Скаларно и векторно управление на асинхронни двигатели. Принципи на векторно управление на асинхронен двигател Какво е векторно управление

За да се получи висококачествен контрол на EA в статични и динамични (преходни) режими, е необходимо да има възможност за бързо директно управление на въртящия момент на двигателя.

Моментът на всеки двигател във всеки период от време се определя от величината (амплитудата) и фазата на два компонента, формиращи момента: ток и магнитен поток. При АМ токовете и връзките на потока на статора и ротора се въртят с една и съща скорост, имат различни, променящи се във времето фазови параметри и не подлежат на пряко измерване и контрол. Наличната контролирана променлива в AM е токът на статора, който има компоненти, които формират магнитния поток и въртящия момент. Фазовата ориентация на тези два компонента може да се извърши само от външно управляващо устройство, което е причината за термина „векторно управление“.

В структурата на електрическото задвижване двигателят се разглежда като електромеханичен преобразувател на ЕМП под формата на идеализиран двигател. Неговият ротор няма маса и механична енергия, няма загуби на механична енергия и е твърдо свързан с реалния физически ротор, който принадлежи към механичната част на ЕА. Такъв двигател може да бъде представен от електромеханичен многополюсник, съдържащ n двойки електрически клеми според броя на намотките n и една двойка механични клеми (виж Фигура 2). На механични проводници в резултат на електромеханично преобразуване (EMT) на енергия при скорост wсе развива електромагнитният момент М. Моментът М е изходната стойност на електромагнитното поле и входът за механичната част на електрическото задвижване. Скорост wсе определя от условията на движение на механичната част, но за EMF може да се разглежда като независима променлива. Механични променливи Ми wсвържете ЕМП с механичната част в една взаимосвързана система. Всички процеси в двигателя се описват със система от уравнения на електрическото равновесие (броят на уравненията е равен на броя на намотките) и уравнение за електромеханично преобразуване на енергията. За да направите това, в теорията на електрическата енергия се използва двуфазен модел на обобщена електрическа мощност (виж Фигура 1), към който се свеждат абсолютно всички видове и видове електрически машини:

Фигура 1 - Обобщен модел на ЕМП.

α, β - неподвижни оси на статора; д, р– въртящи се оси на ротора; φ е ъгълът на въртене на ротора; е ъгловата скорост на ротора;

Уравнение на електрическото равновесие аз- намотки:

Фигура 2 - Векторна схема за управление

Векторната схема за управление се състои от три основни функционални части:

БРП– блок от регулатори на променливи;

BVP– блок за изчисляване на променливи;

БЗП– блок за настройка на променливи;

На входа БРПзададени сигнали за скорост и поток и сигнали за обратна връзка (от изхода BVP) са ориентираните към полето стойности на компонентите на тока на статора, връзката на роторния поток и скоростта. БРПсъдържа набор от регулатори на поток, въртящ момент, ток, на изхода на които също се формират сигнали за настройка на компонентите на тока на статора, ориентирани по полето.

БЗПизвършва фазови и координатни трансформации на д – рпроменливи в система от трифазни управляващи сигнали ШИМ AI. Блокирайте BVPизчислява текущите стойности на параметрите на амплитудата и фазата д – рИМ променливи, извършващи фазови и координатни трансформации на реални трифазни сигнали на токове и напрежения на ИМ, постъпващи от изходите на съответните сензори.

Координатни трансформации, извършвани от блока BVP, се състоят в прехода от реалните координати на трифазната система на статора на ИМ с оси д,р(трансформация 3 → 2). Блокирайте БЗПизвършва обратни координатни трансформации (2 → 3), от д— рда се а, b, ° С.

Фазовите трансформации в тези блокове осигуряват обвързване на фазовите параметри на променливите в две координатни системи.

Надеждността, цената и качеството на характеристиките на EA се влияят от броя на измерените параметри и точността на измерване. За векторен контрол на кръвното налягане е необходимо да се измерят поне две от четирите налични за измерване променливи:

1. Статорни токове HELL;
2. Напрежение на клещите AD;
3. Ъглова скорост на ротора на ИМ;
4. Ъглово положение на ротора на ИМ;

Векторното управление ви позволява да получите максималния cos φ BP почти по всяко време, при всяка позиция на ротора спрямо статора, при всякаква ъглова скорост и натоварване на машината. Това от своя страна значително повишава ефективността и момента e. машина, която в този случай е практически независима от ъгловата скорост на двигателя.

Дмитрий Левкин

Скаларен контрол(честота) - метод за управление на безчетков променлив ток, който се състои в поддържане на постоянно съотношение напрежение / честота (V / Hz) в целия диапазон на работната скорост, докато се контролират само големината и честотата на захранващото напрежение.

Съотношението V/Hz се изчислява въз основа на номиналните стойности (и честота) на управлявания променливотоков двигател. Като поддържаме съотношението V/Hz постоянно, можем да поддържаме магнитния поток в междината на двигателя относително постоянен. Ако съотношението V/Hz се увеличи, тогава двигателят се превъзбужда и обратното, ако съотношението намалява, двигателят е в състояние на недостатъчно възбуждане.

Промяна на захранващото напрежение на електродвигателя със скаларно управление

При ниски скорости е необходимо да се компенсира падането на напрежението върху съпротивлението на статора, така че съотношението V/Hz при ниски скорости се задава по-високо от номиналната стойност. Скаларният метод на управление се използва най-широко за управление на асинхронни двигатели.

Прилага се за асинхронни двигатели

При метода на скаларно управление скоростта се контролира чрез настройка на напрежението и честотата на статора, така че магнитното поле в междината да се поддържа на желаната стойност. За да се поддържа постоянно магнитно поле през междината, съотношението V/Hz трябва да бъде постоянно при различни скорости.

С увеличаване на скоростта захранващото напрежение на статора също трябва да се увеличи пропорционално. Синхронната честота на асинхронния двигател обаче не е равна на скоростта на вала, а зависи от товара. По този начин една скаларна система за управление с отворен цикъл не може да контролира точно скоростта, когато има натоварване. За да се реши този проблем, към системата може да се добави обратна връзка за скоростта и следователно компенсация на приплъзване.

Недостатъци на скаларното управление

Метод скаларно управлениесравнително лесен за изпълнение, но има няколко съществени недостатъка:
• първо, ако не е инсталиран сензор за скорост, е невъзможно да се контролира скоростта на въртене на вала, тъй като зависи от товара (наличието на сензор за скорост решава този проблем), а в случай на промяна на натоварването можете напълно губят контрол;
• Второ, не можете да управлявате. Разбира се, този проблем може да бъде решен с помощта на сензор за въртящ момент, но цената на инсталирането му е много висока и най-вероятно ще бъде по-висока от самото електрическо задвижване. В този случай управлението на въртящия момент ще бъде много инерционно;
• също така е невъзможно да се контролират въртящият момент и скоростта едновременно.

Скаларното управление е достатъчно за повечето приложения, където се използва електрическо задвижване с диапазон на управление на скоростта на двигателя до 1:10.

Когато се изисква максимална скорост, се използва възможността за управление на широк диапазон от скорости и възможността за управление на въртящия момент на електродвигателя.

За да се регулира ъгловата скорост на въртене на ротора, както и въртящият момент на вала на съвременните безчеткови двигатели, се използва векторно или скаларно управление на електрическото задвижване.

Най-разпространеното е скаларното управление на асинхронен двигател, когато например за управление на скоростта на въртене на вентилатор или помпа е достатъчно да се поддържа постоянна скорост на ротора, за това сигнал за обратна връзка от сензор за налягане или от сензор за скорост е достатъчен.

Принципът на скаларното управление е прост: амплитудата на захранващото напрежение е функция на честотата, а съотношението на напрежението към честотата е приблизително постоянно.

Специфичната форма на тази зависимост е свързана с натоварването на вала, но принципът остава същият: увеличаваме честотата, докато напрежението се увеличава пропорционално в зависимост от характеристиките на натоварване на този двигател.

В резултат на това магнитният поток в пролуката между ротора и статора се поддържа почти постоянен. Ако съотношението на напрежението към честотата е отклонено от номиналното за даден двигател, тогава двигателят ще бъде или превъзбуден, или недовъзбуден, което ще доведе до загуби в двигателя и до откази в работния процес.

По този начин скаларното управление позволява да се постигне почти постоянен въртящ момент на вала в работния честотен диапазон, независимо от честотата, но при ниски скорости въртящият момент все още намалява (за да се предотврати това, е необходимо да се увеличи напрежението към съотношението на честотата), така че за всеки двигател има строго определен работен скаларен диапазон на управление.

Освен това е невъзможно да се изгради система за скаларно управление на скоростта без сензор за скорост, монтиран на вала, тъй като натоварването значително влияе върху изоставането на действителната скорост на ротора от честотата на захранващото напрежение. Но дори и със сензор за скорост със скаларно управление, няма да е възможно да се контролира въртящият момент с висока точност (поне така, че да е икономически осъществимо).

Това е недостатъкът на скаларното управление, което обяснява относително ограничените области на неговото приложение, които са ограничени главно до конвенционалните асинхронни двигатели, където зависимостта на приплъзването от товара не е критична.

За да се отърват от тези недостатъци, през 1971 г. инженерите на Siemens предложиха използването на векторно управление на двигателя, при което управлението се извършва с обратна връзка за величината на магнитния поток. Първите системи за векторно управление съдържаха сензори за поток в двигателите.

Днес подходът към този метод е малко по-различен: математическият модел на двигателя ви позволява да изчислите скоростта на ротора и въртящия момент на вала в зависимост от текущите фазови токове (от честотата и големината на токовете в намотките на статора).

Този по-прогресивен подход дава възможност за независимо и почти безинерционно регулиране както на въртящия момент на вала, така и на скоростта на въртене на вала под товар, тъй като фазите на токовете също се вземат предвид в процеса на управление.

Някои по-точни системи за векторно управление са оборудвани с вериги за обратна връзка по скоростта, а системите за управление без сензори за скорост се наричат ​​безсензорни.

Така че, в зависимост от областта на приложение на конкретно електрическо задвижване, неговата векторна система за управление ще има свои собствени характеристики, собствена степен на точност на настройка.

Когато изискванията за точност на регулиране на скоростта позволяват отклонение до 1,5%, а диапазонът на регулиране не надвишава 1 на 100, тогава безсензорна система е напълно подходяща. Ако се изисква точност на регулиране на скоростта с отклонение не повече от 0,2% и диапазонът е намален до 1 до 10 000, тогава е необходима обратна връзка от сензора за скорост на вала. Наличието на сензор за скорост в системите за векторно управление ви позволява точно да контролирате въртящия момент дори при ниски честоти до 1 Hz.

И така, векторният контрол предоставя следните предимства. Висока точност на управление на скоростта на ротора (и без сензор за скорост върху него) дори при условия на динамично променящо се натоварване на вала, докато няма да има дръпвания. Плавно и равномерно въртене на вала при ниски скорости. Висока ефективност поради ниски загуби при условия на оптимални характеристики на захранващото напрежение.

Векторният контрол не е без недостатъци. Сложността на изчислителните операции. Необходимостта от задаване на първоначалните данни (променливи параметри на задвижването).

Векторното управление е фундаментално неподходящо за групово електрическо задвижване, скаларното управление е по-подходящо тук.

За да се реализира способността за управление на въртящия момент и скоростта в съвременните електрически задвижвания, се използват следните методи за управление на честотата, като например:

• вектор;
• Скалар.

Най-разпространени са асинхронните електрозадвижвания със скаларно управление. Използва се в задвижвания на компресори, вентилатори, помпи и други механизми, при които е необходимо да се поддържа на определено ниво или скоростта на въртене на вала на двигателя (използва се сензор за скорост), или някакъв технологичен параметър (напр. налягане в тръбопровода, използвайки подходящ сензор).

Принципът на действие на скаларното управление на асинхронен двигател - амплитудата и честотата на захранващото напрежение се изменят по закона U/f^n = const, където n>=1. Как ще изглежда тази зависимост в конкретен случай зависи от изискванията, наложени от натоварването на електрическото задвижване. По правило честотата действа като независимо влияние, а напрежението при определена честота се определя от вида на механичната характеристика, както и от стойностите на критичните и началните моменти. Скаларното управление гарантира, че асинхронният двигател има постоянен капацитет на претоварване, независимо от честотата на напрежението, и въпреки това при сравнително ниски честоти може да настъпи значително намаляване на въртящия момент на двигателя. Максималната стойност на обхвата на скаларно регулиране, при която е възможно да се регулира стойността на скоростта на въртене на ротора на електродвигателя, без загуба на съпротивителен момент, не надвишава 1:10.

Скаларното управление на асинхронен двигател е доста лесно за изпълнение, но все още има два съществени недостатъка. Първо, ако на вала не е монтиран сензор за скорост, тогава е невъзможно да се контролира стойността на скоростта на въртене на вала, тъй като зависи от натоварването, действащо върху електрическото задвижване. Инсталирането на сензор за скорост лесно решава този проблем, но остава друг съществен недостатък - невъзможността да се контролира стойността на въртящия момент на вала на двигателя. Разбира се, можете да инсталирате сензор за въртящ момент, но цената на такива сензори, като правило, надвишава цената на самото електрическо задвижване. Освен това, дори ако инсталирате сензор за контрол на въртящия момент, процесът на управление на този момент ще се окаже невероятно инерционен. Друго "но" - скаларно управление на асинхронен двигател се характеризира с факта, че е невъзможно едновременно да се контролира скоростта и въртящия момент, следователно е необходимо да се регулира стойността, която е най-важна в даден момент поради условията на технологичния процес.

За да се премахнат недостатъците, които има скаларното управление на двигателя, още през 71-ва година на миналия век SIEMENS предложи въвеждането на векторен метод за управление на двигателя. Първите електрически задвижвания с векторно управление използват двигатели с вградени сензори за поток, което значително ограничава обхвата на такива задвижвания.

Системата за управление на съвременните електрически задвижвания съдържа математически модел на двигателя, който ви позволява да изчислите скоростта на въртене и въртящия момент на вала. Освен това като необходими сензори са инсталирани само токови сензори на фазите на статора на двигателя. Специално проектираната структура на системата за управление осигурява независимост и почти безинерционно регулиране на основните параметри - момент на вала и скорост на въртене на вала.

Към днешна дата са формирани следните векторни системи за управление на асинхронен двигател:

• Без сензор - няма сензор за скорост на вала на двигателя,
• Системи с обратна връзка по скорост.

Прилагането на методите за векторно управление зависи от приложението на електрическото задвижване. Ако обхватът на измерване на стойността на скоростта не надвишава 1:100 и изискванията за точност се колебаят в рамките на ± 1,5%, тогава се използва система за управление без сензор. Ако измерването на скоростта се извършва в рамките на стойности, достигащи 1: 10000 или повече, и нивото на точност трябва да бъде доста високо (±0,2% при скорост под 1 Hz), или е необходимо да позиционирате вала или да контролирате въртящ момент на вала при ниски скорости, тогава се прилага система с обратна връзка по скоростта.

Предимства на векторния метод за управление на асинхронен двигател:

• Високо ниво на точност при управление на скоростта на въртене на вала, въпреки възможното отсъствие на сензор за скорост,
• Изпълнението на въртенето на двигателя при ниски честоти става без шутове, плавно,
• Ако е монтиран сензор за скорост, е възможно да се постигне номиналната стойност на въртящия момент на вала дори при нулева скорост,
• Бърза реакция при възможна промяна на натоварването - внезапните скокове на натоварване практически не влияят на скоростта на електрическото задвижване,
• Високо ниво на ефективност на двигателя поради намалени загуби поради намагнитване и нагряване.

Въпреки очевидните предимства, векторният метод за управление има и някои недостатъци - голямата сложност на изчисленията, за работа е необходимо познаване на параметрите на двигателя. Освен всичко друго, колебанията в стойността на скоростта при постоянно натоварване са много по-големи, отколкото при скаларния метод на управление. Между другото, има такива области, където електрическите задвижвания се използват изключително със скаларен метод на управление. Например групово електрическо задвижване, при което един преобразувател захранва няколко двигателя.

У дома » Полезен » Скаларно и векторно управление на асинхронни двигатели. Принципи на векторно управление на асинхронен двигател Какво е векторно управление