Control vectorial al motorului electric „pe degete. Control vectorial Principiul controlului tensiunii vectoriale

Cea mai cunoscută metodă de economisire a energiei este reducerea vitezei motorului AC. Deoarece puterea este proporțională cu cubul vitezei arborelui, o mică reducere a vitezei poate duce la economii semnificative de energie. Toată lumea înțelege cât de relevant este acest lucru pentru producție. Dar cum să realizezi acest lucru? Vom răspunde la aceasta și la alte întrebări, dar mai întâi să vorbim despre tipurile de control ale motoarelor asincrone.

Unitatea electrică AC este un sistem electromecanic care servește drept bază pentru majoritatea proceselor tehnologice. Un rol important în el revine convertorului de frecvență (FC), care joacă principalul „cântare al viorii principale a duetului” – motorul asincron (IM).

Un pic de fizică elementară

De la școală, avem o idee clară că tensiunea este diferența de potențial dintre două puncte, iar frecvența este o valoare egală cu numărul de perioade prin care curentul reușește să le treacă literalmente într-o secundă.

Ca parte a procesului tehnologic, este adesea necesară modificarea parametrilor de funcționare ai rețelei. În acest scop, există convertoare de frecvență: scalare și vectoriale. De ce se numesc asa? Să începem cu faptul că caracteristicile speciale ale fiecărui tip devin clare din numele lor. Să ne amintim elementele de bază ale fizicii elementare și să ne permitem să numim IF mai scurt pentru simplitate. „Vectornik” are o anumită direcție și se supune regulilor vectorilor. „Scalarnik” nu are nimic din toate acestea, așa că algoritmul de control al acestuia este în mod natural foarte simplu. Se pare că numele au fost hotărâte. Acum să vorbim despre modul în care diferitele mărimi fizice din formulele matematice sunt legate între ele.

Îți amintești că de îndată ce viteza scade, cuplul crește și invers? Aceasta înseamnă că cu cât rotația rotorului este mai mare, cu atât fluxul va trece prin stator mai mare și, în consecință, va fi indusă o tensiune mai mare.

Același principiu constă în principiul de funcționare în sistemele pe care le luăm în considerare, doar în „scalar” câmpul magnetic al statorului este controlat, iar în „vector” interacțiunea câmpurilor magnetice ale statorului și rotorului joacă un rol important. rol.În acest din urmă caz ​​tehnologia face posibilă îmbunătățirea parametrilor tehnici ai funcționării sistemului de propulsie.

Diferențele tehnice între convertoare

Există multe diferențe, să le evidențiem pe cele mai elementare și fără o rețea științifică de cuvinte. Pentru un driver de frecvență scalar (fără senzor), relația U/F este liniară, iar domeniul de control al vitezei este destul de mic. Apropo, acesta este motivul pentru care la frecvențe joase nu există suficientă tensiune pentru a menține cuplul și, uneori, este necesară ajustarea caracteristicii tensiune-frecvență (VFC) la condițiile de funcționare, același lucru se întâmplă la o frecvență maximă peste 50 Hz. .

La rotirea arborelui într-o gamă largă de viteze și frecvență joasă, precum și îndeplinirea cerințelor pentru controlul automat al cuplului, este utilizată metoda de control vectorial cu feedback. Aceasta dezvăluie o altă diferență: scalarul nu are de obicei un astfel de feedback.

Ce situații de urgență să alegeți? Aplicarea unuia sau altuia dispozitiv este ghidată în principal de domeniul de utilizare al acționării electrice. Cu toate acestea, în cazuri speciale, alegerea tipului de convertizor de frecvență devine fără alegere. În primul rând: există o diferență clară, vizibilă de preț (cele scalare sunt mult mai ieftine, nu este nevoie de nuclee de calcul scumpe). Prin urmare, producția mai ieftină depășește uneori procesul decizional. În al doilea rând: există domenii de aplicare în care doar utilizarea lor este posibilă, de exemplu, în liniile de transport, unde mai multe motoare electrice sunt controlate sincron de la unul (VFD).

Metoda scalară

O unitate electrică asincronă cu control scalar al vitezei (adică, VFC) rămâne cea mai comună astăzi. Baza metodei este că turația motorului este o funcție a frecvenței de ieșire.

Controlul scalar al motorului este alegerea optimă pentru cazurile în care nu există sarcină variabilă și nu este nevoie de o dinamică bună. Scalarul nu necesită senzori pentru a funcționa. Când utilizați această metodă, nu este nevoie de un procesor digital costisitor, așa cum este cazul controlului vectorial.

Metoda este adesea folosită pentru controlul automat al ventilatoarelor, compresoarelor și altor unități Aici este necesar ca fie turația de rotație a arborelui motorului să fie menținută folosind un senzor, fie un alt indicator specificat (de exemplu, temperatura lichidului, controlată). printr-un dispozitiv de urmărire adecvat).

Cu control scalar, modificarea frecvenței-amplitudine a tensiunii de alimentare este determinată de formula U/fn = const. Acest lucru permite un flux magnetic constant în motor. Metoda este destul de simplă, ușor de implementat, dar nu fără unele dezavantaje semnificative:

• Nu este posibil să se controleze simultan cuplul și viteza, astfel încât este selectată valoarea cea mai semnificativă din punct de vedere tehnologic;
• interval îngust de control al vitezei și cuplu scăzut la viteze mici;
• performanță slabă cu sarcină în schimbare dinamică.

Care este metoda vectorului?

Metoda vectorială

A apărut în procesul de îmbunătățire și este utilizat atunci când este necesar să se realizeze viteza maximă, reglarea într-o gamă largă de viteze și controlabilitatea cuplului pe arbore.

În cele mai recente modele de acționări electrice, în sistemul de control (CS) de acest tip este introdus un model matematic al motorului, care este capabil să calculeze cuplul motorului și viteza de rotație a arborelui. În acest caz, este necesară doar instalarea senzorilor de curent de fază a statorului.

Astăzi au un număr suficient de avantaje:

• precizie ridicată;
• fără smucire, rotație lină a tensiunii arteriale;
• gamă largă de reglementări;
• răspuns rapid la modificările de încărcare;
• asigurarea modului de funcționare al motorului, în care pierderile datorate încălzirii și magnetizării sunt reduse, iar acest lucru duce la o creștere prețuită a eficienței!

Avantajele sunt, desigur, evidente, dar metoda controlului vectorial nu este lipsită de dezavantaje, cum ar fi complexitatea de calcul și necesitatea cunoașterii indicatorilor tehnici ai motorului. În plus, se observă amplitudini mai mari ale fluctuațiilor de viteză decât în ​​„scalar” sub sarcină constantă. Sarcina principală în fabricarea unui convertor de frecvență („vector”) este de a furniza un cuplu mare la viteză mică de rotație.

Diagrama unui sistem de control vectorial cu o unitate de modulație a lățimii impulsului (PWM) arată cam așa:

În diagrama prezentată, obiectul controlat este un motor asincron conectat la un senzor (DS) de pe arbore. Blocurile ilustrate sunt de fapt verigă din lanțul sistemului de control implementat pe controler. Blocul BZP stabilește valorile variabilelor. Blocurile logice (BRP) și (BVP) reglează și calculează variabilele ecuației. Controlerul în sine și alte părți mecanice ale sistemului sunt amplasate în dulapul electric.

Opțiune cu microcontroler de frecvență

Convertorul de frecvență curent/tensiune este proiectat pentru reglarea lină a cantităților de bază, precum și a altor indicatori de funcționare a echipamentului. Funcționează ca un „scalar” și un „vector” în același timp, folosind modele matematice programate în microcontrolerul încorporat. Acesta din urmă este montat într-un panou special și este unul dintre nodurile rețelei de informații ale sistemului de automatizare.

Controlerul bloc/convertorul de frecvență este cea mai recentă tehnologie; în circuitul cu acestea se folosesc inductori, care reduc intensitatea zgomotului de intrare. Trebuie remarcat că în străinătate se acordă o atenție deosebită acestei probleme.În practica internă, utilizarea filtrelor EMC rămâne încă o verigă slabă, deoarece nu există nici măcar un cadru de reglementare sensibil. Folosim filtrele în sine mai des acolo unde nu sunt necesare și acolo unde sunt cu adevărat necesare, din anumite motive de care sunt uitate.

Concluzie

Faptul este că un motor electric în funcționare normală din rețea tinde să aibă parametri standard; acest lucru nu este întotdeauna acceptabil. Acest fapt este eliminat prin introducerea diferitelor mecanisme de angrenare pentru a reduce frecvența la cea necesară. Astăzi s-au format două sisteme de control: un sistem fără senzori și un sistem cu senzori cu feedback. Principala lor diferență este precizia controlului. Cel mai precis, desigur, este al doilea.

Cadrul existent este extins prin utilizarea diferitelor sisteme moderne de control IM, oferind o calitate îmbunătățită a reglementării și o capacitate mare de suprasarcină. Acești factori sunt de mare importanță pentru producția rentabilă, durata de viață lungă a echipamentelor și consumul economic de energie.

Conform celor mai recente statistici, aproximativ 70% din toată energia electrică generată în lume este consumată de motoare electrice. Și în fiecare an acest procent crește.

Cu o metodă selectată corect de control al unui motor electric, este posibil să se obțină eficiență maximă, cuplu maxim pe arborele mașinii electrice și, în același timp, performanța generală a mecanismului va crește. Motoarele electrice care funcționează eficient consumă un minim de energie electrică și oferă eficiență maximă.

Pentru motoarele electrice alimentate de un invertor, eficiența va depinde în mare măsură de metoda aleasă de control al mașinii electrice. Numai prin înțelegerea meritelor fiecărei metode pot inginerii și proiectanții sistemelor de acționare să obțină performanța maximă din fiecare metodă de control.
Conţinut:

Metode de control

Mulți oameni care lucrează în domeniul automatizării, dar care nu sunt implicați îndeaproape în dezvoltarea și implementarea sistemelor de acționare electrică, consideră că controlul motoarelor electrice constă într-o secvență de comenzi introduse folosind o interfață de la un panou de control sau PC. Da, din punctul de vedere al ierarhiei generale de control a unui sistem automatizat, acest lucru este corect, dar există și modalități de a controla motorul electric în sine. Aceste metode vor avea un impact maxim asupra performanței întregului sistem.

Pentru motoarele asincrone conectate la un convertor de frecvență, există patru metode principale de control:

• U/f – volți pe herți;
• U/f cu encoder;
• Control vectorial în buclă deschisă;
• Control vectorial în buclă închisă;

Toate cele patru metode folosesc modularea lățimii impulsului PWM, care modifică lățimea unui semnal fix prin variarea lățimii impulsurilor pentru a crea un semnal analogic.

Modularea lățimii impulsului este aplicată convertizorului de frecvență prin utilizarea unei tensiuni fixe de magistrală de curent continuu. prin deschiderea și închiderea rapidă (mai corect, comutarea) generează impulsuri de ieșire. Variind lățimea acestor impulsuri la ieșire, se obține un „sinusoid” al frecvenței dorite. Chiar dacă forma tensiunii de ieșire a tranzistoarelor este pulsată, curentul se obține totuși sub formă de sinusoid, deoarece motorul electric are o inductanță care afectează forma curentului. Toate metodele de control se bazează pe modulația PWM. Diferența dintre metodele de control constă numai în metoda de calcul a tensiunii furnizate motorului electric.

În acest caz, frecvența purtătoare (indicată cu roșu) reprezintă frecvența maximă de comutare a tranzistoarelor. Frecvența purtătoare pentru invertoare este de obicei în intervalul 2 kHz - 15 kHz. Referința de frecvență (indicată cu albastru) este semnalul de comandă a frecvenței de ieșire. Pentru invertoarele utilizate în sistemele convenționale de acționare electrică, de regulă, variază de la 0 Hz la 60 Hz. Atunci când semnale de două frecvențe sunt suprapuse unul peste altul, va fi emis un semnal pentru deschiderea tranzistorului (indicat cu negru), care furnizează tensiune de alimentare motorului electric.

Metoda de control U/F

Controlul Volt-per-Hz, cel mai frecvent denumit U/F, este poate cea mai simplă metodă de control. Este adesea folosit în sistemele simple de acționare electrică datorită simplității și numărului minim de parametri necesari pentru funcționare. Această metodă de control nu necesită instalarea obligatorie a unui encoder și setări obligatorii pentru o acționare electrică cu frecvență variabilă (dar este recomandată). Acest lucru duce la costuri mai mici pentru echipamentele auxiliare (senzori, fire de feedback, relee etc.). Controlul U/F este folosit destul de des în echipamentele de înaltă frecvență, de exemplu, este adesea folosit la mașinile CNC pentru a conduce rotația axului.

Modelul cu cuplu constant are un cuplu constant pe întreaga gamă de viteze cu același raport U/F. Modelul cu raport de cuplu variabil are o tensiune de alimentare mai mică la viteze mici. Acest lucru este necesar pentru a preveni saturarea mașinii electrice.

U/F este singura modalitate de reglare a vitezei unui motor electric asincron, care permite controlul mai multor acționări electrice de la un convertor de frecvență. În consecință, toate mașinile pornesc și se opresc simultan și funcționează la aceeași frecvență.

Dar această metodă de control are mai multe limitări. De exemplu, atunci când utilizați metoda de control U/F fără un encoder, nu există absolut nicio certitudine că arborele unei mașini asincrone se rotește. În plus, cuplul de pornire al unei mașini electrice la o frecvență de 3 Hz este limitat la 150%. Da, cuplul limitat este mai mult decât suficient pentru a găzdui majoritatea echipamentelor existente. De exemplu, aproape toate ventilatoarele și pompele folosesc metoda de control U/F.

Această metodă este relativ simplă datorită specificațiilor sale mai slabe. Reglarea vitezei este de obicei în intervalul 2% - 3% din frecvența maximă de ieșire. Răspunsul la viteză este calculat pentru frecvențe peste 3 Hz. Viteza de răspuns a convertizorului de frecvență este determinată de viteza de răspuns a acestuia la modificările frecvenței de referință. Cu cât viteza de răspuns este mai mare, cu atât motorul electric va răspunde mai rapid la modificările setării vitezei.

Intervalul de control al vitezei când se utilizează metoda U/F este 1:40. Înmulțind acest raport cu frecvența maximă de funcționare a motorului electric, obținem valoarea frecvenței minime la care poate funcționa mașina electrică. De exemplu, dacă valoarea frecvenței maxime este de 60 Hz și intervalul este 1:40, atunci valoarea frecvenței minime va fi de 1,5 Hz.

Modelul U/F determină relația dintre frecvență și tensiune în timpul funcționării unui variator de frecvență. Conform acesteia, curba de setare a vitezei de rotație (frecvența motorului) va determina, pe lângă valoarea frecvenței, și valoarea tensiunii furnizate la bornele mașinii electrice.

Operatorii și tehnicienii pot selecta modelul de control U/F dorit cu un singur parametru într-un convertor de frecvență modern. Șabloanele preinstalate sunt deja optimizate pentru aplicații specifice. Există, de asemenea, oportunități de a crea propriile șabloane care vor fi optimizate pentru o anumită unitate de frecvență variabilă sau sistem de motor electric.

Dispozitivele precum ventilatoarele sau pompele au un cuplu de sarcină care depinde de viteza lor de rotație. Cuplul variabil (imaginea de mai sus) al modelului U/F previne erorile de control și îmbunătățește eficiența. Acest model de control reduce curenții de magnetizare la frecvențe joase prin reducerea tensiunii pe mașina electrică.

Mecanismele cu cuplu constant, cum ar fi transportoare, extrudere și alte echipamente, folosesc o metodă de control constant al cuplului. Cu sarcină constantă, este necesar un curent de magnetizare complet la toate vitezele. În consecință, caracteristica are o pantă dreaptă pe întregul interval de viteză.

Metoda de control U/F cu encoder

Dacă este necesar să se mărească precizia controlului vitezei de rotație, la sistemul de control este adăugat un encoder. Introducerea feedback-ului de viteză folosind un encoder vă permite să creșteți precizia controlului la 0,03%. Tensiunea de ieșire va fi în continuare determinată de modelul U/F specificat.

Această metodă de control nu este utilizată pe scară largă, deoarece avantajele pe care le oferă în comparație cu funcțiile U/F standard sunt minime. Cuplul de pornire, viteza de răspuns și domeniul de control al vitezei sunt toate identice cu U/F standard. În plus, atunci când frecvențele de funcționare cresc, pot apărea probleme cu funcționarea codificatorului, deoarece are un număr limitat de rotații.

Control vectorial în buclă deschisă

Controlul vectorial în buclă deschisă (VC) este utilizat pentru controlul mai larg și mai dinamic al vitezei unei mașini electrice. La pornirea de la un convertor de frecvență, motoarele electrice pot dezvolta un cuplu de pornire de 200% din cuplul nominal la o frecvență de numai 0,3 Hz. Acest lucru extinde în mod semnificativ lista de mecanisme în care poate fi utilizată o acționare electrică asincronă cu control vectorial. Această metodă vă permite, de asemenea, să controlați cuplul mașinii în toate cele patru cadrane.

Cuplul este limitat de motor. Acest lucru este necesar pentru a preveni deteriorarea echipamentelor, utilajelor sau produselor. Valoarea cuplurilor este împărțită în patru cadrane diferite, în funcție de sensul de rotație al mașinii electrice (înainte sau înapoi) și în funcție de implementarea motorului electric. Limitele pot fi setate pentru fiecare cadran individual, sau utilizatorul poate seta cuplul total în convertizorul de frecvență.

Modul motor al unei mașini asincrone va fi prevăzut ca câmpul magnetic al rotorului să rămână în urma câmpului magnetic al statorului. Dacă câmpul magnetic al rotorului începe să depășească câmpul magnetic al statorului, atunci mașina va intra în modul de frânare regenerativă cu eliberare de energie; cu alte cuvinte, motorul asincron va comuta în modul generator.

De exemplu, o mașină de acoperire a sticlei poate utiliza limitarea cuplului în cadranul 1 (direcția înainte cu cuplu pozitiv) pentru a preveni strângerea excesivă a capacului sticlei. Mecanismul se deplasează înainte și folosește cuplul pozitiv pentru a strânge capacul sticlei. Dar un dispozitiv precum un ascensor cu o contragreutate mai grea decât vagonul gol va folosi cadranul 2 (rotație inversă și cuplu pozitiv). Dacă cabina se ridică la ultimul etaj, atunci cuplul va fi opus vitezei. Acest lucru este necesar pentru a limita viteza de ridicare și pentru a preveni căderea liberă a contragreutății, deoarece este mai grea decât cabina.

Feedback-ul de curent în aceste convertoare de frecvență vă permite să stabiliți limite ale cuplului și curentului motorului electric, deoarece pe măsură ce curentul crește, cuplul crește și el. Tensiunea de ieșire a invertorului poate crește dacă mecanismul necesită un cuplu mai mare sau poate scădea dacă este atinsă valoarea maximă admisă. Acest lucru face ca principiul controlului vectorial al unei mașini asincrone să fie mai flexibil și mai dinamic în comparație cu principiul U/F.

De asemenea, convertizoarele de frecvență cu control vectorial și buclă deschisă au un răspuns la viteză mai rapid de 10 Hz, ceea ce face posibilă utilizarea în mecanisme cu sarcini de șoc. De exemplu, la concasoarele de roci, sarcina este în continuă schimbare și depinde de volumul și dimensiunile rocii care sunt prelucrate.

Spre deosebire de modelul de control U/F, controlul vectorial folosește un algoritm vectorial pentru a determina tensiunea maximă efectivă de funcționare a motorului electric.

Controlul vectorial al VU rezolvă această problemă datorită prezenței feedback-ului asupra curentului motorului. De regulă, feedback-ul de curent este generat de transformatoarele de curent interne ale convertizorului de frecvență însuși. Folosind valoarea curentului obținut, convertizorul de frecvență calculează cuplul și fluxul mașinii electrice. Vectorul curent al motorului de bază este împărțit matematic într-un vector de curent de magnetizare (I d) și cuplu (I q).

Folosind datele și parametrii mașinii electrice, invertorul calculează vectorii curentului de magnetizare (I d) și ai cuplului (I q). Pentru a obține performanțe maxime, convertizorul de frecvență trebuie să țină I d și I q separate printr-un unghi de 90 0. Acest lucru este semnificativ deoarece sin 90 0 = 1, iar o valoare de 1 reprezintă valoarea maximă a cuplului.

În general, controlul vectorial al unui motor cu inducție oferă un control mai strict. Reglarea vitezei este de aproximativ ± 0,2% din frecvența maximă, iar domeniul de reglare ajunge la 1:200, ceea ce poate menține cuplul atunci când rulează la viteze mici.

Controlul feedback-ului vectorial

Controlul vectorului de feedback utilizează același algoritm de control ca și VAC în buclă deschisă. Principala diferență este prezența unui encoder, care permite variatorului de frecvență să dezvolte un cuplu de pornire de 200% la 0 rpm. Acest punct este pur și simplu necesar pentru a crea un moment inițial la deplasarea lifturilor, macaralelor și a altor mașini de ridicat, pentru a preveni tasarea încărcăturii.

Prezența unui senzor de feedback al vitezei vă permite să măriți timpul de răspuns al sistemului la mai mult de 50 Hz, precum și să extindeți domeniul de control al vitezei la 1:1500. De asemenea, prezența feedback-ului vă permite să controlați nu viteza mașinii electrice, ci cuplul. În unele mecanisme, valoarea cuplului este de mare importanță. De exemplu, mașină de bobinat, mecanisme de înfundare și altele. În astfel de dispozitive este necesar să se regleze cuplul mașinii.

Convertorul de frecvență controlează cuplul și viteza de rotație a unui motor asincron utilizând una dintre cele două metode principale de control al frecvenței - scalar sau vectorial. Să aruncăm o privire mai atentă la caracteristicile acestor metode.

Caracteristica de funcționare a invertorului scalar liniar

Când un motor electric asincron funcționează de la un convertor de frecvență scalar, tensiunea de pe motor scade liniar odată cu descreșterea frecvenței. Acest lucru se datorează faptului că se utilizează modularea lățimii impulsului (PWM), în care raportul dintre tensiunea efectivă și frecvența este constant pe întregul domeniu de control.

Caracteristica de funcționare volt-frecvență (volt-herți) a invertorului va fi liniară până când tensiunea crește până la limita determinată de tensiunea de alimentare a convertizorului. Controlul scalar nu permite motorului să dezvolte puterea necesară la frecvențe joase (puterea depinde de tensiune), iar cuplul de pe arbore scade semnificativ.

Caracteristica de performanță scalară pătratică

În unele cazuri, de exemplu, atunci când se operează un convertor pentru ventilatoare și pompe puternice, se folosește o caracteristică de frecvență volțială pătratică cu un cuplu redus, ceea ce face posibilă luarea în considerare a mecanicii procesului, reducerea curenților și, în consecință , pierderi la frecvențe joase.

Principalul dezavantaj al caracteristicii scalare volt-frecvență

Dependența liniară și pătratică volt-frecvență, în ciuda simplității și distribuției sale largi, are un mare dezavantaj - o scădere a puterii pe arbore, ceea ce înseamnă o scădere a cuplului și a turației motorului. În acest caz, așa-numita alunecare apare atunci când viteza de rotație a rotorului este în urmă cu frecvența de rotație a câmpului electromagnetic.

Pentru a elimina acest efect, compensarea alunecării este utilizată pentru a regla frecvența de ieșire (turația motorului) pe măsură ce crește cuplul de sarcină. Dacă valoarea de compensare este selectată corect, viteza reală de rotație sub sarcină mare va fi apropiată de turația de ralanti.

În plus, majoritatea invertoarelor cu o caracteristică liniară volt-frecvență au o funcție de compensare a cuplului la viteze mici. Această funcție este implementată prin creșterea tensiunii la frecvențe joase și, dacă este utilizată incorect, poate provoca supraîncălzirea motorului.

Ambii parametrii de compensare au o valoare constantă (setată în timpul configurării) și nu depind de sarcină.

Avantajele controlului vectorial

Există multe sarcini când este necesar să se asigure o anumită viteză de rotație, iar dezavantajul descris devine foarte relevant. În astfel de cazuri, se utilizează controlul vector al frecvenței, în care controlerul calculează tensiunea necesară pentru a menține cuplul pentru a asigura o frecvență stabilă. Spre deosebire de modul scalar, aici există un control „inteligent” al fluxului magnetic al rotorului.

Controlul vectorial al unui motor asincron este deosebit de important la frecvențe joase - sub 10 Hz, când cuplul de funcționare al motorului scade semnificativ. În plus, această metodă vă permite să mențineți o viteză stabilă (cu o schimbare liniară previzibilă) în timpul accelerației. Acest lucru se realizează prin obținerea unui cuplu de pornire ridicat până când motorul ajunge în modul de funcționare.

De asemenea, este important ca prin control vectorial să apară economii de energie (în unele cazuri - până la 60%), deoarece de cele mai multe ori convertizorul de frecvență transferă motorului exact atâta energie cât este necesară pentru a menține viteza dată.

Există două tipuri de control vectorial - fără senzor de viteză (fără feedback sau fără senzor) și cu feedback, atunci când un encoder este de obicei folosit ca senzor.

Control vectorial în buclă deschisă

În acest caz, convertizorul de frecvență calculează viteza de rotație a motorului folosind un model matematic pe baza datelor introduse anterior (parametrii motorului) și a datelor privind valorile instantanee ale curentului și tensiunii. Pe baza calculelor obținute, invertorul ia decizia de a modifica tensiunea de ieșire.

Înainte de a porni modul fără senzori vectorial, este necesar să setați cu atenție parametrii nominali ai motorului: tensiune, curent, frecvență, viteză (revoluții), putere, număr de poli, precum și rezistența înfășurării și parametrii inductivi. Dacă unele valori sunt necunoscute, se recomandă efectuarea unui autotest al motorului la ralanti. Unele modele de convertoare de frecvență vectoriale stabilesc parametrii impliciti pentru un motor standard după introducerea valorilor nominale. De asemenea, este necesar să se stabilească limitele de timp și parametrii curenti ai controlului vectorial.

Controlul feedback-ului vectorial

Acest mod oferă un control mai precis al turației motorului. Feedback-ul este furnizat de un encoder, care interfață cu convertizorul de frecvență printr-un modul suplimentar.

Codificatorul este instalat pe arborele unui motor electric sau al unui mecanism ulterior și transmite date despre viteza de rotație curentă. Pe baza informațiilor primite, convertorul modifică tensiunea, cuplul și, în consecință, viteza motorului. Merită adăugat că în condiții de sarcini dinamice mari (schimbări frecvente de cuplu) și funcționare la viteze mici, se recomandă utilizarea răcirii forțate cu un ventilator extern.

Alte materiale utile:

Orice modificare sau menținere a unei viteze constante a propulsiei electrice asigură o reglare țintită a cuplului dezvoltat de motor. Cuplul este format ca urmare a interacțiunii fluxului (legătura fluxului) creat de o parte a motorului cu curentul din cealaltă parte și este determinat de produsul vectorial al acestor doi vectori spațiali generatori de cuplu. Prin urmare, mărimea cuplului dezvoltat de motor este determinată de modulele fiecărui vector și de unghiul spațial dintre ele.

La construirea sisteme de control scalar Numai valorile numerice (modulele) vectorilor generatori de cuplu au fost controlate și reglate, dar poziția lor spațială nu a fost controlată. Principiul controlului vectorial constă în faptul că sistemul de control controlează valoarea numerică și poziția în spațiu unul față de celălalt a vectorilor generatori de cuplu. Prin urmare, sarcina controlului vectorial este de a determina și de a stabili cu forță valorile instantanee ale curentului în înfășurările motorului, astfel încât vectorii generalizați ai curenților și legăturile de flux să ocupe o poziție în spațiu care să asigure crearea cuplului electromagnetic necesar.

Cuplul electromagnetic generat de motor:

unde m este factorul de proiectare; , 2 - spațial

vectori de curenți sau legături de flux care formează cuplul; X- unghiul spațial dintre vectorii generatori de moment.

După cum rezultă din (6.53), valorile minime ale curenților (legăturile de flux) care formează cuplul vor fi pentru valoarea necesară a cuplului dacă vectorii Xși 2 sunt perpendiculare între ele, adică. X = °.

În sistemele de control vectorial, nu este nevoie să se determine poziția spațială absolută a vectorilor și 2 în raport cu axele statorului sau rotorului. Este necesar să se determine poziția unui vector față de altul. Prin urmare, unul dintre vectori este considerat a fi baza, iar poziția celuilalt controlează unghiul X.

Pe baza acestui fapt, la construirea sistemelor de control vectorial, este recomandabil să se pornească de la o descriere matematică a proceselor electromagnetice și electromecanice exprimate în coordonate legate de vectorul de bază (coordonate Și- v). O astfel de descriere matematică este dată în § 1.6.

Dacă luăm ca vector de bază și direcționăm axa de coordonate Și de-a lungul acestui vector, atunci, pe baza (1.46), obținem următorul sistem de ecuații:

În aceste ecuații? v = , deoarece vectorul coincide cu axa de coordonate Și.

În fig. Figura 6.31 prezintă o diagramă vectorială a curenților și a legăturilor de flux în axe Și- v ^orientarea coordonatelor Și de-a lungul vectorului de cuplare a rotorului. Din diagrama vectorială rezultă că

Orez. B.31. Diagrama vectorială a legăturilor de flux și a curenților în axe u-v la M

Cu schimbare constantă (sau lentă) p ambreiaj rotor d"V u /dt= rezultând i și =Și Г = yji u +i v = i v

În acest caz, vectorul curent al rotorului G perpendicular pe legătura fluxului rotorului. Deoarece fluxul de scurgere a rotorului 0 este semnificativ mai mic decât fluxul din spațiul mașinii H, t atunci, dacă legătura fluxului rotorului este constantă, putem presupune că proiecția vectorului curent al statorului pe axa de coordonate v eu v este egal cu |/"| sau /

Avantajul sistemului de coordonate adoptat u-v pentru construirea unui sistem de control vectorial al cuplului și al vitezei unui motor asincron este că cuplul motorului (6.54) este definit ca produsul scalar a doi vectori reciproc perpendiculari: legătura fluxului rotor *P și componenta activă a curentului statorului. Această definiție a cuplului este tipică, de exemplu, pentru motoarele de curent continuu cu excitație independentă, cea mai convenabilă pentru construirea unui sistem de control automat.

Sistem de control vectorial. Schema structurală a unui astfel de management se bazează pe următoarele principii:

• ? un sistem de control cu ​​două canale constă dintr-un canal pentru stabilizarea legăturii fluxului rotorului și un canal pentru reglarea vitezei (cuplului);
• ? ambele canale trebuie să fie independente, adică modificările valorilor reglementate ale unui canal nu ar trebui să-l afecteze pe celălalt;
• ? canalul de control al vitezei (cuplului) controlează componenta curentului statorului /v. Algoritmul pentru funcționarea buclei de control al cuplului este același ca și în sistemele de control al vitezei slave ale motoarelor de curent continuu (vezi § 5.6) - semnalul de ieșire al regulatorului de viteză este o referință la cuplul motorului. Prin împărțirea valorii acestei sarcini la modulul de legătură a fluxului rotorului Și obținem sarcina pentru componenta curentului stator i v (Fig. 6.32);
• ? fiecare canal conţine un circuit intern de curenţi /v şi eu si cu autoritățile de reglementare actuale care asigură calitatea necesară a reglementării;
• ? valorile curente obţinute i v și eu si prin transformări de coordonate sunt convertite în valori in absentași / p al unui sistem de coordonate fixe cu două faze a - (3 și apoi în sarcina curenților reali în înfășurările statorului într-un sistem de coordonate trifazat a-b-c;
• ? Semnalele de viteză, unghiul de rotație a rotorului și curenții din înfășurările statorului necesari pentru calcule și formarea feedback-ului sunt măsurate de senzori corespunzători și apoi, folosind transformări de coordonate inverse, sunt convertite în valorile acestor mărimi corespunzătoare axelor de coordonate. u-v.

Orez.

Un astfel de sistem de control asigură controlul la viteză mare al cuplului și, în consecință, viteza în cel mai larg interval posibil (peste 10.000:1). În acest caz, valorile cuplului instantaneu ale unui motor asincron pot depăși semnificativ valoarea nominală a cuplului critic.

Pentru ca canalele de control să fie independente unele de altele, este necesar să se introducă semnale de compensare încrucișată e K0MPU și e compm la intrarea fiecărui canal (vezi Fig. 6.32). Găsim valoarea acestor semnale din ecuațiile circuitului stator (6.54). După ce a exprimat și CHK 1y prin curenții și inductanțele corespunzătoare (1.4) și ținând cont de faptul că atunci când axa este orientată Și de-a lungul vectorului de legătură flux rotor Х / |у =0 se obține:

De unde o găsim?

Unde coeficient de disipare.

Înlocuind (6.55) în (6.54) și ținând cont de faptul că în sistemul de control luat în considerare d x V 2u /dt = 0, primim

sau

noi constante de timp; e și e v - EMF de rotație de-a lungul axelor u- v

Pentru a seta cantități independente eu siși /v trebuie compensat e șiȘi e v introducerea tensiunilor de compensare:

Pentru a implementa principiile controlului vectorial, este necesar să se măsoare sau să se calculeze direct folosind un model matematic (estimare) modulul și poziția unghiulară a vectorului de legătură a fluxului rotorului. Schema funcțională a controlului vectorial al unui motor asincron cu măsurarea directă a debitului în întrefierul mașinii folosind senzori Hall este prezentată în Fig. 6.33.

Orez. B.ZZ. Diagrama funcțională a controlului vectorial direct al unui motor asincron

Circuitul conține două canale de control: un canal de control (stabilizare) pentru legătura fluxului rotorului *P 2 și un canal de control al vitezei. Primul canal conține o buclă de legătură de flux de rotor extern care conține un controler de legătură de flux PI RP și feedback de legătură de flux, al cărui semnal este generat folosind senzori Hall care măsoară debitul în golul mașinii. X? T de-a lungul axelor ai(3. Valorile reale ale fluxului sunt apoi recalculate în blocul PP în valorile legăturii fluxului rotorului de-a lungul axelor a și p și folosind filtrul vectorial VF, modulul legăturii fluxului rotorului este găsit vector, care este furnizat ca semnal de feedback negativ către regulatorul de legătură de flux RP și este folosit ca divizor în canalul de control al vitezei.

În primul canal, circuitul de curent intern este subordonat circuitului de legătură de flux eu si, conținând un regulator de curent PI PT1 și feedback asupra valorii actuale a curentului / 1i, calculată din valorile reale ale curenților de fază a statorului folosind convertorul de fază PF2 și convertorul de coordonate KP1. Ieșirea regulatorului de curent PT1 este setarea tensiunii Ulu, la care se adaugă semnalul de compensare al celui de-al doilea canal e kshpi(6,57). Semnalul de setare a tensiunii recepționat este convertit prin intermediul convertoarelor de coordonate KP2 și de fază PF2 în valori specificate și faze de tensiune la ieșirea convertizorului de frecvență.

Canalul de control al legăturii fluxului rotorului asigură că legătura fluxului Ch* 2 rămâne constantă în toate modurile de funcționare a acționării la nivelul valorii specificate x P 2set. Dacă este necesară slăbirea câmpului, H*^ poate varia în anumite limite cu o rată mică de modificare.

Al doilea canal este conceput pentru a regla viteza (cuplul) motorului. Conține o buclă de viteză externă și o buclă de curent internă subordonată / 1у. Comanda vitezei vine de la generatorul de intensitate, care determină accelerația și valoarea necesară a vitezei. Feedback-ul vitezei este implementat printr-un senzor de viteză DS sau un senzor de poziție unghiulară a rotorului.

Controlerul de viteză PC este adoptat ca proporțional sau proporțional-integral, în funcție de cerințele pentru acționarea electrică. Ieșirea regulatorului de viteză este comanda pentru cuplul dezvoltat de motorul L/R. Deoarece cuplul este egal cu produsul curentului prin legătura de flux al rotorului H / 2, atunci prin împărțirea valorii de setare a cuplului în blocul de diviziune DB M înapoi pe Ch / 2, obținem valoarea de setare curentă, care este furnizată la intrarea regulatorului de curent PT2. Procesarea ulterioară a semnalului este similară cu primul canal. Ca urmare, obținem o sarcină pentru tensiunea de alimentare a motorului pe fază, care determină valoarea și poziția spațială în fiecare moment de timp a vectorului generalizat al tensiunii statorice!? Rețineți că semnalele referitoare la variabilele din coordonatele - sunt semnale de curent continuu, iar semnalele care reflectă curenții și tensiunile în coordonatele aerului sunt semnale de curent alternativ care determină nu numai modulul, ci și frecvența și faza tensiunii și curentului corespunzătoare.

Sistemul de control vectorial considerat este implementat în prezent în formă digitală pe baza de microprocesoare. Au fost dezvoltate și utilizate pe scară largă diferite scheme de control al vectorului structural, care diferă în detaliu de cea luată în considerare. Astfel, în prezent, valorile reale ale legăturilor de flux nu sunt măsurate de senzori de flux magnetic, ci sunt calculate folosind un model matematic al motorului, bazat pe curenții și tensiunile de fază măsurate.

În general, controlul vectorial poate fi evaluat ca fiind cea mai eficientă modalitate de a controla motoarele de curent alternativ, oferind o precizie ridicată și viteză de control.

Pentru a regla viteza unghiulară de rotație a rotorului, precum și cuplul pe arborele motoarelor moderne fără perii, se utilizează controlul vectorial sau scalar al acționării electrice.

Controlul scalar al unui motor asincron a devenit cel mai răspândit, când pentru a controla, de exemplu, viteza de rotație a unui ventilator sau a unei pompe, este suficient să mențineți constantă viteza de rotație a rotorului; pentru aceasta, un semnal de feedback de la un senzor de presiune sau un senzorul de viteza este suficient.

Principiul controlului scalar este simplu: amplitudinea tensiunii de alimentare este o funcție de frecvență, iar raportul dintre tensiune și frecvență este aproximativ constant.

Tipul specific al acestei dependențe este asociat cu sarcina pe arbore, dar principiul rămâne același: creștem frecvența, iar tensiunea crește proporțional în funcție de caracteristicile de sarcină ale unui motor dat.

Ca urmare, fluxul magnetic în spațiul dintre rotor și stator este menținut aproape constant. Dacă raportul tensiune-frecvență se abate de la cel nominal pentru un anumit motor, atunci motorul va fi fie supraexcitat, fie subexcitat, ceea ce va duce la pierderi ale motorului și întreruperi în procesul de lucru.

Astfel, controlul scalar face posibilă obținerea unui cuplu aproape constant pe arbore în intervalul de frecvență de funcționare, indiferent de frecvență, cu toate acestea, la viteze mici, cuplul încă scade (pentru a preveni acest lucru, este necesar să se mărească tensiunea- raportul la frecvență), astfel încât pentru fiecare motor există un domeniu de control scalar de funcționare strict definit.

În plus, este imposibil să construiți un sistem scalar de control al vitezei fără un senzor de viteză montat pe arbore, deoarece sarcina afectează foarte mult decalajul vitezei reale de rotație a rotorului față de frecvența tensiunii de alimentare. Dar chiar și cu un senzor de viteză, cu control scalar nu va fi posibilă reglarea cuplului cu o precizie ridicată (cel puțin într-un mod care ar fi fezabil din punct de vedere economic).

Aici se află deficiențele controlului scalar, explicând numărul relativ mic de domenii de aplicare a acestuia, limitate în principal la motoarele asincrone convenționale, unde dependența alunecării de sarcină nu este critică.

Pentru a scăpa de aceste neajunsuri, încă din 1971, inginerii Siemens au propus utilizarea controlului vector al motorului, în care controlul este efectuat cu feedback asupra mărimii fluxului magnetic. Primele sisteme de control vectorial au conținut senzori de flux în motoare.

Astăzi, abordarea acestei metode este oarecum diferită: un model matematic al motorului vă permite să calculați viteza de rotație a rotorului și cuplul arborelui în funcție de curenții de fază curenti (de frecvența și magnitudinea curenților din înfășurările statorului).

Această abordare mai progresivă face posibilă reglarea independentă și aproape fără inerție atât a cuplului pe arbore, cât și a vitezei de rotație a arborelui sub sarcină, deoarece procesul de control ia în considerare și fazele curenților.

Unele sisteme de control vectoriale mai precise sunt echipate cu circuite de feedback al vitezei, iar sistemele de control fără senzori de viteză sunt numite fără senzori.

Deci, în funcție de domeniul de aplicare a unei anumite acționări electrice, sistemul său de control vectorial va avea propriile sale caracteristici și propriul grad de precizie de reglare.

Când cerințele pentru precizia controlului vitezei permit o abatere de până la 1,5%, iar domeniul de reglare nu depășește 1 până la 100, atunci un sistem fără senzori este destul de potrivit. Dacă este necesară precizia controlului vitezei cu o abatere de cel mult 0,2% și intervalul este redus la 1 la 10.000, atunci este necesar feedback de la senzorul de viteză de pe arbore. Prezența unui senzor de viteză în sistemele de control vectorial permite controlul precis al cuplului chiar și la frecvențe joase de până la 1 Hz.

Deci, controlul vectorial oferă următoarele avantaje. Control de înaltă precizie al vitezei de rotație a rotorului (și fără un senzor de viteză pe acesta) chiar și în condiții de schimbare dinamică a sarcinii pe arbore și nu vor exista smucituri. Rotire lină și uniformă a arborelui la viteze mici. Eficiență ridicată datorită pierderilor reduse în condiții de caracteristici optime ale tensiunii de alimentare.

Controlul vectorial nu este lipsit de dezavantaje. Complexitatea operațiilor de calcul. Necesitatea de a seta datele inițiale (parametri variabili de unitate).

Pentru o unitate electrică de grup, controlul vectorial este în mod fundamental nepotrivit; controlul scalar este mai potrivit aici.