Toyota-navi.ru

АвтоКлуб Toyota
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое векторное и скалярное управление асинхронным двигателем

Векторное управление

Векторное управление является методом управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз (скалярное управление), но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора. Первые реализации принципа векторного управления и алгоритмы повышенной точности нуждаются в применении датчиков положения (скорости) ротора.

В общем случае под «векторным управлением» понимается взаимодействие управляющего устройства с так называемым «пространственным вектором», который вращается с частотой поля двигателя.

Немного элементарной физики

Со школьной скамьи мы имеем ясное представление о том, что напряжение – это разность потенциалов между двумя точками, а частота – это величина, равная количеству периодов, которые ток успевает пройти буквально за секунду.

В рамках технологического процесса часто приходится изменять рабочие параметры сети. Для этой цели существуют преобразователи частоты: скалярный и векторный. Почему их так называют? Начнём с того, что особенные черты каждого типа становятся понятными из их названия. Вспомним основы элементарной физики и позволим себе называть ПЧ для упрощения короче. «Векторник» имеет определённое направление и подчиняется правилам векторов. «Скалярник» ничего этого не имеет, поэтому алгоритм метода управления им, естественно, очень простой. С названиями, кажется, определились. Теперь о том, как различные физические величины из математических формул связаны между собой.

Помните, что как только скорость уменьшается, вращающий момент увеличивается и наоборот? Значит, чем больше вращение ротора, тем больший поток пойдет через статор, и, следовательно,будет наводиться большее напряжение.

Тоже самое лежит в принципе действия в рассматриваемых нами системах, только в«скалярнике» управляется магнитное поле статора, а в «векторнике»играет роль взаимодействие магнитных полей статора и ротора.В последнем случае технология позволяет улучшать технические параметры работы двигательной установки.

Заключение

Выбор метода управления осуществляется на основании технических требований и экономических расчетов. Недорогие скалярные частотные преобразователи применяются в двигателях оборудования с постоянной нагрузкой, невысокими требованиями к перегрузочной способности, при отсутствии необходимости одновременной регулировки скорости и момента, а также точного регулирования скорости при оборотах ниже номинального значения.

Векторные преобразователи используют в приводах оборудования с высокодинамичной нагрузкой, при необходимости точного позиционирования, пуска с высоким моментом и в других сложных условиях.

Формы и схема векторного управления

Все существующие на сегодня системы векторного управления работой двигателей можно разделить на две группы:

  1. Датчиковые. Блок управления работой двигателя имеет с ним обратную связь по скорости, с помощью расположения на валу соответствующих датчиков,
  2. Бездатчиковые. Это системы, которые работают без датчиков скорости на основном валу.

Датчиковые системы являются более сложными, так как точность контроля составляет 1:10000. Бездатчиковые системы работают на уровне не более 1:100. Все частотники с учетом уровня создаваемых помех устанавливаются в центральных или отдельных шкафах.

Если представить все выше сказанное как наглядную схему, то получится нечто следующее:

Здесь можно видеть такие ключевые компоненты системы управления, как:

  • АД — собственно, асинхронный двигатель (объект контроля),
  • БРП — логический блок регуляторов для переменных уравнения,
  • БВП — логический блок, отвечающий за вычисления по переменным,
  • БЗП — блок, задающий значения переменных,
  • ДС — датчик скорости на валу двигателя,
  • АИН ШИМ — блок амплитудно-импульсной/широтно-импульсной модуляции.

То, что на схеме отображено в виде блоков, на практике является всего лишь параметрическими элементами цепи управления, которая реализуется на микроконтроллере. Соответственно, сам контроллер и сопутствующие исполнительные механизмы монтируются в электрический шкаф. Для правильного монтажа разрабатывается технологическая карта.

Читать еще:  Газель 3302 технические характеристики 406 двигатель инжектор

Скалярное управление электродвигателями переменного тока – хорошая альтернатива для приложений, где нет переменной нагрузки и не требуется хорошая динамика (вентиляторы, насосы). Для работы скалярного управления не требуется датчик положения ротора, а скорость ротора может быть оценена по частоте питающего напряжения. Когда используется скалярное управление, не требуется высокопроизводительный цифровой сигнальный процессор как в случае с векторным управлением.

У линейной и квадратичной вольт-частотной зависимости, при её простоте и широком распространении, есть большой минус – падение мощности на валу, а значит падение момента и частоты вращения двигателя. При этом происходит так называемое скольжение, когда частота вращения ротора отстает от частоты вращения электромагнитного поля.

Для устранения этого эффекта используется компенсация скольжения, позволяющая скорректировать выходную частоту (обороты двигателя) при возрастании момента нагрузки. Если правильно выбрать значение компенсации, фактическая скорость вращения при большой нагрузке будет приближаться к скорости вращения на холостом ходу.

Кроме этого, в большинстве ПЧ с линейной вольт-частотной характеристикой имеется функция компенсации момента на низких скоростях. Данная функция реализуется за счет повышения напряжения на низких частотах и при неправильном применении может вызвать перегрев двигателя.

Оба параметра компенсации имеют неизменное (установленное при настройке) значение и от нагрузки не зависят.

Преимущества частотного регулирования

С помощью метода частного регулирования получают:

  • оптимально удобное изменение частоты вращения электрического двигателя в процессах и технологиях, которые никогда ранее не регулировались;
  • управление скоростью работы электрическими машинами в синхронном режиме, от одной частотной установки;
  • использование частотных регуляторов позволяет перейти с машин постоянного тока на асинхронные двигатели, это дает возможность понизить эксплуатационные расходы;
  • частотный преобразователь позволяет придерживаться строго заданных технологических параметров;
  • благодаря устройству можно избавиться от механических узлов регулирования частоты вращения, вариаторов или ременных передач;
  • с их помощью улучшается степень износоустойчивости оборудования и увеличивается его срок эксплуатации;
  • точность регулирования скоростных режимов работы очень высокая, важно для устройств и механизмов, отличающихся постоянным моментом нагрузки;
  • использования частотного регулирования повышает эффективность электрооборудования и обеспечивает энергосбережение;

Весь принцип работы частотного регулирования построен на использовании синхронных и асинхронных машин и преобразующего частоту устройства. Статическое электронное устройство, каким является электронный преобразователь частоты, управляет процессом работы двигателя, формируя на выходе напряжение, обладающее переменной частотой и амплитудой. Преобразователь меняет частоту питающего напряжения, скорость двигателя соответственно изменяется.

Работа преобразователя осуществляется за счет использования полупроводниковых приборов – силовых тиристоров и транзисторов IGBT (биполярные устройства с изолированным затвором).

Рис.№2. Внешний вид преобразователей частоты в диапазоне мощностей от 0,75кВ.

Способы управления

Частота вращения ротора короткозамкнутых двигателей находится в прямой зависимости от частоты питающего оборудование сетевого напряжения. Это главное от чего зависит метод частотной регулировки. Изменяя величину частоты, на входе двигателя, изменяется скорость вращения его вала.

Управление скоростью может быть скалярным или векторным.

Векторное управление

Векторное управление включает метод управления потокосцепления (бессенсорный способ) и метод регулирования фазы статорного тока и фазы магнитного поля в зависимости от вращения ротора. Осуществляется с помощью датчиков позиционирования (обратной связи скорости) или за счет интегральных схем ASIC. Преобразователь на их основе создает образ двигателя, за счет математического моделирования, задает тепловые характеристики двигателя при разных режимах работы. Диапазон управления при векторном способе существенно увеличивается, параметры точности и быстродействия повышаются. Векторное управление считается методом широтно-импульсной модуляции.

Читать еще:  В движении падает температура двигателя на газели

Рис. №3. График выходного напряжения инвертора с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией).

С помощью векторного регулирования осуществляется точность регулирования по скорости до сотых долей процента, а точность в зависимости от момента в единицы процентов.

Скалярное управление

При скалярном регулировании изменяется амплитуда и частота напряжения питания оборудования. Когда изменяется частота напряжения и происходит отклонение диаграммы величин моментов пуска и максимального, двигателя, изменение КПД и коэффициента мощности, для соответствия рабочим характеристикам оборудования, необходимо изменять и амплитуду напряжения. Амплитудное управление состоит из трех основных частей: выпрямитель управления, фильтр и инвертор независимого типа в виде реверсивного переключателя, он обладает автономной установкой и служит устройством, формирующим разнополярные импульсы.

Рис. .№4. График переходных процессов в скалярной системе регулирования.

В настоящее время работают преобразователи частоты со скалярным управлением, в которых сохраняется неизменным отношение максимального момента электрического двигателя к моменту сопротивления на ее валу. Этот показатель свидетельствует о перегрузочной способности двигателя, определяет характер нагрузки всей машины.

Для увеличения пускового момента при уменьшении максимального момента двигателя увеличивают значение напряжения.

Одно из главных преимуществ скалярного метода может считаться способность управлять несколькими агрегатами.

Что такое преобразователь частоты

Устройство, которое служит для изменения значения токов и нагрузки и напряжения в соответствии одной частоты в другое значение этих величин другого частотного значения. Диапазон регулирования включает самые широкие границы величины частоты.

Преобразователь частоты включает в свою конструкцию два основных блока, являющиеся управляющей и силовой частью.

Тиристоры и транзисторы, представляющие собой электронный ключ, составляют силовую часть. Цифровые микропроцессоры относятся к управляющей части, управляют силовой частью и служат для организации контроля, диагностики и защитных функций.

Существует два типа преобразователей, их конструктивные особенности зависят от структуры построения работы силовой части.

  1. Преобразователи частоты, в которых главным считается явно выраженное звено постоянного тока.
  2. Устройство с непосредственной связью без использования промежуточного звена.

Устройства с непосредственной связью работает на не запираемых тиристорах. Обмотки статора двигателя поочередно подключаются с помощью групп тиристоров. Система управления имеет существенный недостаток, который подразумевает наличие сложной системы управления. «Резанная» или «пилообразная» синусоида создает большие потери энергии в двигателе, происходит это за счет высших гармоник, являющихся следствием сильных помех в сети. Для повышения качества электрической энергии потребители вынуждены использовать компенсирующие устройства, которые отличает высокая стоимость.

Рис. № 5. Схема преобразователя с непосредственной связью.

К достоинствам преобразователей с непосредственной связью относятся:

  1. Высокий КПД.
  2. Обладание способностью работать с большими напряжениями и токами, разрешающими использовать их с высоковольтным оборудованием.
  3. Стоимость самого преобразователя отличается невысокой ценой, хотя сопутствующее оборудование стоит очень дорого.

Устройство с явно выраженным звеном постоянного тока отличают двойное преобразование энергии – это сглаживание синусоиды напряжения в фильтре и выпрямление в выпрямителе, после чего оно снова преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды напряжения.

Рис. № 6. Схема преобразователя с явно выраженным звеном постоянного тока.

Автономные инверторы формируют синусоидальное напряжение переменного тока. Основу устройства составляют запираемые транзисторы GTO моделей IGCT и другие, а также биполярные модели IGBT, обладающие запираемым затвором. Они работают с током и напряжением больших величин в течении длительного времени и под большой нагрузкой, способны выдержать значительные импульсные воздействия.

Читать еще:  В чем причина не крутит стартер дизельного двигателя

Рис №7 . Схема инверторного преобразователя, состоящего из: 1 – выпрямитель неуправляемого или управляемого типа; 2 – фильтра для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, вместе с выпрямителем он является звеном постоянного тока; 3 – импульсного инвертора; 4 – фильтр для сглаживания пульсаций на выходе из устройства.

Особенно велико участие инверторов в высоковольтном приводе мощностью до десятков мегаватт, где значение выходного напряжения составит 3 – 10кВ и выше.

Тип преобразователей на тиристорах IGBT имеет ряд существенных преимуществ – это:

  1. Полная управляемость.
  2. Неэнергоемкая и простая схема управления.
  3. Границы регулирования частоты самые высокие.
  4. Возможность работать на невысоких скоростях без использования датчика обратной связи.
  5. Комбинация устройства с микропроцессорами управления способствуют понижению уровня высших гармоник и предотвращает появление потерь в обмотках электродвигателя.
  6. Способствует снижению нагрева статора и уменьшает пульсацию момента, предотвращает явление называемое «шагание» ротора двигателя в районе малых частот.
  7. Понижает потери в магнитопроводе трансформатора в конденсаторах.
  8. Повышает долговечность оборудования и увеличивает длительность эксплуатации проводов на ВЛ.
  9. Уменьшает число ложных срабатываний защит и снижает погрешности измерительных индукционных приборов.
  10. Благодаря модульной структуре повышается надежность устройства, и уменьшаются его габаритные размеры.
  11. Обладают стойкостью к броскам тока и перенапряжениям.

Современные преобразователи частоты стоят немалые деньги, но их окупаемость, происходит за время менее 2 лет, используя преобразователь частоты существует реальная возможность добиться существенной экономии энергоресурсов и увеличить время эксплуатации всего оборудования.

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Варианты режимов работы векторного управления

Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели (далее — ММ) регулируемого электродвигателя. В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент.

Точность математической модели электродвигателя

В связи с вышесказанным представляется возможным произвести классификационное разделение режимов управления по точности ММ электродвигателя, используемой в звене управления:

  • использование ММ без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем)
  • использование ММ с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя (т.е. активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и токадвигателя)

Использование датчика скорости электродвигателя

В зависимости от наличия или отсутствия датчика обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:

  • управление двигателем без датчика скорости — при этом устройством управления используются данные ММ двигателя и значения, полученные при измерении токастатора и/или ротора
  • управление двигателем с датчиком скорости — при этом устройством используются не только значения, полученные при измерении токастатора и/или ротораэлектродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика , что в некоторых задачах управления позволяет повысить точности отработки электроприводом задания скорости (положения).
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector