Векторное и скалярное управление преобразователем частоты
Значительная доля всей генерируемой в мире электроэнергии потребляется двигателями переменного тока. Управление частотой питающего напряжения и тока позволяет снизить энергопотребление на 40-70%, а также повысить КПД и увеличить производительность оборудования.
Правильно подобрать способ управления – одна из главных задач проектировщика, правильное ее решение обеспечивает максимальный технико-экономический эффект. Рассмотрим достоинства и недостатки скалярного управления.
Способы управления
Наибольшее распространение в электроприводах двигателей до 1 кВ получили преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Регулирование частоты напряжения в таких устройствах достигается изменением циклов отпирания/запирания транзиторных ключей путем изменения длительности управляющих импульсов широтно-импульсного модулятора ШИМ.
Различают 2 способа управления:
Первый метод заключается в поддержании отношения величины, частоты и фазы напряжения питания двигателя. Такой способ позволяет регулировать скорость вращения вала в широком диапазоне, управлять моментом, обеспечивать жесткость механических характеристик во всем интервале частот, осуществлять пуск со значительной нагрузкой.
Однако, такой метод имеет свои недостатки. Главный из них – значительная вычислительная сложность. Векторные преобразователи частоты комплектуются высокопроизводительными контроллерами, что ведет к значительному удорожанию ПЧ. Такое оборудование используется в приводах механизмов с динамической нагрузкой, грузоподъемных устройств, точных механизмов и т.д.
Принцип скалярного или вольт-частотного управления заключается в поддержании постоянного числа U/f (скалярной величины и частоты напряжения питания) при любой угловой частоте вращения вала. При этом контролируется только величина и фаза напряжения на выходе частотного преобразователя. Рассмотрим принцип и виды скалярного регулирования подробнее.
Виды скалярного управления
Поддержание постоянной величины U/f обеспечивает относительно постоянный магнитный поток в зазоре двигателя. Если отношение напряжение/частота растет, электродвигатель переходит в перевозбужденное состояние, если снижается – электрическая машина приходит в невозбужденном состоянии.
Отношение U/f вычисляется из номинальных величин напряжения и частоты двигателя, фаза при этом не учитывается, таким образом, вычислительная сложность для устройства управления ШИМ не велика. Скалярные ПЧ комплектуют простыми контроллерами.
Различают 2 метода скалярного управляния:
- Без обратной связи.
- С обратной связью по скорости вала.
Вольт-частотный способ без обратной связи широко применяется в схемах управления асинхронными электродвигателями, в приводе оборудования, работающего с постоянной нагрузкой.
Благодаря простой конструкции без датчиков обратной связи, невысоких требований к вычислительной способности управляющего блока, относительной низкой стоимости, такие ПЧ массово используються в несложных электроприводах. Скалярный метод позволяет реализовать групповое управление однотипными электродвигателями с одновременным пуском и остановкой.
Вольт-частотный способ управления с энкодером (датчиком оборотов или скорости) позволяет существенно расширить возможности метода. При этом величина U/f поддерживается при различных скоростях.
При возрастании угловой частоты вращения вала, напряжение на обмотках статора двигателя также должно увеличиваться. Однако, в асинхронных электрических машинах частота вращения магнитного поля статора не совпадает со скоростью вала. Скольжение при этом зависит от нагрузки. Для компенсации скольжения в схему электропривода добавляют датчик скорости или энкодер. Обратная связь позволяет повысить точность поддержания скорости до 0,03%. Таким образом, скалярное управления с энкодером позволяет устранить недостаточную точность регулирования угловой частоты вала.
К недостаткам метода относятся усложнение схемы, необходимость монтажа и настройки энкодера.
Преимущества и недоставки скалярного способа управления
Главное достоинство вольт-частотных ПЧ – простота и невысокая стоимость. Цена такого оборудования значительно меньше векторных преобразователей частоты. В схемах управления не нужно устанавливать датчик скорости на вал. Настройка скалярного преобразователя частоты также намного проще. Такие устройства также позволяют управлять несколькими электродвигателями.
Один из недостатков вольт-частотного управления – зависимость скорости вала от нагрузки. Без обратной скорости невозможно компенсировать скольжение ротора. Такое оборудование также не позволяет управлять частотой вращения и моментом на валу одновременно. Скалярные частотные преобразователи также не обладают высокой перегрузочной способностью. Еще один существенный недостаток – потеря жесткости механических характеристик на небольших скоростях.
Сфера применения
Несмотря на совершенствование векторного способа управления, скалярные частотные преобразователи по-прежнему широко используются. Область применение таких ПЧ – электроприводы различного назначения с постоянной или изменяющейся по известному закону нагрузкой.
Применение вольт-частотных преобразователей в вентиляционном и насосном оборудовании позволяет:
- Осуществлять управление потоком воздуха или давлением и расходом жидкостей без механических заслонок и задвижек.
- Осуществлять плавный пуск и остановку без риска гидравлических ударов в системе.
- Автоматически пропускать резонансные частоты при управлении воздухообменными установками.
При помощи скалярных преобразователей можно задать режимы работы насосного или воздуходувного оборудования по известным законам регулирования.
Установка ПЧ в приводе станков:
- Существенно упрощает кинематическую схему, частотное управление позволяет отказаться от передаточных механизмов.
- Увеличивает точность обработки, при точном задании скорости существенно снижется количество брака.
Преобразователи частоты снижают стоимость производства путем снижения расходов на электроэнергию.
ПЧ также устанавливают на двигатели конвейеров и других механизмов подачи. Это позволяет:
- Точно задавать скорость перемещения под конкретные технологические процессы.
- Осуществлять остановку при возникновении аварий.
- Исключить удары и рывки при пуске, работе и остановке.
Преобразователи частоты снижают износ механических узлов конвейерного оборудования, а также позволяют задавать режимы автоматического управления в зависимости от специфики производственных процессов.
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.
Источник
Преобразователь частоты способы управления
О проекте О проекте - Главная
- О проекте
- Карта сайта
- Вопрос-ответ
- ПЧ и УПП ПЧ и УПП
- Терминология Терминология
- Низковольтные ПЧ
- Высоковольтные ПЧ
- Низковольтные УПП
- Высоковольтные УПП
- Станции управления
- Аксессуары
- Теория
- Подбор ПЧ и УПП
- Монтаж ПЧ и УПП
- Энергосбережение
- Пресс-центр Пресс-центр
- Новости сайта
- Интервью
- Статьи
- Мероприятия
- Акции
- Обзор рынка Обзор рынка
- Производители Производители
- ABB
- Advanced Control Indastrial Equipment
- AuCom Electronics Ltd
- B&R
- Baumuller
- Bosch Rexroth
- Control Techniques
- Danfoss
- Delta Electronics
- Easy Drive
- Eaton
- EKF
- Emotron AB
- ERMAN
- ESQ
- EURA Drives
- Fuji Electric
- GE
- Gefran Siei
- Grandrive
- Hitachi
- Hyundai Heavy Industries
- IC Electronics
- IDS Drive
- IEK
- INNOVERT
- Inovance
- INSTART
- Invertek drivers
- Invt
- Jacky Enterprise
- Keb
- Lenze
- LS
- Micno
- Mitsubishi Electric
- Omron
- ONI
- Parker
- Powtran
- Prostar
- Rockwell Automation
- Santerno
- Schneider Electric
- Sew Eurodrive
- Siemens
- Tecorp Electronics
- Toshiba
- Vacon
- Weg
- Yaskawa
- Битек
- Веспер Автоматика
- Вниир
- Горнозаводское Объединение
- Ижевский Радиозавод
- Овен
- Оптимэлектро
- Приводная техника
- Русэлком
- Силиум
- Стройтехавтоматика
- Технорос
- Триол
- ЧЭАЗ-ЭЛПРИ
- ЭКРА
- Электровыпрямитель
- Электрозавод
- Электротекс
- Элсиэл
- Эрасиб
- Эффективные Системы
- Серии
- Рынок
- Купить Купить
- Поставщики Поставщики
- КосПА
- ONI
- СТОИК
- Danfoss
- Веспер
- EKF
- Инжиниринг
- Библиотека Библиотека
- Каталоги
- ГОСТ и ТУ
- Видео
- Контакты Контакты
- Обратная связь
- Сотрудничество
- Реклама на сайте
- Вакансии
- Ответственность
О проекте О проекте 
- Главная
- Статьи
- Методы управления преобразователем частоты.
Согласно последним данным статистики примерно 70% всей выработанной электроэнергии в мире потребляет электропривод. И с каждым годом этот процент растет.
При правильно подобранном способе управления электродвигателем возможно получение максимального КПД, максимального крутящего момента на валу электромашины, и при этом повысится общая производительность механизма. Эффективно работающие электродвигатели потребляют минимум электроэнергии и обеспечивают максимальную экономичность.
Для электродвигателей, работающих от преобразователя частоты ПЧ, эффективность во многом будет зависеть от выбранного способа управления электрической машиной. Только поняв достоинства каждого способа, инженеры и проектировщики систем электроприводов смогут получить максимальную производительность от каждого способа управления.
Для асинхронных электродвигателей, подключенных к преобразователю частоты, существуют следующие основные способа управления:
· Скалярное управление U/f;
· Скалярное управление U/f с энкодером;
· Векторное управление с разомкнутым контуром;
· Векторное управление с замкнутым контуром;
Все четыре метода используют широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая изменяет ширину фиксированного сигнала путем изменения длительности импульсов для создания аналогового сигнала.
СКАЛЯРНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
Способ управления U/f
Скалярный метод управления асинхронным электродвигателем переменного тока, заключается в том, чтобы поддерживать постоянным отношение напряжение/частота (U/f) во всем рабочем диапазоне скоростей, при этом контролируется только величина и частота питающего напряжения.
Отношение U/f вычисляется на основе номинальных значений (напряжения и частоты) контролируемого электродвигателя переменного тока. Поддерживая постоянным значение отношения U/f мы можем поддерживать относительно постоянным магнитный поток в зазоре двигателя. Если отношение U/f увеличивается тогда электродвигатель становится перевозбужденным и наоборот если отношение уменьшается двигатель находится в невозбуждённом состоянии.
Зависимость частоты питания двигателя от времени при скалярном упрравлении
Изменение напряжения питания электродвигателя при скалярном управлении
На низких оборотах необходимо компенсировать падение напряжения на сопротивлении статора, поэтому отношение U/f на низких оборотах устанавливают выше чем номинальное значение. Скалярный метод управления наиболее широко используется для управления асинхронными электродвигателями. Он часто используется в несложных системах электропривода из-за своей простоты и минимального количества необходимых для работы параметров. Такой способ управления не требует обязательной установки энкодера и обязательных настроек для частотно-регулируемого электропривода. Это приводит к меньшим затратам на вспомогательное оборудование (датчики, провода обратных связей, реле и так далее). Управление U/f довольно часто применяют в высокочастотном оборудовании, например, его часто используют в станках с ЧПУ для привода вращения шпинделя.
U/f — это единственный способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, который позволяет регулирование нескольких электроприводов от одного преобразователя частоты. Соответственно все машины запускаются и останавливаются одновременно и работают с одной частотой.
Но данный способ управления имеет несколько ограничений. Например, при использовании способа регулирования U/f без энкодера нет абсолютно никакой уверенности, что вал асинхронной машины вращается. Кроме того, пусковой момент электрической машины при частоте 3 Гц ограничивается 150%. Да, ограниченного крутящего момента более чем достаточно для применения в большинстве существующего оборудования. Например, практически все вентиляторы и насосы используют способ регулирования U/f.
Данный метод относительно прост из-за его более «свободной» спецификации. Регулирование скорости, как правило, лежит в диапазоне 2% — 3% максимальной выходной частоты. Отклик по скорости рассчитывается на частоту свыше 3 Гц. Скорость реагирования частотного преобразователя определяется быстротой его реакции на изменение опорной частоты. Чем выше скорость реагирования – тем быстрее будет реакция электропривода на изменение задания скорости.
Диапазон регулирования скорости при использовании способа U/f составляет 1:40. Умножив это соотношение на максимальную рабочую частоту электропривода, получим значение минимальной частоты, на которой сможет работать электрическая машина. Например, если максимальное значение частоты 60 Гц, а диапазон составляет 1:40, то минимальное значение частоты составит 1,5 Гц.
Паттерн U/f определяет соотношение частоты и напряжения в процессе работы частотно-регулируемого электропривода. Согласно ему, кривая задания скорости вращения (частота электродвигателя) будет определять помимо значения частоты еще и значения напряжения, подводимого к клеммам электрической машины.
Операторы и технические специалисты могут выбрать необходимый шаблон регулирования U/f одним параметром в современном частотном преобразователе. Предустановленные шаблоны уже оптимизированы под конкретные применения. Также существуют возможности создания своих шаблонов, которые будут оптимизироваться под конкретную систему частотно-регулируемого электропривода или электродвигателя.
Такие устройства как вентиляторы или насосы имеют момент нагрузки, который зависит от скорости их вращения. Переменный крутящий момент (рисунок выше) шаблона U/f предотвращает ошибки регулирования и повышает эффективность. Эта модель регулирования уменьшает токи намагничивания на низких частотах за счет снижения напряжения на электрической машине.
Механизмы с постоянным крутящим моментом, такие как конвейеры, экструдеры и другое оборудование используют способ регулирования с постоянным моментом. При постоянной нагрузке необходим полный ток намагничивания на всех скоростях. Соответственно характеристика имеет прямой наклон во всем диапазоне скоростей.
Способ управления U/f с энкодером
При скалярном методе управления, скорость асинхронного электродвигателя контролируется установкой величины напряжения и частоты статора, таким образом, чтобы магнитное поле в зазоре поддерживалось на нужной величине. Для поддержания постоянного магнитного поля в зазоре, отношение U/f должно быть постоянным на разных скоростях.
При увеличении скорости напряжение питания статора так же должно пропорционально увеличиваться. Однако синхронная частота асинхронного двигателя не равна частоте вращения вала, а скольжение асинхронного двигателя зависит от нагрузки. Таким образом система контроля со скалярным управлением без обратной связи не может точно контролировать скорость при наличии нагрузки. Для решения этой задачи в систему может быть добавлена обратная связь по скорости, а следовательно и компенсация скольжения.
Таким образом, если необходимо повысить точность регулирования скорости вращения в систему управления добавляют энкодер. Введение обратной связи по скорости с помощью энкодера позволяет повысить точность регулирования до 0,03%. Выходное напряжение по-прежнему будет определятся заданным шаблоном U/f.
Данный способ управления не получил широкого применения, так как представляемые им преимущества по сравнению со стандартными функциями U/f минимальны. Пусковой момент, скорость отклика и диапазон регулирования скорости – все идентично со стандартным U/f. Кроме того, при повышении рабочих частот могут возникнуть проблемы с работой энкодера, так как он имеет ограниченное количество оборотов.
Когда используется скалярное управлени
Скалярное управление электродвигателями переменного тока — хорошая альтернатива для применений, где нет переменной нагрузки и отсутвуют высокие динамические нагрузки (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.
При скалярном управлении электродвигателем токи статора не контролируются напрямую.
А процесс скалярного регулирования синхронного двигателя с постоянными магнитами может легко стать неуправляемым (выйти из синхронного состояния) особенно когда момент нагрузки превышает значение предельного момента электропривода. Скалярный метод не подходит для управления синхронным двигатлем на низких оборотах с высокими динамическими нагрузками.
Метод скалярного управления относительно прост в реализации, но обладает несколькими существенными недостатками:
· во-первых, если не установлен датчик скорости нельзя управлять скоростью вращения вала асинхронного двигателя, так как она зависит от нагрузки (наличие датчика скорости решает эту проблему), а вслучае с синхронным двигателем при изменении нагрузки — можно совсем потерять управление;
· во-вторых, нельзя управлять моментом. Конечно, эту задачу можно решить с помощью датчика момента, но стоимость его установки очень высока, и будет скорее всего выше самого электропривода. При этом управление моментом будет очень инерционным;
· также нельзя управлять одновременно моментом и скоростью.
Скалярное управление достаточно для большинства задач в которых применяется электропривод с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:10.
Когда требуется максимальное быстродействие, возможность регулирования в широком диапазоне скоростей и возможность управления моментом электродвигателя используется векторное управление.
ВЕКТОРНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
Векторное управление — метод управления бесщеточными электродвигателями переменного тока, который позволяет независимо и практически безынерционно регулировать скорость вращения и момент на валу электродвигателя.
Главная идея векторного управления заключается в том, чтобы контролировать не только величину и частоту напряжения питания, но и фазу. Другими словами, контролируется величина и угол пространственного вектора. Векторное управление в сравнении со скалярным обладает более высокой производительностью. Векторное управление избавляет практически от всех недостатков скалярного управления.
Векторное управление без обратной связи
Векторное управление (ВУ) без обратной связи используется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электродвигатели могут развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц. Это значительно расширяет перечень механизмов, где может быть применен асинхронный электропривод с векторным управлением. Этот метод также позволяет управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.
Ограничение вращающего момента осуществляется двигателем. Это необходимо для предотвращения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение моментов разбивают на четыре различных квадранта, в зависимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электродвигатель режим рекуперативного торможения. Ограничения могут устанавливаться для каждого квадранта отдельно или же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.
Двигательный режим асинхронной машины будет при условии, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, проще говоря – асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.
Например, машина по закупорке бутылок может использовать ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с положительным моментом) для предотвращения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм производит движение вперед и использует положительный момент для того, чтобы закрутить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет использовать квадрант 2 (обратное вращение и положительный момент). Если кабина подымается на верхний этаж, то крутящий момент будет противоположен скорости. Это необходимо для ограничения скорости подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.
Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ позволяет устанавливать ограничения по моменту и току электродвигателя, поскольку при увеличении тока растет и момент. Выходное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это делает принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным по сравнению с принципом U/F.
Также частотные преобразователи с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что делает возможным его применение в механизмах с ударными нагрузками. Например, в дробилках горной породы нагрузка постоянно меняется и зависит от объема и габаритов обрабатываемой породы.
В отличии от шаблона управления U/F векторное управление использует векторный алгоритм, для определения максимально эффективного напряжения работы электродвигателя.
Векторное управления ВУ решает данную задачу благодаря наличию обратной связи по току двигателя. Как правило, обратная связь по току формируется внутренними трансформаторами тока самого преобразователя частоты ПЧ. Благодаря полученному значению тока преобразователь частоты проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока двигателя математически расщепляется на вектор тока намагничивания и крутящего момента.
Используя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания и крутящего момента. Для достижения максимальной производительности, преобразователь частоты должен держать данные вектора разведенными на угол 90 0 . Это существенно, так как sin 90 0 = 1, а значение 1 представляет собой максимальное значение крутящего момента.
В целом векторное управление асинхронным электродвигателем осуществляет более жесткий контроль. Регулирование скорости составляет примерно ±0,2% от максимальной частоты, а диапазон регулирования достигает 1:200, что позволяет сохранять вращающий момент при работе на низких скоростях.
Векторное управление с обратной связью
Векторное управление с обратной связью использует тот же алгоритм управления, что и ВУ без обратной связи. Основное различие заключается в наличии энкодера, что дает возможность частотно-регулируемому электроприводу развивать 200% пусковой момент при скорости 0 об/мин. Этот пункт просто необходим для создания начального момента при трогании с места лифтов, кранов и других подъемных машин, чтоб не допустить просадки груза.
Наличие датчика обратной связи по скорости позволяет увеличить время отклика системы более 50 Гц, а также расширить диапазон регулирования скорости до 1:1500. Также наличие обратной связи позволяет управлять не скоростью электрической машиной, а моментом. В некоторых механизмах именно значение момента имеет большую важность. Например, мотальная машина, механизмы закупорки и другие. В таких устройствах необходимо регулировать момент машины.
Преимущества векторного управления:
· высокая точность регулирования скорости;
· плавный старт и плавное вращение двигателя во всем диапазоне частот;
· быстрая реакция на изменение нагрузки: при изменении нагрузки практически не происходит изменения скорости;
· увеличенный диапазон управления и точность регулирования;
· снижаются потери на нагрев и намагничивание, повышается КПД электродвигателя.
К недостаткам векторного управления можно отнести:
· необходимость задания параметров электродвигателя;
· большие колебания скорости при постоянной нагрузке;
· большая вычислительная сложность.
Сравнительная таблица методов управления частотным преобразователем.
Метод управления
Диапазон управления скоростью
Погрешность скорости 3 , %
Время нарастания момента, мс
Источник
