Skalární řízení frekvence aplikované na asynchronní motory. Výhody vektorového řízení asynchronního motoru Vektorové řízení s frekvenčním měničem

Dmitrij Levkin

Skalární ovládání(frekvence) - bezkomutátorová metoda řízení AC, která spočívá v udržování konstantního poměru napětí/frekvence (V/Hz) v celém rozsahu provozních otáček, přičemž je řízena pouze velikost a frekvence napájecího napětí.

Poměr V/Hz se vypočítá na základě jmenovitého výkonu (a frekvence) monitorovaného střídavého motoru. Udržováním konstantního poměru V/Hz můžeme udržovat relativně konstantní magnetický tok v mezeře motoru. Pokud se poměr V/Hz zvýší, motor se stane přebuzeným a naopak, pokud se poměr sníží, je motor v podbuzeném stavu.

Změna napájecího napětí motoru pomocí skalárního řízení

Při nízkých otáčkách je nutné kompenzovat úbytek napětí na odporu statoru, proto je poměr V/Hz při nízkých otáčkách nastaven vyšší než jmenovitá hodnota. Metoda skalárního řízení je nejrozšířenější pro řízení asynchronních elektromotorů.

Stejně jako u asynchronních motorů

U metody skalárního řízení jsou otáčky řízeny nastavením napětí a frekvence statoru tak, aby bylo magnetické pole v mezeře udržováno na požadované hodnotě. Pro udržení konstantního magnetického pole v mezeře musí být poměr V/Hz konstantní při různých rychlostech.

S rostoucími otáčkami se musí úměrně zvyšovat i napájecí napětí statoru. Synchronní frekvence asynchronního motoru se však nerovná otáčkám hřídele, ale závisí na zatížení. Skalární řídicí systém s otevřenou smyčkou tedy nemůže přesně řídit rychlost, když je přítomna zátěž. K vyřešení tohoto problému lze do systému přidat zpětnou vazbu rychlosti, a tedy kompenzaci skluzu.

Nevýhody skalárního řízení

Metoda skalární ovládání relativně jednoduchá implementace, ale má několik významných nevýhod:
• za prvé, pokud není nainstalován snímač rychlosti, nemůžete ovládat rychlost otáčení hřídele, protože závisí na zatížení (tento problém řeší přítomnost snímače rychlosti) a v případě změny zatížení můžete zcela ztratit řízení;
• za druhé to nelze ovládat. Tento problém lze samozřejmě vyřešit pomocí snímače točivého momentu, ale náklady na jeho instalaci jsou velmi vysoké a s největší pravděpodobností budou vyšší než samotný elektrický pohon. V tomto případě bude řízení točivého momentu velmi inerciální;
• je také nemožné ovládat točivý moment a otáčky současně.

Skalární řízení je dostatečné pro většinu úloh, při kterých se používá elektrický pohon s rozsahem regulace otáček motoru až 1:10.

Při požadavku na maximální otáčky se využívá možnost regulace v širokém rozsahu otáček a možnost regulace točivého momentu elektromotoru.

Za účelem úpravy úhlová rychlost otáčení rotoru, ale i krouticího momentu na hřídeli moderních bezkomutátorových motorů, využívá se buď vektorové nebo skalární řízení elektrického pohonu.

Nejrozšířenější se stalo skalární řízení asynchronního motoru, kdy k řízení například rychlosti otáčení ventilátoru nebo čerpadla stačí udržovat konstantní otáčky rotoru, zpětnovazební signál z tlakového snímače nebo a snímač rychlosti je dostačující.

Princip skalárního řízení je jednoduchý: amplituda napájecího napětí je funkcí frekvence a poměr napětí k frekvenci je přibližně konstantní.

Konkrétní typ této závislosti je spojen se zatížením hřídele, ale princip zůstává stejný: zvyšujeme frekvenci a napětí se zvyšuje úměrně v závislosti na zatěžovací charakteristice tohoto motoru.

V důsledku toho je magnetický tok v mezeře mezi rotorem a statorem udržován téměř konstantní. Pokud se poměr napětí a frekvence liší od jmenovitého poměru pro daný motor, pak bude motor buď přebuzen nebo podbuzen, což povede ke ztrátám v motoru a poruchám v pracovním procesu.

Skalární řízení tedy umožňuje dosáhnout téměř konstantního krouticího momentu na hřídeli v rozsahu pracovních frekvencí bez ohledu na frekvenci, při nízkých otáčkách však kroutící moment stále klesá (aby se tak nestalo, je nutné zvýšit napěťový- poměr k frekvenci), takže pro každý motor existuje přesně definovaný provozní rozsah skalárního řízení.

Navíc je nemožné postavit systém skalárního řízení otáček bez snímače otáček namontovaného na hřídeli, protože zatížení značně ovlivňuje zpoždění skutečné rychlosti otáčení rotoru od frekvence napájecího napětí. Ale ani se snímačem otáček nebude možné se skalárním řízením regulovat točivý moment s vysokou přesností (alespoň způsobem, který by byl ekonomicky proveditelný).

V tom spočívají nevýhody skalárního řízení, vysvětlující relativní nedostatek oblastí jeho použití, omezených především na konvenční asynchronní motory, kde závislost skluzu na zatížení není kritická.

Aby se zbavili těchto nedostatků, v roce 1971 inženýři společnosti Siemens navrhli použití vektorového řízení motoru, ve kterém se řízení provádí pomocí zpětná vazba velikostí magnetického toku. První vektorové řídicí systémy obsahovaly snímače toku v motorech.

Dnes je přístup k této metodě poněkud odlišný: matematický model motoru umožňuje vypočítat otáčky rotoru a točivý moment na hřídeli v závislosti na aktuálních fázových proudech (na frekvenci a velikosti proudů ve vinutí statoru).

Tento progresivnější přístup umožňuje nezávisle a téměř bez setrvačnosti regulovat jak krouticí moment na hřídeli, tak rychlost otáčení hřídele při zatížení, protože v procesu regulace jsou zohledněny i fáze proudů.

Některé přesnější vektorové řídicí systémy jsou vybaveny obvody zpětné vazby rychlosti a řídicí systémy bez snímačů rychlosti se nazývají bezsenzorové.

Takže v závislosti na oblasti použití konkrétního elektrického pohonu bude mít jeho vektorový řídicí systém své vlastní charakteristiky a vlastní stupeň přesnosti nastavení.

Když požadavky na přesnost regulace rychlosti umožňují odchylku až 1,5% a rozsah nastavení nepřesahuje 1 až 100, pak je bezsenzorový systém docela vhodný. Pokud je požadována přesnost regulace rychlosti s odchylkou ne větší než 0,2 % a rozsah je snížen na 1 ku 10 000, je nutná zpětná vazba ze snímače rychlosti na hřídeli. Přítomnost snímače rychlosti v systémech vektorového řízení vám umožňuje přesně nastavit točivý moment, i když nízké frekvence až 1 Hz.

Takže vektorové řízení poskytuje následující výhody. Vysoce přesné řízení rychlosti otáčení rotoru (a bez snímače rychlosti na něm) i za podmínek dynamicky se měnícího zatížení hřídele a nedochází k trhání. Hladké a rovnoměrné otáčení hřídele při nízkých rychlostech. Vysoká účinnost díky nízkým ztrátám za podmínek optimální charakteristiky napájecího napětí.

Vektorové ovládání není bez nevýhod. Složitost výpočetních operací. Nutnost nastavení počátečních dat (variabilní parametry pohonu).

Pro skupinový elektrický pohon je zde zásadně nevhodné řízení skalární;

Podle posledních statistik je přibližně 70 % veškeré elektřiny vyrobené na světě spotřebováno elektrickými pohony. A každým rokem toto procento roste.

Správně zvoleným způsobem ovládání elektromotoru lze získat maximální účinnost, maximální točivý moment na hřídeli elektromotoru a zároveň se zvýší celkový výkon mechanismu. Efektivně pracující elektromotory spotřebovávají minimum elektrické energie a poskytují maximální účinnost.

U elektromotorů poháněných invertorem bude účinnost do značné míry záviset na zvoleném způsobu řízení elektrický stroj. Pouze pochopením výhod každé metody mohou inženýři a konstruktéři pohonných systémů získat maximální výkon z každé metody ovládání.
Obsah:

Kontrolní metody

Mnoho lidí pracujících v oblasti automatizace, kteří se však úzce nezabývají vývojem a implementací systémů elektrických pohonů, se domnívá, že řízení elektromotoru se skládá ze sekvence příkazů zadávaných pomocí rozhraní z ovládacího panelu nebo PC. Ano, z pohledu celkové hierarchie řízení automatizovaný systém to je správné, ale stále existují způsoby, jak ovládat samotný elektromotor. Právě tyto metody budou mít maximální dopad na výkon celého systému.

Pro asynchronní elektromotory připojené k frekvenčnímu měniči existují čtyři hlavní způsoby řízení:

• U/f – volty na hertz;
• U/f s kodérem;
• vektorové řízení s otevřenou smyčkou;
• vektorové řízení s uzavřenou smyčkou;

Všechny čtyři metody využívají pulzní šířkovou modulaci PWM, která mění šířku pevného signálu změnou doby trvání pulzů za účelem vytvoření analogového signálu.

Pulzní šířková modulace je aplikována na frekvenční měnič pomocí pevné napětí pneumatiky DC. podle rychlé otevření a sepnutí (přesněji přepínání) generují výstupní impulsy. Změnou šířky těchto impulsů se na výstupu získá „sinusovka“. požadovaná frekvence. I když je tvar výstupního napětí tranzistorů pulzní, proud je stále získáván ve formě sinusoidy, protože elektromotor má indukčnost, která ovlivňuje tvar proudu. Všechny způsoby řízení jsou založeny na modulaci PWM. Rozdíl mezi způsoby ovládání spočívá pouze ve způsobu výpočtu napětí dodávaného do elektromotoru.

V tomto případě nosná frekvence (zobrazená červeně) představuje maximální spínací frekvenci tranzistorů. Nosná frekvence u měničů je obvykle v rozsahu 2 kHz - 15 kHz. Referenční frekvence (zobrazená modře) je výstupní signál referenční frekvence. U měničů používaných v konvenčních elektrických pohonných systémech se zpravidla pohybuje od 0 Hz do 60 Hz. Při superponování signálů dvou frekvencí na sebe bude vydán signál k otevření tranzistoru (označeno černě), který dodává elektrické napětí do elektromotoru.

Způsob ovládání U/F

Řízení volt-per-Hz, nejčastěji označované jako U/F, je možná nejjednodušší způsob ovládání. Pro svou jednoduchost a minimální počet parametrů potřebných pro provoz se často používá v jednoduchých systémech elektrického pohonu. Tento způsob ovládání nevyžaduje povinná instalace kodér a povinná nastavení pro měnič kmitočtu (ale doporučeno). To vede k nižším nákladům na pomocná zařízení (snímače, zpětnovazební vodiče, relé atd.). U/F řízení se poměrně často používá ve vysokofrekvenčních zařízeních, např. u CNC strojů se často používá k pohonu otáčení vřetena.

Model s konstantním momentem má konstantní moment v celém rozsahu otáček se stejným poměrem U/F. Model s proměnným poměrem točivého momentu má nižší napájecí napětí při nízkých otáčkách. To je nezbytné, aby se zabránilo saturaci elektrického stroje.

U/F je jediný způsob regulace otáček asynchronního elektromotoru, který umožňuje řízení více elektrických pohonů z jednoho frekvenčního měniče. V souladu s tím se všechny stroje spouštějí a zastavují současně a pracují se stejnou frekvencí.

Tento způsob ovládání má ale několik omezení. Například při použití metody řízení U/F bez enkodéru není absolutně žádná jistota, že se hřídel asynchronního stroje otáčí. Startovací moment elektrického stroje při frekvenci 3 Hz je navíc omezen na 150 %. Ano, omezený točivý moment je více než dostačující pro většinu stávajících zařízení. Například téměř všechny ventilátory a čerpadla používají metodu řízení U/F.

Tato metoda je poměrně jednoduchá díky své volnější specifikaci. Regulace otáček je typicky v rozsahu 2% - 3% maximální výstupní frekvence. Rychlostní odezva se počítá pro frekvence nad 3 Hz. Rychlost odezvy měniče kmitočtu je určena rychlostí jeho odezvy na změny referenční frekvence. Čím vyšší je rychlost odezvy, tím rychleji bude elektrický pohon reagovat na změny v nastavení rychlosti.

Rozsah regulace rychlosti při použití metody U/F je 1:40. Vynásobením tohoto poměru maximální pracovní frekvencí elektropohonu získáme hodnotu minimální frekvence, na které může elektrický stroj pracovat. Například pokud maximální hodnota frekvence je 60 Hz a rozsah je 1:40, pak minimální hodnota frekvence bude 1,5 Hz.

Vzor U/F určuje vztah mezi frekvencí a napětím během provozu frekvenčního měniče. Podle ní bude křivka nastavení rychlosti otáčení (frekvence motoru) určovat kromě hodnoty frekvence také hodnotu napětí přiváděného na svorky elektrického stroje.

Operátoři a technici mohou v moderním frekvenčním měniči zvolit požadovaný regulační vzor U/F s jedním parametrem. Předinstalované šablony jsou již optimalizovány pro konkrétní aplikace. Existují také možnosti vytvořit si vlastní šablony, které budou optimalizovány pro konkrétní pohon s proměnnou frekvencí nebo systém elektromotoru.

Zařízení jako ventilátory nebo čerpadla mají zatěžovací moment, který závisí na jejich rychlosti otáčení. Proměnný točivý moment (obrázek výše) vzoru U/F zabraňuje chybám řízení a zlepšuje účinnost. Tento řídicí model snižuje magnetizační proudy při nízkých frekvencích snížením napětí na elektrickém stroji.

Mechanismy s konstantním točivým momentem, jako jsou dopravníky, extrudéry a další zařízení, používají metodu řízení konstantního točivého momentu. Při konstantní zátěži je to nutné plný proud magnetizace při všech rychlostech. V souladu s tím má charakteristika přímý sklon v celém rozsahu otáček.

Způsob ovládání U/F s kodérem

Pokud je potřeba zvýšit přesnost regulace rychlosti otáčení, je do řídicího systému přidán enkodér. Zavedení zpětné vazby rychlosti pomocí enkodéru umožňuje zvýšit přesnost řízení na 0,03 %. Výstupní napětí bude stále určeno specifikovaným vzorem U/F.

Tento způsob ovládání není široce používán, protože výhody, které poskytuje ve srovnání se standardními U/F funkcemi, jsou minimální. Rozběhový moment, rychlost odezvy a rozsah regulace rychlosti jsou stejné jako u standardního U/F. Kromě toho, když se provozní frekvence zvýší, mohou nastat problémy s provozem kodéru, protože ano omezené množství ot./min

Vektorové řízení s otevřenou smyčkou

Vektorové řízení s otevřenou smyčkou (VC) se používá pro širší a dynamičtější řízení rychlosti elektrického stroje. Při spouštění z frekvenčního měniče mohou elektromotory vyvinout rozběhový moment 200 % jmenovitého momentu při frekvenci pouhých 0,3 Hz. Tím se výrazně rozšiřuje seznam mechanismů, kde lze použít asynchronní elektrický pohon s vektorovým řízením. Tato metoda také umožňuje řídit točivý moment stroje ve všech čtyřech kvadrantech.

Točivý moment je omezen motorem. To je nezbytné, aby se zabránilo poškození zařízení, strojů nebo výrobků. Hodnota točivých momentů je rozdělena do čtyř různých kvadrantů v závislosti na směru otáčení elektrického stroje (vpřed nebo vzad) a v závislosti na tom, zda elektromotor používá . Limity lze nastavit pro každý kvadrant jednotlivě nebo uživatel může nastavit celkový točivý moment ve frekvenčním měniči.

Motorový režim asynchronního stroje bude zajištěn tím, že magnetické pole rotoru zaostává za magnetickým polem statoru. Pokud magnetické pole rotoru začne převyšovat magnetické pole statoru, stroj přejde do režimu regenerativního brzdění s uvolněním energie, jinými slovy, asynchronní motor se přepne do režimu generátoru.

Například stroj na uzavírání lahví může používat omezení krouticího momentu v kvadrantu 1 (dopředný směr s kladným kroutícím momentem), aby se zabránilo nadměrnému utažení uzávěru lahve. Mechanismus se pohybuje dopředu a využívá kladný krouticí moment k utažení uzávěru láhve. Ale zařízení, jako je výtah s protizávažím těžším než prázdná kabina, bude používat kvadrant 2 (reverzní rotace a kladný točivý moment). Pokud se kabina zvedne do nejvyššího patra, pak točivý moment bude opačný než rychlost. To je nezbytné pro omezení rychlosti stoupání a prevenci volný pád protizávaží, protože je těžší než kabina.

Proudová zpětná vazba v těchto frekvenčních měničích umožňuje nastavit limity točivého momentu a proudu elektromotoru, protože jak se proud zvyšuje, zvyšuje se i točivý moment. Výstupní napětí měniče se může změnit směrem nahoru, pokud mechanismus vyžaduje použití většího točivého momentu, nebo se může snížit, pokud je dosaženo jeho maximálního točivého momentu. platná hodnota. To dělá princip vektorového řízení asynchronní stroj flexibilnější a dynamičtější ve srovnání s principem U/F.

Také frekvenční měniče s vektorovým řízením a otevřenou smyčkou mají rychlejší rychlostní odezvu 10 Hz, což umožňuje použití v mechanismech s rázovým zatížením. Například u drtičů hornin se zatížení neustále mění a závisí na objemu a rozměrech zpracovávané horniny.

Na rozdíl od řídicího vzoru U/F využívá vektorové řízení vektorový algoritmus k určení maximálního efektivního provozního napětí elektromotoru.

Vektorové řízení VU řeší tento problém díky přítomnosti zpětné vazby na proud motoru. Proudovou zpětnou vazbu zpravidla generují vnitřní proudové transformátory samotného frekvenčního měniče. Pomocí získané hodnoty proudu vypočítá frekvenční měnič točivý moment a tok elektrického stroje. Základní vektor proudu motoru je matematicky rozdělen na vektor magnetizačního proudu (I d) a momentu (I q).

Pomocí dat a parametrů elektrického stroje vypočítá střídač vektory magnetizačního proudu (I d) a momentu (I q). Pro dosažení maximálního výkonu musí frekvenční měnič udržovat Id a Iq oddělené úhlem 90°. To je významné, protože sin 90 0 = 1 a hodnota 1 představuje maximální hodnotu točivého momentu.

Obecně platí, že vektorové řízení indukčního motoru poskytuje přísnější řízení. Regulace otáček je přibližně ±0,2 % maximální frekvence a rozsah regulace dosahuje 1:200, což dokáže udržet točivý moment při provozu v nízkých otáčkách.

Vektorové ovládání zpětné vazby

Vektorové řízení zpětné vazby používá stejný řídicí algoritmus jako VAC s otevřenou smyčkou. Hlavním rozdílem je přítomnost enkodéru, který umožňuje frekvenčnímu měniči vyvinout 200% rozběhový moment při 0 ot./min. Tento bod je prostě nutný pro vytvoření počátečního momentu při rozjíždění výtahů, jeřábů a jiných zdvihacích strojů, aby se zabránilo sesedání břemene.

Přítomnost snímače zpětné vazby rychlosti umožňuje zvýšit dobu odezvy systému na více než 50 Hz a také rozšířit rozsah regulace rychlosti na 1:1500. Přítomnost zpětné vazby vám také umožňuje řídit nikoli rychlost elektrického stroje, ale točivý moment. U některých mechanismů je to právě hodnota točivého momentu, která má velký význam. Například navíjecí stroj, ucpávací mechanismy a další. V takových zařízeních je nutné regulovat točivý moment stroje.

Jakákoli změna nebo udržování konstantní rychlosti elektrického pohonu zajišťuje cílenou regulaci točivého momentu vyvinutého motorem. Točivý moment vzniká jako výsledek interakce toku (propojení toku) vytvářeného jednou částí motoru s proudem v druhé části a je určen vektorovým součinem těchto dvou prostorových vektorů generujících krouticí moment. Proto je velikost točivého momentu vyvinutého motorem určena moduly každého vektoru a prostorovým úhlem mezi nimi.

Při stavbě skalární řídicí systémyŘízeny a regulovány byly pouze číselné hodnoty (moduly) vektorů generujících točivý moment, ale jejich prostorová poloha nebyla řízena. Princip vektorového řízení spočívá ve skutečnosti, že řídicí systém řídí číselnou hodnotu a vzájemnou polohu vektorů generujících krouticí moment v prostoru. Úkolem vektorového řízení je tedy určit a násilně stanovit okamžité hodnoty proudu ve vinutí motoru tak, aby zobecněné vektory proudů a vazeb toku zaujímaly pozici v prostoru, která zajišťuje vytvoření požadovaného elektromagnetického momentu.

Elektromagnetický moment generovaný motorem:

kde m je návrhový faktor; , 2 - prostorové

vektory proudů nebo vazeb toku, které tvoří krouticí moment; X- prostorový úhel mezi vektory generujícími moment.

Jak vyplývá z (6.53), minimální hodnoty proudů (spojovacích toků) tvořících moment budou pro požadovanou hodnotu momentu, pokud vektory X a 2 jsou na sebe kolmé, tzn. X = °.

Ve vektorových řídicích systémech není potřeba určovat absolutní prostorovou polohu vektorů a 2 ve vztahu k osám statoru nebo rotoru. Je nutné určit polohu jednoho vektoru vůči druhému. Proto je jeden z vektorů považován za báze, a poloha druhého řídí úhel X.

Na základě toho je při konstrukci systémů vektorového řízení vhodné vycházet z matematického popisu elektromagnetických a elektromechanických procesů vyjádřených v souřadnicích vázaných na základní vektor (souřadnice A- proti). Takový matematický popis je uveden v § 1.6.

Pokud vezmeme jako základní vektor a nasměrujeme souřadnicovou osu A podél tohoto vektoru pak na základě (1.46) získáme následující soustavu rovnic:

V těchto rovnicích? v = , protože vektor se shoduje se souřadnicovou osou A.

Na Obr. Obrázek 6.31 ukazuje vektorový diagram proudů a propojení toků v osách A- v ^orientace souřadnic A podél vektoru rotorové vazby. Z vektorového diagramu to vyplývá

Rýže. B.31. Vektorový diagram tokových vazeb a proudů v osách u-v na M

Při konstantní (nebo pomalé změně) p rotorová spojka d"V u /dt= což má za následek i a = A Г = yji u +i v = i proti

V tomto případě vektor proudu rotoru G kolmo k táhlu rotorového toku. Protože únikový tok rotoru 0 je výrazně menší než tok v mezeře stroje H, t pak, pokud je vazba rotorového toku konstantní, můžeme předpokládat, že projekce vektoru statorového proudu na souřadnicovou osu v já v rovná se |/"| nebo /

Výhoda převzatého souřadnicového systému u-v pro konstrukci systému vektorového řízení momentu a otáček asynchronního motoru je, že moment motoru (6.54) je definován jako skalární součin dvou vzájemně kolmých vektorů: vazby rotorového toku *P a aktivní složky proudu statoru. Tato definice točivého momentu je typická například pro nezávislé buzení stejnosměrných motorů, nejvhodnější pro konstrukci automatického řídicího systému.

Vektorový řídicí systém. Strukturální diagram takového řízení je založen na následujících principech:

• ? dvoukanálový řídicí systém sestává z kanálu pro stabilizaci vazby rotorového toku a kanálu pro regulaci rychlosti (točivého momentu);
• ? oba kanály musí být nezávislé, tzn. změna regulovaných hodnot jednoho kanálu by neměla ovlivnit druhý;
• ? kanál řízení rychlosti (momentu) řídí složku statorového proudu /v. Provozní algoritmus smyčky řízení točivého momentu je stejný jako v systémech řízení otáček slave stejnosměrných motorů (viz § 5.6) - výstupní signál regulátoru otáček je odkazem na krouticí moment motoru. Vydělením hodnoty této úlohy modulem propojení rotorového toku A dostaneme úlohu pro složku statorového proudu i v (obr. 6.32);
• ? každý kanál obsahuje vnitřní obvod proudů /v a já a se současnými regulátory, které zajišťují požadovanou kvalitu regulace;
• ? získané aktuální hodnoty i v a já a pomocí transformací souřadnic jsou převedeny na hodnoty já a a / p dvoufázového pevného souřadnicového systému a - (3 a pak v úloze reálných proudů ve vinutí statoru v třífázovém souřadnicovém systému a-b-c;
• ? Signály rychlosti, úhlu natočení rotoru a proudů ve vinutí statoru potřebné pro výpočty a tvorbu zpětné vazby jsou měřeny příslušnými senzory a následně pomocí inverzních transformací souřadnic převedeny na hodnoty těchto veličin odpovídající souřadnicovým osám. u-v.

Rýže.

Takový řídicí systém poskytuje rychlou kontrolu točivého momentu, a tedy i otáček, v co nejširším rozsahu (přes 10 000:1). V tomto případě mohou okamžité hodnoty momentu asynchronního motoru výrazně překročit jmenovitou hodnotu kritického momentu.

Aby byly řídicí kanály na sobě nezávislé, je nutné zavést na vstup každého kanálu křížové kompenzační signály e K0MPU a e compm (viz obr. 6.32). Hodnotu těchto signálů zjistíme z rovnic statorového obvodu (6.54). Po vyjádření a CHK 1y prostřednictvím odpovídajících proudů a indukčností (1.4) a s přihlédnutím k tomu, že když je osa orientována A podél vektoru vazby rotorového toku Х / |у =0 získáme:

Odkud to najdeme?

Kde disipační koeficient.

Nahrazení (6.55) za (6.54) a zohlednění toho v uvažovaném řídicím systému dxV2u/dt= 0, dostáváme

nebo

nové časové konstanty; e a e v - EMF rotace podél os u- v

K nastavení nezávislých veličin já a a /v je třeba kompenzovat e a A e v zavedení kompenzačních napětí:

Pro implementaci principů vektorového řízení je nutné přímo změřit nebo vypočítat pomocí matematického modelu (odhadnout) modul a úhlovou polohu vektoru vazby rotorového toku. Funkční schéma vektorové řízení asynchronního motoru s přímým měřením průtoku ve vzduchové mezeře stroje pomocí Hallových snímačů je na Obr. 6.33.

Rýže. B.ZZ. Funkční schéma přímého vektorového řízení asynchronního motoru

Obvod obsahuje dva řídicí kanály: řídicí (stabilizační) kanál pro vazbu rotorového toku *P 2 a kanál regulace rychlosti. První kanál obsahuje smyčku externího propojení rotorového toku obsahující PI regulátor toku RP a zpětnou vazbu toku, jejichž signál je generován pomocí Hallových senzorů, které měří průtok v mezeře stroje. X? T podél os ai(3. Skutečné hodnoty toku jsou pak v bloku PP přepočteny na hodnoty vazby rotorového toku podél os a a p a pomocí vektorového filtru VF modul vazby rotorového toku vektor, který je přiváděn jako negativní zpětnovazební signál do regulátoru toku RP a je použit jako dělič v kanálu řízení rychlosti.

V prvním kanálu je vnitřní proudový obvod podřízen obvodu propojovacího toku já a, obsahující PI regulátor proudu PT1 a zpětnou vazbu o skutečné hodnotě proudu / 1i, vypočtené ze skutečných hodnot fázových proudů statoru pomocí fázového převodníku PF2 a převodníku souřadnic KP1. Výstupem regulátoru proudu PT1 je nastavení napětí Ulu, ke kterému je přidán kompenzační signál druhého kanálu e kshpi(6,57). Přijatý signál nastavení napětí je převeden pomocí souřadnicových převodníků KP2 a fázových PF2 na specifikované hodnoty a napěťové fáze na výstupu frekvenčního měniče.

Řídicí kanál propojení rotorového toku zajišťuje, že propojení toku Ch* 2 zůstává konstantní ve všech provozních režimech pohonu na úrovni zadané hodnoty x P 2set. Pokud je nutné pole zeslabit, H*^ se může v určitých mezích měnit s malou rychlostí změny.

Druhý kanál je určen k regulaci otáček (točivého momentu) motoru. Obsahuje externí rychlostní smyčku a podřízenou vnitřní proudovou smyčku / 1у. Příkaz rychlosti přichází z generátoru intenzity, který určuje zrychlení a požadovanou hodnotu rychlosti. Zpětná vazba otáček je realizována prostřednictvím snímače rychlosti DS nebo snímače úhlu rotoru.

PC regulátor otáček je použit jako proporcionální nebo proporcionálně-integrální v závislosti na požadavcích na elektrický pohon. Výstupem regulátoru otáček je příkaz pro točivý moment vyvíjený motorem L/R. Protože točivý moment je roven součinu proudu vazbou rotorového toku H / 2, pak vydělením hodnoty nastavení točivého momentu v bloku dělení DB M zpět na Ch / 2 získáme hodnotu nastavení proudu, která je přivedena na vstup regulátoru proudu PT2. Další zpracování signálu je podobné jako u prvního kanálu. V důsledku toho získáme úlohu pro napájecí napětí motoru po fázi, která určuje hodnotu a prostorovou polohu v každém časovém okamžiku zobecněného vektoru napětí statoru!? Všimněte si, že signály týkající se proměnných v souřadnicích - jsou signály stejnosměrného proudu a signály odrážející proudy a napětí ve vzdušných souřadnicích jsou signály střídavého proudu, které určují nejen modul, ale také frekvenci a fázi odpovídajícího napětí a proudu.

Uvažovaný systém vektorového řízení je v současné době realizován v digitální podobě na bázi mikroprocesorů. Byla vyvinuta a široce používána různá schémata strukturálního řízení vektorů, která se v detailech liší od toho, o kterém se uvažuje. V současné době se tedy skutečné hodnoty tokových vazeb neměří snímači magnetického toku, ale vypočítávají se pomocí matematického modelu motoru na základě naměřených fázových proudů a napětí.

Obecně lze vektorové řízení hodnotit jako nejúčinnější způsob řízení střídavých motorů, poskytující vysokou přesnost a rychlost řízení.

Nejznámějším způsobem úspory energie je snížení otáček střídavého motoru. Protože výkon je úměrný třetí mocnině rychlosti hřídele, může malé snížení rychlosti vést k významným úsporám energie. Každý chápe, jak důležité je to pro výrobu. Ale jak toho dosáhnout? Na tuto a další otázky odpovíme, ale nejprve si promluvme o typech řízení asynchronních motorů.

AC elektrický pohon je elektromechanický systém, který slouží jako základ pro většinu technologických procesů. Důležitou roli v něm má frekvenční měnič (FC), který hraje hlavní „hru na hlavní housle duetu“ – asynchronní motor (IM).

Trochu elementární fyziky

Ze školy máme jasnou představu, že napětí je rozdíl potenciálů mezi dvěma body a frekvence je hodnota rovnající se počtu period, kterými proud stihne projít doslova za vteřinu.

V technologický postupČasto musíte změnit provozní parametry sítě. Pro tento účel existují frekvenční měniče: skalární a vektorové. Proč se jim tak říká? Začněme tím, že zvláštní vlastnosti každého typu jsou zřejmé z jejich názvu. Připomeňme si základy elementární fyziky a dovolme si pro jednoduchost nazvat IF kratší. „Vectornik“ má určitý směr a dodržuje pravidla vektorů. „Scalarnik“ nic z toho nemá, takže algoritmus pro jeho ovládání je přirozeně velmi jednoduchý. Zdá se, že o jménech je rozhodnuto. Nyní si povíme, jak spolu souvisí různé fyzikální veličiny z matematických vzorců.

Pamatujete si, že jakmile otáčky klesnou, zvýší se točivý moment a naopak? To znamená, že čím větší rotace rotoru, tím větší tok projde statorem a následně se bude indukovat větší napětí.

Stejný princip spočívá v principu činnosti v systémech, o kterých uvažujeme, pouze ve „skalárním“ je řízeno magnetické pole statoru a ve „vektoru“ hraje roli interakce magnetických polí statoru a rotoru. V druhém případě technologie umožňuje zlepšit technické parametry provoz pohonného systému.

Technické rozdíly mezi převodníky

Existuje mnoho rozdílů, pojďme zdůraznit ty nejzákladnější a bez vědecké sítě slov. U skalárního (bezsenzorového) frekvenčního měniče je vztah U/F lineární a rozsah řízení rychlosti je poměrně malý. Mimochodem, to je důvod, proč na nízkých frekvencích není dostatečné napětí pro udržení točivého momentu a někdy je nutné přizpůsobit napěťově-frekvenční charakteristiku (VFC) provozním podmínkám, totéž se děje při maximální frekvenci nad 50 Hz .

Při otáčení hřídele v širokém otáčkovém a nízkofrekvenčním rozsahu i při splnění požadavků na automatickou regulaci momentu se využívá metoda vektorového řízení se zpětnou vazbou. To odhaluje další rozdíl: skalár obvykle nemá takovou zpětnou vazbu.

Jaké nouzové situace zvolit? Použití jednoho nebo druhého zařízení se řídí především rozsahem použití elektrického pohonu. Ve zvláštních případech se však výběr typu frekvenčního měniče stává bez možnosti volby. Za prvé: je zde jasný, znatelný rozdíl v ceně (skalární jsou mnohem levnější, nejsou potřeba drahá výpočetní jádra). Proto levnější výroba někdy převáží nad rozhodovacím procesem. Za druhé: existují oblasti použití, ve kterých je možné pouze jejich použití, například u dopravníkových linek, kde je několik elektromotorů synchronně řízeno z jednoho (VFD).

Skalární metoda

Asynchronní elektrický pohon se skalárním řízením rychlosti (tj. VFC) zůstává dnes nejběžnějším. Základem metody je, že otáčky motoru jsou funkcí výstupní frekvence.

Skalární ovládání motoru - optimální volba pro případy, kdy nedochází k proměnlivé zátěži, a také není potřeba dobrá dynamika. Skalár ke své činnosti nepotřebuje žádné senzory. Při použití této metody není potřeba drahý digitální procesor, jako je tomu u vektorového řízení.

Metoda se často používá pro automatické řízení ventilátorů, kompresorů a dalších agregátů Zde je požadováno, aby byla buď udržována rychlost otáčení hřídele motoru pomocí snímače, nebo jiného stanoveného indikátoru (například teplota kapaliny, řízená). pomocí vhodného sledovacího zařízení).

Při skalárním řízení je změna frekvence a amplitudy napájecího napětí určena vzorcem U/fn = konst. To umožňuje konstantní magnetický tok v motoru. Metoda je poměrně jednoduchá, snadno implementovatelná, ale ne bez některých významných nevýhod:

• Kroutící moment a otáčky nelze současně řídit, proto se volí hodnota, která je z technologického hlediska nejvýznamnější;
• úzký rozsah regulace otáček a nízký točivý moment při nízkých otáčkách;
• špatný výkon s dynamicky se měnícím zatížením.

Co je vektorová metoda?

Vektorová metoda

Vznikl v procesu zlepšování a používá se tam, kde je potřeba realizovat maximální otáčky, regulaci v širokém rozsahu otáček a řiditelnost točivého momentu na hřídeli.

V nejnovější modely elektrických pohonů je do řídicího systému (CS) tohoto typu zaveden matematický model motoru, který je schopen vypočítat točivý moment motoru a otáčky hřídele. V tomto případě je nutná pouze instalace snímačů fázového proudu statoru.

Dnes mají dostatečný počet výhod:

• vysoká přesnost;
• bez trhání, plynulé otáčení krevního tlaku;
• široký rozsah regulace;
• rychlá reakce na změny zatížení;
• zajištění provozního režimu motoru, ve kterém jsou sníženy ztráty v důsledku zahřívání a magnetizace, což vede k oblíbenému zvýšení účinnosti!

Výhody jsou samozřejmě zřejmé, ale metoda vektorového řízení není bez nevýhod, jako je výpočetní náročnost a nutnost znát technické ukazatele motoru. Navíc jsou pozorovány větší amplitudy kolísání rychlosti než u „skaláru“ při konstantním zatížení. Hlavním úkolem při výrobě frekvenčního měniče („vektor“) je poskytovat vysoký točivý moment při nízkých otáčkách.

Schéma vektorového řídicího systému s jednotkou pulzně šířkové modulace (PWM) vypadá asi takto:

V zobrazeném schématu je ovládaným objektem asynchronní motor připojený k senzoru (DS) na hřídeli. Vyobrazené bloky jsou ve skutečnosti články v řetězci řídicího systému implementovaného na ovladači. Blok BZP nastavuje hodnoty proměnných. Logické bloky (BRP) a (BVP) regulují a vypočítávají proměnné rovnice. Vlastní regulátor a další mechanické části systému jsou umístěny v rozvaděči.

Možnost s frekvenčním mikrokontrolérem

Frekvenční měnič proud/napětí je určeno pro plynulou regulaci základních veličin, ale i dalších ukazatelů provozu zařízení. Funguje jako „skalár“ a „vektor“ zároveň s využitím matematických modelů naprogramovaných ve vestavěném mikrokontroléru. Ten je namontován ve speciálním panelu a je jedním z uzlů informační sítě automatizačního systému.

Blokový regulátor/frekvenční měnič je nejnovější technologií v obvodu s nimi jsou použity tlumivky, které snižují intenzitu vstupního šumu. Nutno podotknout, že v zahraničí je této problematice věnována zvláštní pozornost V tuzemské praxi stále zůstává používání EMC filtrů slabý článek, protože neexistuje ani rozumné regulační rámec. Samotné filtry používáme častěji tam, kde nejsou potřeba, a kde jsou opravdu potřeba, z nějakého důvodu se na ně zapomíná.

Závěr

Faktem je, že elektromotor v běžném provozu ze sítě mívá standardní parametry, to není vždy přijatelné. Tato skutečnost je eliminována zavedením různých převodových mechanismů pro snížení frekvence na požadovanou. Dnes byly vytvořeny dva řídicí systémy: bezsenzorový systém a senzorový systém se zpětnou vazbou. Jejich hlavním rozdílem je přesnost ovládání. Nejpřesnější je samozřejmě ta druhá.

Stávající rámec je rozšířen pomocí různých moderních řídicích systémů IM, které poskytují zlepšenou kvalitu regulace a vysokou přetížitelnost. Pro hospodárnou výrobu, dlouhou životnost zařízení a ekonomická spotřeba energie, tyto faktory mají velký význam.