Vektorové ovládání
Vektorové ovládání je způsob řízení synchronních a asynchronních motorů, který nejen generuje harmonické proudy (napětí) fází (skalární řízení), ale také zajišťuje řízení magnetického toku rotoru. První implementace principu vektorového řízení a vysoce přesných algoritmů vyžadují použití snímačů polohy (otáček) rotoru.
Obecně pod " vektorové ovládání"" označuje interakci řídicího zařízení s tzv. "prostorovým vektorem", který rotuje s frekvencí pole motoru.
Matematický aparát vektorového řízení
Nadace Wikimedia. 2010.
Podívejte se, co je „Vektorové řízení“ v jiných slovnících:
Pauzovací papír s ním. Vektorregelung. Způsob řízení rychlosti otáčení a/nebo točivého momentu elektromotoru s využitím vlivu měniče elektrického pohonu na vektorové složky proudu statoru elektromotoru. V ruskojazyčné literatuře v ... Wikipedii
Řešení optimálního řídicího problému matematické teorie, ve kterém je řídicí akce u=u(t) tvořena ve formě funkce času (tím se předpokládá, že v průběhu procesu žádná jiná informace než ta, která je dána při začátek vstoupí do systému...... Matematická encyklopedie
- (frekvenčně řízený pohon, PNC, Variable Frequency Drive, VFD) systém pro řízení otáček rotoru asynchronního (nebo synchronního) elektromotoru. Skládá se ze samotného elektromotoru a frekvenčního měniče... Wikipedie
Tento termín má jiné významy, viz CNC (významy). Tato stránka je navržena ke sloučení s CNC. Vysvětlení důvodů a diskuse na stránce Wikipedie: Toward unification/25 f... Wikipedia
Stator a rotor asynchronního stroje 0,75 kW, 1420 ot/min, 50 Hz, 230-400 V, 3,4 2,0 A Asynchronní stroj je střídavý elektrický stroj ... Wikipedia
- (DPR) část elektromotoru. U komutátorových elektromotorů je snímačem polohy rotoru kartáčová komutátorová jednotka, která je zároveň proudovým spínačem. U bezkomutátorových elektromotorů může být snímač polohy rotoru různých typů... Wikipedie
DS3 DS3 010 Základní údaje Země výroby ... Wikipedie
Asynchronní stroj je střídavý elektrický stroj, jehož rychlost rotoru není rovna (menší než) rychlosti otáčení magnetického pole vytvářeného proudem statorového vinutí. Asynchronní stroje jsou nejběžnější elektrické... ... Wikipedie
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.
Střídavý 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 rámci technologického procesu je často nutné měnit 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 provozu 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 rozsahu otáček a nízkých frekvencí a také při splnění požadavků na automatickou regulaci momentu se používá 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 řízení motoru je optimální volbou pro případy, kdy neexistuje proměnná zátěž a 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 buď byla udržována rychlost otáčení hřídele motoru pomocí snímače, nebo jiného stanoveného ukazatele (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.
U nejnovějších modelů elektrických pohonů je do řídicího systému (CS) tohoto typu zaveden matematický model motoru, který je schopen vypočítat kroutící 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 krouticí 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. Samotný regulátor a další mechanické části systému jsou umístěny v rozvodné skříni.
Možnost s frekvenčním mikrokontrolérem
Frekvenční měnič proud/napětí je určen pro plynulou regulaci základních veličin, ale i dalších ukazatelů provozu zařízení. Funguje jako „skalár“ a „vektor“ zároveň, využívá matematické modely naprogramované ve vestavěném mikrokontroléru. Ten je namontován ve speciálním panelu a je jedním z uzlů informační sítě automatizačního systému.
Blokový regulátor/frekvenční měnič je nejnovější technologie, v obvodu s nimi jsou použity tlumivky, které snižují intenzitu vstupního šumu. Je třeba poznamenat, že v zahraničí je této problematice věnována mimořádná pozornost.V tuzemské praxi zůstává používání EMC filtrů stále slabým článkem, neboť neexistuje ani rozumný 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, což 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. Tyto faktory mají velký význam pro hospodárnou výrobu, dlouhou životnost zařízení a ekonomickou spotřebu energie.
Dmitrij Levkin
Skalární ovládání(frekvence) - způsob řízení bezkomutátorového střídavého proudu, který spočívá v udržování konstantního poměru napětí/frekvence (V/Hz) v celém rozsahu provozních otáček, přičemž se řídí 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. Pro řízení asynchronních elektromotorů se nejvíce používá metoda skalárního řízení.
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.
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 měničem bude účinnost do značné míry záviset na zvoleném způsobu ovládání elektrického stroje. 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 obecné hierarchie řízení automatizovaného systému je to správně, ale existují i způsoby, jak ovládat samotný elektromotor. Právě tyto metody budou mít maximální dopad na výkon celého systému.
Pro asynchronní motory 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 šířky pulzů za účelem vytvoření analogového signálu.
Pulzní šířková modulace se aplikuje na měnič kmitočtu pomocí pevného napětí stejnosměrné sběrnice. rychlým otevíráním a zavíráním (správněji přepínáním) generují výstupní impulsy. Změnou šířky těchto pulzů na výstupu se získá „sinusoida“ požadované 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 povelu 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 povinnou instalaci kodéru a povinné nastavení pro elektrický pohon s proměnnou frekvencí (ale je 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. Pokud je například maximální hodnota frekvence 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 vyžadován plný magnetizační proud 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. Navíc, když se provozní frekvence zvýší, mohou nastat problémy s provozem kodéru, protože má omezený počet otáček.
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 samostatně 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 zdvihu a zabránění volnému pádu 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 zvýšit, pokud mechanismus vyžaduje větší točivý moment, nebo se snížit, pokud je dosaženo jeho maximální přípustné hodnoty. Díky tomu je princip vektorového řízení asynchronního stroje ve srovnání s principem U/F flexibilnější a dynamičtější.
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.
K implementaci schopnosti regulovat točivý moment a rychlost využívají moderní elektrické pohony následující metody řízení frekvence, jako jsou:
- Vektor;
- Skalární.
Nejrozšířenější jsou asynchronní elektrické pohony se skalárním řízením. Používá se v pohonech kompresorů, ventilátorů, čerpadel a dalších mechanismů, u kterých je nutné udržovat na určité úrovni buď rychlost otáčení hřídele elektromotoru (používá se snímač otáček), nebo některý technologický parametr (např. tlak v potrubí pomocí vhodného snímače).
Princip činnosti skalárního řízení asynchronního motoru spočívá v tom, že amplituda a frekvence napájecího napětí se mění podle zákona U/f^n = konst, kde n>=1. Jak bude tato závislost vypadat v konkrétním případě, závisí na požadavcích kladených zátěží na elektrický pohon. Frekvence působí zpravidla jako nezávislý vliv a napětí při určité frekvenci je určeno typem mechanické charakteristiky, jakož i hodnotami kritických a rozběhových momentů. Díky skalárnímu řízení je zajištěna konstantní přetížitelnost asynchronního motoru, nezávislá na frekvenci napětí, a přesto při dosti nízkých frekvencích může dojít k výraznému snížení točivého momentu vyvinutého motorem. Maximální hodnota rozsahu skalárního řízení, při kterém je možné regulovat rychlost otáčení rotoru elektromotoru bez ztráty momentu odporu, nepřesahuje 1:10.
Skalární řízení indukčního motoru je poměrně jednoduché na implementaci, ale stále existují dvě významné nevýhody. Za prvé, pokud není na hřídeli instalován snímač rychlosti, pak není možné regulovat hodnotu rychlosti otáčení hřídele, protože závisí na zatížení působícím na elektrický pohon. Instalace snímače rychlosti tento problém snadno vyřeší, ale další podstatná nevýhoda zůstává - nemožnost regulovat hodnotu točivého momentu na hřídeli motoru. Můžete samozřejmě nainstalovat snímač točivého momentu, ale náklady na takové snímače zpravidla převyšují náklady na samotný elektrický pohon. Navíc, i když nainstalujete senzor řízení točivého momentu, proces řízení tohoto točivého momentu se ukáže jako neuvěřitelně inerciální. Další „ale“ - skalární řízení asynchronního motoru se vyznačuje tím, že nelze současně regulovat otáčky a kroutící moment, proto je nutné regulovat hodnotu, která je v daném čase vzhledem k podmínkám technologického zařízení nejdůležitější. proces.
Aby se odstranily nedostatky skalárního řízení motoru, navrhl SIEMENS již v 71. roce minulého století zavedení metody vektorového řízení motoru. První elektrické pohony s vektorovým řízením používaly motory, které měly vestavěné snímače průtoku, což výrazně omezovalo rozsah takových pohonů.
Řídicí systém moderních elektrických pohonů obsahuje matematický model motoru, který umožňuje vypočítat otáčky a točivý moment hřídele. Kromě toho jsou jako nezbytné snímače instalovány pouze snímače fázového proudu motoru. Speciálně navržená struktura řídicího systému zajišťuje nezávislost a prakticky bez setrvačnosti řízení hlavních parametrů – krouticího momentu hřídele a rychlosti otáčení hřídele.
K dnešnímu dni byly vytvořeny následující vektorové řídicí systémy pro asynchronní motory:
- Bezsenzorový – na hřídeli motoru není snímač otáček,
- Systémy s rychlostní zpětnou vazbou.
Použití metod vektorového řízení závisí na použití elektrického pohonu. Pokud rozsah měření rychlosti nepřesahuje 1:100 a požadavky na přesnost se liší v rozmezí ±1,5 %, použije se bezsenzorový řídicí systém. Pokud je měření rychlosti prováděno v rozsahu hodnot dosahujících 1:10000 a více a úroveň přesnosti musí být poměrně vysoká (±0,2% při rychlostech pod 1Hz), nebo je nutné polohovat hřídel nebo řídit točivý moment na hřídeli při nízkých otáčkách, pak se používá systém se zpětnou vazbou otáček.
Výhody vektorového způsobu řízení asynchronního motoru:
- Vysoká úroveň přesnosti při regulaci otáček hřídele, i přes možnou absenci snímače otáček,
- Motor se točí při nízkých frekvencích bez cukání, plynule,
- Pokud je instalován snímač otáček, je možné dosáhnout jmenovité hodnoty točivého momentu na hřídeli i při nulových otáčkách,
- Rychlá reakce na případné změny zátěže – náhlé rázy zátěže nemají prakticky žádný vliv na rychlost elektrického pohonu,
- Vysoká účinnost motoru díky sníženým ztrátám v důsledku magnetizace a ohřevu.
Přes zřejmé výhody má metoda vektorového řízení i určité nevýhody - větší složitost výpočtů, pro provoz je nutná znalost parametrů motoru. Navíc kolísání hodnoty otáček při konstantní zátěži je mnohem větší než u metody skalárního řízení. Mimochodem, existují oblasti, kde se elektrické pohony používají výhradně se skalární metodou řízení. Například skupinový elektrický pohon, ve kterém jeden měnič pohání několik motorů.
