene opterećenja;
• osiguravajući radni način motora, u kojem se smanjuju gubici zbog zagrijavanja i magnetizacije, a to dovodi do njegovanog povećanja efikasnosti!

Prednosti su, naravno, očigledne, ali metoda vektorskog upravljanja nije bez nedostataka, kao što su složenost proračuna i potreba za poznavanjem tehničkih pokazatelja motora. Osim toga, primjećuju se veće amplitude fluktuacija brzine nego kod “skalara” pod konstantnim opterećenjem. Glavni zadatak u proizvodnji frekventnog pretvarača ("vektora") je osigurati visoki okretni moment pri maloj brzini rotacije.

Dijagram vektorskog upravljačkog sistema sa jedinicom za modulaciju širine impulsa (PWM) izgleda otprilike ovako:

Na prikazanom dijagramu, kontrolirani objekt je asinhroni motor spojen na senzor (DS) na osovini. Prikazani blokovi su zapravo karike u lancu upravljačkog sistema implementiranog na kontroleru. BZP blok postavlja vrijednosti varijabli. Logički blokovi (BRP) i (BVP) regulišu i izračunavaju varijable jednačine. Sam kontroler i ostali mehanički dijelovi sistema nalaze se u elektro ormaru.

Opcija sa frekvencijskim mikrokontrolerom

Frekvencijski pretvarač struja/napon je dizajniran za nesmetanu regulaciju osnovnih veličina, kao i drugih pokazatelja rada opreme. Funkcionira kao "skalar" i "vektor" u isto vrijeme, koristeći matematičke modele programirane u ugrađenom mikrokontroleru. Potonji je montiran u poseban panel i jedan je od čvorova informacione mreže sistema automatizacije.

Blok kontroler/frekventni pretvarač je najnovija tehnologija, u kolu sa njima se koriste induktori koji smanjuju intenzitet ulaznog šuma. Treba napomenuti da se ovoj problematici posvećuje posebna pažnja u inostranstvu.U domaćoj praksi upotreba EMC filtera i dalje ostaje slaba karika, jer ne postoji čak ni razuman regulatorni okvir. Same filtere češće koristimo tamo gdje nisu potrebni, a gdje su zaista potrebni, iz nekog razloga su zaboravljeni.

Zaključak

Činjenica je da električni motor u normalnom radu iz mreže obično ima standardne parametre, što nije uvijek prihvatljivo. Ova činjenica se otklanja uvođenjem različitih zupčastih mehanizama za smanjenje frekvencije na potrebnu. Danas su formirana dva upravljačka sistema: sistem bez senzora i senzorski sistem sa povratnom spregom. Njihova glavna razlika je tačnost kontrole. Najtačniji je, naravno, drugi.

Postojeći okvir je proširen upotrebom različitih savremenih sistema upravljanja IM, obezbeđujući poboljšan kvalitet regulacije i visok kapacitet preopterećenja. Ovi faktori su od velikog značaja za ekonomičnu proizvodnju, dug radni vek opreme i ekonomičnu potrošnju energije.

Prema najnovijim statistikama, oko 70% ukupne električne energije proizvedene u svijetu troši se na električni pogon. I svake godine taj procenat raste.

Pravilno odabranom metodom upravljanja elektromotorom moguće je postići maksimalnu efikasnost, maksimalni obrtni moment na osovini električne mašine, a istovremeno će se povećati ukupne performanse mehanizma. Elektromotori koji efikasno rade troše minimalno električne energije i pružaju maksimalnu efikasnost.

Za elektromotore koje pokreće inverter, efikasnost će u velikoj mjeri ovisiti o odabranoj metodi upravljanja električnom mašinom. Samo razumijevanjem prednosti svake metode inženjeri i dizajneri pogonskih sistema mogu postići maksimalne performanse svake metode upravljanja.
Sadržaj:

Metode kontrole

Mnogi ljudi koji rade u oblasti automatizacije, ali nisu blisko uključeni u razvoj i implementaciju sistema električnih pogona, smatraju da se upravljanje elektromotorom sastoji od niza komandi koje se unose preko interfejsa sa kontrolne table ili računara. Da, sa stanovišta opće hijerarhije upravljanja automatiziranim sistemom, to je ispravno, ali postoje i načini upravljanja samim elektromotorom. Upravo će ove metode imati maksimalan utjecaj na performanse cijelog sistema.

Za asinhrone motore povezane na frekventni pretvarač, postoje četiri glavne metode upravljanja:

• U/f – volti po hercu;
• U/f sa enkoderom;
• Vektorska kontrola otvorene petlje;
• Vektorsko upravljanje zatvorenom petljom;

Sve četiri metode koriste PWM modulaciju širine impulsa, koja mijenja širinu fiksnog signala mijenjajući širinu impulsa kako bi se stvorio analogni signal.

Modulacija širine impulsa se primjenjuje na frekventni pretvarač korištenjem fiksnog DC napona sabirnice. brzim otvaranjem i zatvaranjem (točnije, prebacivanjem) generišu izlazne impulse. Promjenom širine ovih impulsa na izlazu, dobiva se "sinusoida" željene frekvencije. Čak i ako je oblik izlaznog napona tranzistora pulsirajući, struja se i dalje dobiva u obliku sinusoida, budući da elektromotor ima induktivnost koja utječe na oblik struje. Sve metode upravljanja su bazirane na PWM modulaciji. Razlika između metoda upravljanja leži samo u metodi izračunavanja napona koji se dovodi do elektromotora.

U ovom slučaju, noseća frekvencija (prikazano crvenom bojom) predstavlja maksimalnu frekvenciju prebacivanja tranzistora. Noseća frekvencija za pretvarače je obično u rasponu od 2 kHz - 15 kHz. Referenca frekvencije (prikazano plavom bojom) je komandni signal izlazne frekvencije. Za pretvarače koji se koriste u konvencionalnim električnim pogonskim sistemima, u pravilu se kreće od 0 Hz do 60 Hz. Kada se signali dvije frekvencije nađu jedan na drugom, izdat će se signal za otvaranje tranzistora (označenog crnom bojom), koji napaja napon na elektromotor.

U/F metoda kontrole

Volt-per-Hz kontrola, koja se najčešće naziva U/F, je možda najjednostavniji način upravljanja. Često se koristi u jednostavnim električnim pogonskim sistemima zbog svoje jednostavnosti i minimalnog broja parametara potrebnih za rad. Ova metoda upravljanja ne zahtijeva obaveznu instalaciju enkodera i obavezna podešavanja za električni pogon promjenjive frekvencije (ali se preporučuje). To dovodi do nižih troškova za pomoćnu opremu (senzori, povratne žice, releji, itd.). U/F kontrola se često koristi u visokofrekventnoj opremi, na primjer, često se koristi u CNC mašinama za pokretanje rotacije vretena.

Model sa konstantnim obrtnim momentom ima konstantan obrtni moment u celom opsegu brzina sa istim U/F odnosom. Model varijabilnog omjera momenta ima niži napon napajanja pri malim brzinama. Ovo je neophodno kako bi se spriječilo zasićenje električne mašine.

U/F je jedini način regulacije brzine asinhronog elektromotora, koji omogućava upravljanje više električnih pogona iz jednog frekventnog pretvarača. Shodno tome, sve mašine se pokreću i zaustavljaju istovremeno i rade na istoj frekvenciji.

Ali ova metoda kontrole ima nekoliko ograničenja. Na primjer, kada se koristi U/F metoda upravljanja bez enkodera, nema apsolutno nikakve sigurnosti da se osovina asinkrone mašine rotira. Osim toga, startni moment električne mašine na frekvenciji od 3 Hz ograničen je na 150%. Da, ograničeni obrtni moment je više nego dovoljan za smještaj većine postojeće opreme. Na primjer, skoro svi ventilatori i pumpe koriste U/F metodu upravljanja.

Ova metoda je relativno jednostavna zbog labavije specifikacije. Regulacija brzine je obično u rasponu od 2% - 3% maksimalne izlazne frekvencije. Brzinski odziv se izračunava za frekvencije iznad 3 Hz. Brzina odziva frekventnog pretvarača određena je brzinom njegovog odgovora na promjene referentne frekvencije. Što je veća brzina odziva, električni pogon će brže reagirati na promjene u postavci brzine.

Raspon kontrole brzine kada se koristi U/F metod je 1:40. Množenjem ovog omjera sa maksimalnom radnom frekvencijom elektromotora dobijamo vrijednost minimalne frekvencije na kojoj električna mašina može raditi. Na primjer, ako je maksimalna vrijednost frekvencije 60 Hz, a raspon je 1:40, tada će minimalna vrijednost frekvencije biti 1,5 Hz.

U/F obrazac određuje odnos između frekvencije i napona tokom rada frekventnog pretvarača. Prema njemu, kriva podešavanja brzine rotacije (frekvencija motora) će odrediti, osim vrijednosti frekvencije, i vrijednost napona koji se dovodi do terminala električne mašine.

Operateri i tehničari mogu odabrati željeni U/F kontrolni obrazac sa jednim parametrom u modernom frekventnom pretvaraču. Unaprijed instalirani predlošci su već optimizirani za određene aplikacije. Postoje i mogućnosti za kreiranje vlastitih predložaka koji će biti optimizirani za određeni frekventni pogon ili sistem elektromotora.

Uređaji kao što su ventilatori ili pumpe imaju obrtni moment koji zavisi od njihove brzine rotacije. Varijabilni obrtni moment (slika iznad) U/F obrasca sprečava greške u kontroli i poboljšava efikasnost. Ovaj model upravljanja smanjuje struje magnetiziranja na niskim frekvencijama smanjenjem napona na električnoj mašini.

Mehanizmi sa konstantnim momentom kao što su transporteri, ekstruderi i druga oprema koriste metodu kontrole konstantnog momenta. Uz konstantno opterećenje, potrebna je puna struja magnetiziranja pri svim brzinama. U skladu s tim, karakteristika ima ravan nagib u cijelom rasponu brzina.

U/F metoda upravljanja sa enkoderom

Ako je potrebno povećati tačnost kontrole brzine rotacije, upravljačkom sistemu se dodaje enkoder. Uvođenje povratne informacije o brzini pomoću enkodera omogućava vam da povećate preciznost upravljanja na 0,03%. Izlazni napon će i dalje biti određen specificiranim U/F uzorkom.

Ova metoda upravljanja nije široko korištena, jer su prednosti koje pruža u odnosu na standardne U/F funkcije minimalne. Početni moment, brzina odziva i opseg kontrole brzine su identični standardnim U/F. Osim toga, kada se radne frekvencije povećavaju, mogu se pojaviti problemi s radom enkodera, jer ima ograničen broj okretaja.

Vektorska kontrola otvorene petlje

Otvoreno vektorsko upravljanje (VC) koristi se za širu i dinamičniju kontrolu brzine električne mašine. Prilikom pokretanja od frekventnog pretvarača, elektromotori mogu razviti startni moment od 200% nazivnog momenta pri frekvenciji od samo 0,3 Hz. Ovo značajno proširuje listu mehanizama u kojima se može koristiti asinhroni električni pogon sa vektorskom kontrolom. Ova metoda vam takođe omogućava da kontrolišete obrtni moment mašine u sva četiri kvadranta.

Obrtni moment je ograničen motorom. Ovo je neophodno kako bi se spriječilo oštećenje opreme, strojeva ili proizvoda. Vrijednost momenta je podijeljena u četiri različita kvadranta, ovisno o smjeru rotacije električne mašine (naprijed ili nazad) i ovisno o tome da li elektromotor implementira . Granice se mogu postaviti za svaki kvadrant pojedinačno, ili korisnik može podesiti ukupni obrtni moment u frekventnom pretvaraču.

Motorni režim asinhrone mašine će biti obezbeđen da magnetno polje rotora zaostaje za magnetnim poljem statora. Ako magnetsko polje rotora počne da nadmašuje magnetsko polje statora, tada će mašina ući u režim regenerativnog kočenja sa oslobađanjem energije; drugim rečima, asinhroni motor će se prebaciti u generatorski režim.

Na primjer, mašina za zatvaranje boca može koristiti ograničenje obrtnog momenta u kvadrantu 1 (smjer naprijed s pozitivnim momentom) kako bi spriječila prekomjerno zatezanje čepa boce. Mehanizam se kreće naprijed i koristi pozitivni moment za zatezanje poklopca boce. Ali uređaj kao što je lift s protutegom težim od praznog automobila koristit će kvadrant 2 (obrnuta rotacija i pozitivni obrtni moment). Ako se kabina podigne na gornji kat, tada će obrtni moment biti suprotan brzini. Ovo je neophodno da bi se ograničila brzina dizanja i sprečilo slobodno padanje protivteže, budući da je ona teža od kabine.

Povratne informacije o struji u ovim frekventnim pretvaračima omogućavaju vam da postavite ograničenja na moment i struju elektromotora, jer kako se struja povećava, povećava se i okretni moment. Izlazni napon pretvarača može se povećati ako mehanizam zahtijeva veći moment, ili smanjiti ako se postigne njegova maksimalna dopuštena vrijednost. Ovo čini princip vektorske kontrole asinhrone mašine fleksibilnijim i dinamičnijim u poređenju sa U/F principom.

Takođe, frekventni pretvarači sa vektorskom kontrolom i otvorenom petljom imaju brži odziv brzine od 10 Hz, što ga omogućava da se koristi u mehanizmima sa udarnim opterećenjima. Na primjer, kod drobilica stijena opterećenje se stalno mijenja i ovisi o zapremini i dimenzijama stijene koja se obrađuje.

Za razliku od U/F obrasca upravljanja, vektorsko upravljanje koristi vektorski algoritam za određivanje maksimalnog efektivnog radnog napona elektromotora.

Vektorsko upravljanje VU rješava ovaj problem zbog prisustva povratne sprege o struji motora. Po pravilu strujnu povratnu spregu generiraju interni strujni transformatori samog frekventnog pretvarača. Koristeći dobivenu vrijednost struje, frekventni pretvarač izračunava obrtni moment i tok električne mašine. Osnovni vektor struje motora je matematički podijeljen na vektor struje magnetiziranja (Id) i momenta (I q).

Koristeći podatke i parametre električne mašine, pretvarač izračunava vektore struje magnetiziranja (I d) i momenta (I q). Da bi se postigao maksimalni učinak, pretvarač frekvencije mora držati I d i I q razdvojene pod kutom od 90 0. Ovo je značajno jer je sin 90 0 = 1, a vrijednost 1 predstavlja maksimalnu vrijednost momenta.

Općenito, vektorsko upravljanje indukcionim motorom pruža strožu kontrolu. Regulacija brzine je približno ±0,2% maksimalne frekvencije, a raspon regulacije dostiže 1:200, što može održavati obrtni moment pri malim brzinama.

Vektorsko upravljanje povratnom spregom

Vektorsko upravljanje povratnom spregom koristi isti kontrolni algoritam kao i VAC otvorenog kruga. Glavna razlika je prisustvo enkodera, koji omogućava promjenjivoj frekvenciji da razvije 200% startnog momenta pri 0 o/min. Ova tačka je jednostavno neophodna da bi se stvorio početni trenutak pri pomeranju sa liftova, dizalica i drugih mašina za dizanje, kako bi se sprečilo sleganje tereta.

Prisutnost senzora povratne informacije o brzini omogućava vam da povećate vrijeme odziva sistema na više od 50 Hz, kao i da proširite raspon kontrole brzine na 1:1500. Također, prisutnost povratnih informacija omogućava vam da kontrolirate ne brzinu električne mašine, već obrtni moment. U nekim mehanizmima, vrijednost momenta je od velike važnosti. Na primjer, mašina za namotavanje, mehanizmi za začepljenje i drugo. U takvim uređajima potrebno je regulisati obrtni moment mašine.