Векторне керування
Векторне керуванняє методом управління синхронними та асинхронними двигунами, не тільки формує гармонічні струми (напруги) фаз (скалярне управління), але і забезпечує управління магнітним потоком ротора. Перші реалізації принципу векторного управління та алгоритми підвищеної точності потребують застосування датчиків положення (швидкості) ротора.
У загальному випадку під " векторним керуванням"Розуміється взаємодія керуючого пристрою з так званим "просторовим вектором", який обертається з частотою поля двигуна.
Математичний апарат векторного керування
Wikimedia Foundation. 2010 .
Дивитись що таке "Векторне управління" в інших словниках:
Калька з ним. Vektorregelung. Метод керування швидкістю обертання та/або моментом електричного двигуна за допомогою впливу перетворювачем електроприводу на векторні складові струму статора електродвигуна. У російськомовній літературі … Вікіпедія
Розв'язання задачі оптимального управління математичної теорії, в якій управляюча дія u = u (t). формується у вигляді функції часу (тим самим передбачається, що в процесі процесу ніякої інформації, крім заданої на самому початку, в систему ... Математична енциклопедія
- (Частотно керований привід, ЧУП, Variable Frequency Drive, VFD) система управління частотою обертання ротора асинхронного (або синхронного) електродвигуна. Складається з власне електродвигуна та частотного перетворювача … Вікіпедія
Цей термін має й інші значення, див. ЧПУ (значення). Цю сторінку пропонується поєднати з CNC. Пояснення причин та обговорення на сторінці Вікіпедія: До об'єднання/25 … Вікіпедія
Статор та ротор асинхронної машини 0.75 кВт, 1420 об/хв, 50 Гц, 230 400 В, 3.4 2.0 A Асинхронна машина це електрична машина змінного струму … Вікіпедія
- (ДПР) деталь електродвигуна. У колекторних електродвигунах датчиком положення ротора є щітково колекторний вузол, він є і комутатором струму. У безколекторних електродвигунах датчик положення ротора може бути різних видів … Вікіпедія
ДС3 ДС3 010 Основні дані Країна … Вікіпедія
Асинхронна машина це електрична машина змінного струму, частота обертання ротора якої дорівнює (менше) частоті обертання магнітного поля, створюваного струмом обмотки статора. Асинхронні машини найпоширеніші електричні ... Вікіпедія
Найбільш відомий метод економії енергії – скорочення частоти обертання електродвигуна змінного струму. Оскільки потужність пропорційна кубу швидкості обертання валу, невелике зниження швидкості може призвести до значної економії електрики. Наскільки це є актуальним для виробництва, розуміє кожен. Але як цього досягти? На це та інші питання ми відповімо, але перш за все, поговоримо про види керування асинхронними двигунами.
Електричний привід змінного струму – це електромеханічна система, яка є основою більшості технологічних процесів. Важлива роль у ній належить перетворювачу частоти (ПЧ), що відповідає великій «грі головної скрипки дуету»-асинхронного двигуна (АТ).
Трохи елементарної фізики
Зі шкільної лави ми маємо ясне уявлення про те, що напруга – це різниця потенціалів між двома точками, а частота – це величина, що дорівнює кількості періодів, які струм встигає пройти буквально за секунду.
У межах технологічного процесу часто доводиться змінювати робочі параметри мережі. Для цієї мети існують перетворювачі частоти: скалярний та векторний. Чому їх так називають? Почнемо з того, що особливі риси кожного типу стають зрозумілими з їхньої назви. Згадаймо основи елементарної фізики та дозволимо собі називати ПЧ для спрощення коротшим. "Векторник" має певний напрямок і підпорядковується правилам векторів. Скалярник нічого цього не має, тому алгоритм методу управління ним, природно, дуже простий. Із назвами, здається, визначились. Тепер про те, як різні фізичні величини з математичних формул пов'язані між собою.
Пам'ятайте, що як тільки швидкість зменшується, момент, що обертає, збільшується і навпаки? Значить, чим більше обертання ротора, тим більший потік піде через статор, і, отже, буде наводитися більша напруга.
Те саме лежить у принципі дії в системах, що розглядаються нами, тільки в «скалярнику» управляється магнітне поле статора, а в «векторнику» грає роль взаємодія магнітних полів статора і ротора. В останньому випадку технологія дозволяє покращувати технічні параметри роботи рухової установки.
Технічні відмінності перетворювачів
Відмінностей існує багато, виділимо найголовніші і без наукової павутини слів. У скалярного (бездатчикового) частотника залежність U/F – лінійна та діапазон швидкісного регулювання досить невеликий. До речі, тому на низьких частотах немає напруги для підтримки крутного моменту, і доводиться часом налаштовувати вольт-частотну характеристику (ВЧХ) під робочі умови, те саме відбувається при максимальній частоті вище 50 Гц.
При обертанні валу в широкому швидкісному та низькочастотному діапазоні, а також виконанні вимог авторегулювання моменту використовують метод векторного управління зі зворотним зв'язком. У цьому виявляється ще одна відмінність: у «скалярника» зазвичай такого зворотного зв'язку немає.
Які ж обрати НП? У застосуванні того чи іншого пристрою головним чином керуються сферою використання електричного приводу. Однак у особливих випадках вибір типу перетворювача частоти стає безваріантним. По-перше: є явна, помітна різниця в ціні (скалярні коштують набагато дешевше, немає потреби у дорогих обчислювальних ядрах). Тому здешевлення виробництва часом переважує у прийнятті рішення щодо вибору. По-друге: є сфери застосування, у яких можливе лише їх використання, наприклад, у конвеєрних лініях, де кілька електродвигунів синхронно керуються від одного (ЧРП).
Скалярний метод
Асинхронний електропривід зі скалярним керуванням швидкістю (тобто по ВЧХ) так і залишається по сьогодні найпоширенішим. В основі методу лежить те, що швидкість двигуна є функцією вихідної частоти.
Скалярне керування двигунами - оптимальний вибір для випадків, коли немає змінного навантаження, і в хорошій динаміці немає потреби. Для роботи «скалярника» не потрібні будь-які датчики. При використанні аналізованого методу немає необхідності в дорогому цифровому процесорі, як у випадку з векторним управлінням.
Метод часто застосовується для автоуправління, вентиляторними, компресорними та іншими агрегатами. Тут потрібно, щоб підтримувалася або швидкість обертання вала двигуна із застосуванням датчика, або інший заданий показник (наприклад, температура рідини, контрольована за відповідним приладом стеження).
При скалярному управлінні частотно-амплітудна зміна напруги живлення визначається за формулою U/fn = const. Це дозволяє забезпечити постійний магнітний потік двигуна. Спосіб досить простий, легко реалізується, але не без деяких суттєвих недоліків:
- неможливо одночасне регулювання моментом і швидкістю, тому вибирається та величина, яка з технологічної точки зору найзначніша;
- вузький діапазон швидкісного регулювання та низький момент на малих швидкостях;
- погана робота з навантаженням, що динамічно змінюється.
А що являє собою векторний метод?
Векторний метод
Він виник у процесі удосконалення, і застосовується при вимогі реалізувати максимальну швидкодію, регулювання у широкому швидкісному діапазоні та керованість моменту на валу.
У нових моделях електричних приводів у систему управління (СУ) з цього типу впроваджується математична модель двигуна, яка здатна розрахувати момент двигуна і швидкість обертання вала. У цьому потрібно лише встановлення датчиків струму фаз статора.
Сьогодні мають достатню кількість переваг:
- висока точність;
- без ривків, плавне обертання АТ;
- широкий діапазон регулювання;
- швидке реагування зміну навантаження;
- забезпечення робочого режиму двигуна, при якому зменшуються втрати на нагрівання та намагнічування, а це веде до заповітного збільшення ККД!
Плюси, безумовно, очевидні, але метод векторного управління не позбавлений і недоліків, таких як обчислювальна складність і потреба у знанні технічних показників АТ. Крім цього, спостерігаються більші, ніж у «скалярника», амплітуди швидкісних коливань при постійному навантаженні. Головне завдання при виготовленні частотного перетворювача («Векторника») - забезпечення високого моменту при невеликій швидкості обертання.
Схема векторного СУ з блоком широтно-імпульсної модуляції (АІН ШІМ) виглядає приблизно так:
На зображеній схемою контрольованим об'єктом є асинхронний двигун, що має зв'язок із датчиком (ДС) на валу. Зображені блоки – це ланки ланцюга СУ, реалізованої на контролері. Блок БЗП визначає значення змінних. Логічні блоки (БРП) та (БВП) регулюють та обчислюють змінні рівняння. Сам контролер та інша механічна частина системи знаходиться в електричній шафі.
Варіант із частотним мікроконтролером
Частотний перетворювач струму/напруги призначений для плавного регулювання основних величин та інших показників роботи обладнання. Він функціонує як «скалярник» та «векторник» одночасно, використовуючи математичні моделі, запрограмовані у вбудованому мікроконтролері. Останній монтується у спеціальний щиток і є одним із вузлів інформаційної мережі системи автоматизації.
Блоковий контролер/перетворювач частоти останнє слово техніки, у схемі з ними використовують дроселя і зменшують інтенсивність вхідних перешкод. Треба відзначити, що за кордоном даному питанню приділяється особлива увага. У вітчизняній практиці використання ЕМС фільтрів поки залишається слабкою ланкою, так як навіть не існує тлумачної нормативної бази. Самі фільтри у нас застосовуються частіше там, де вони не потрібні і де вони дійсно необхідні, про них чомусь забувають.
Висновок
Справа в тому, що електродвигуну у звичайному режимі роботи від мережі властиво мати стандартні параметри, це не завжди прийнятно. Усувається цей факт шляхом введення різних редукторних механізмів зниження частоти до необхідної. На сьогодні сформувалися дві СУ: бездатчикова та датчикова система із зворотним зв'язком. Їхня основна відмінність у точності контролю. Найбільш точна, звісно, друга.
Існуючі рамки розширюються за допомогою використання різних сучасних СУ АТ, що забезпечують підвищену якість регулювання, високу здатність до перевантаження. Для рентабельного виробництва, тривалості терміну служби обладнання та економічної витрати енергії ці фактори мають велике значення.
Дмитро Льовкін
Скалярне керування(частотне) - метод управління безщітковим змінного струму, який полягає в тому, щоб підтримувати постійним відношення напруга/частота (В/Гц) у всьому робочому діапазоні швидкостей, при цьому контролюється тільки величина і частота напруги живлення.
Відношення В/Гц обчислюється на основі номінальних значень (і частоти) контрольованого електродвигуна змінного струму. Підтримуючи постійним значення відношення В/Гц, ми можемо підтримувати відносно постійним магнітний потік у зазорі двигуна. Якщо відношення В/Гц збільшується тоді електродвигун стає перезбудженим і навпаки, якщо відношення зменшується, двигун перебуває в недозбудженому стані.
Зміна напруги живлення електродвигуна при скалярному керуванні
На низьких оборотах необхідно компенсувати падіння напруги на опорі статора, тому відношення В/Гц на низьких оборотах встановлюють вище ніж номінальне значення. Скалярний метод управління найбільше широко використовується для управління асинхронними електродвигунами.
У застосуванні до асинхронних двигунів
При скалярному методі управління швидкість контролюється установкою величини напруги і частоти статора, таким чином, щоб магнітне поле в зазорі підтримувалося на потрібній величині. Для підтримки постійного магнітного поля в зазорі відношення В/Гц має бути постійним на різних швидкостях.
При збільшенні швидкості напруга живлення статора так само має збільшуватися пропорційно. Однак синхронна частота асинхронного двигуна не дорівнює частоті обертання валу, а залежить від навантаження. Таким чином, система контролю зі скалярним управлінням без зворотного зв'язку не може точно контролювати швидкість за наявності навантаження. Для вирішення цієї задачі в систему може бути додано зворотний зв'язок за швидкістю, а отже і компенсація ковзання.
Недоліки скалярного керування
- Метод скалярного управліннявідносно простий у реалізації, але має кілька суттєвих недоліків:
- по-перше, якщо не встановлений датчик швидкості не можна керувати швидкістю обертання валу , оскільки вона залежить від навантаження (наявність датчика швидкості вирішує цю проблему), а у разі при зміні навантаження - можна зовсім втратити управління;
- по-друге, не можна керувати. Звичайно, це завдання можна вирішити за допомогою датчика моменту, але вартість його установки дуже висока, і буде швидше за все вище самого електроприводу. При цьому керування моментом буде дуже інерційним;
- також не можна керувати одночасно моментом та швидкістю.
Скалярне керування достатньо більшості завдань у яких застосовується електропривод з діапазоном регулювання частоти обертання двигуна до 1:10.
Коли потрібна максимальна швидкодія, можливість регулювання широкому діапазоні швидкостей і можливість управління моментом електродвигуна використовується .
Згідно з останніми даними статистики приблизно 70% усієї виробленої електроенергії у світі споживає електропривод. І з кожним роком цей відсоток зростає.
При правильно підібраному способі керування електродвигуном можливе отримання максимального ККД, максимального моменту, що крутить, на валу електромашини, і при цьому підвищиться загальна продуктивність механізму. Електродвигуни, що ефективно працюють, споживають мінімум електроенергії і забезпечують максимальну економічність.
Для електродвигунів, що працюють від перетворювача частоти ПЧ, ефективність багато в чому залежатиме від обраного способу керування електричною машиною. Тільки зрозумівши переваги кожного способу, інженери та проектувальники систем електроприводів зможуть отримати максимальну продуктивність кожного способу управління.
Зміст:
Способи контролю
Багато людей, що працюють у сфері автоматизації, але не стикаються впритул з процесами розробки та впровадження систем електроприводів вважають, що керування електродвигуном складається з послідовності команд, що вводяться за допомогою інтерфейсу від пульта керування або ПК. Так, з точки зору загальної ієрархії управління автоматизованою системою це правильно, проте є ще способи керування самим електродвигуном. Саме ці способи і матимуть максимальний вплив на продуктивність всієї системи.
Для асинхронних електродвигунів, підключених до перетворювача частоти, існує чотири основні способи управління:
- U/f - вольт на герц;
- U/f з енкодером;
- Векторне керування із розімкненим контуром;
- Векторне керування із замкнутим контуром;
Усі чотири методи використовують широтно-імпульсну модуляцію ШІМ, яка змінює ширину фіксованого сигналу шляхом зміни тривалості імпульсів для створення аналогового сигналу.
Широтно-імпульсна модуляція застосовується до перетворювача частоти шляхом використання фіксованої напруги постійного струму шини. шляхом швидкого відкриття та закриття (правильніше сказати комутації) генерують вихідні імпульси. Варіюючи ширину цих імпульсів на виході отримують «синусоїду» потрібної частоти. Навіть якщо форма вихідної напруги транзисторів імпульсна, то струм все одно виходить у вигляді синусоїди, оскільки електродвигун має індуктивність, що впливає на форму струму. Всі методи управління ґрунтуються на ШІМ модуляції. Різниця між методами управління полягає лише в методі обчислення напруги, що подається на електродвигун.
В даному випадку несуча частота (показана червоним) є максимальною частотою комутації транзисторів. Частота, що несе для інверторів, як правило, лежить в межах 2 кГц – 15 кГц. Опорна частота (показана синім) є сигналом завдання вихідної частоти. Для інверторів застосовних у стандартних системах електроприводів, зазвичай, лежить у межах 0 Гц – 60 Гц. При накладанні сигналів двох частот один на одного видаватиметься сигнал відкривання транзистора (позначений чорним кольором), який підводить силову напругу до електродвигуна.
Спосіб управління U/F
Управління вольт-на-герц, найчастіше зване як U/F, мабуть, найпростіший спосіб регулювання. Він часто використовується в нескладних системах електроприводу через свою простоту та мінімальну кількість необхідних для роботи параметрів. Такий спосіб керування не вимагає обов'язкової установки енкодера та обов'язкових налаштувань для частотно-регульованого електроприводу (але рекомендовано). Це призводить до менших витрат на допоміжне обладнання (датчики, проводи зворотних зв'язків, реле тощо). Управління U/F досить часто застосовують у високочастотному обладнанні, наприклад його часто використовують у верстатах з ЧПУ для приводу обертання шпинделя.
Модель з постійним моментом обертання має постійний момент, що обертає, у всьому діапазоні швидкостей при однаковому співвідношенні U/F. Модель із змінним співвідношенням крутного моменту має нижчу напругу живлення на низьких швидкостях. Це необхідно для запобігання насиченню електричної машини.
U/F це єдиний спосіб регулювання швидкості асинхронного електродвигуна, який дозволяє регулювання декількох електроприводів від одного перетворювача частоти. Відповідно, всі машини запускаються і зупиняються одночасно і працюють з однією частотою.
Але цей метод управління має кілька обмежень. Наприклад, при використанні способу регулювання U/F без енкодера немає абсолютно ніякої впевненості, що вал асинхронної машини обертається. Крім того, пусковий момент електричної машини за частотою 3 Гц обмежується 150%. Так, обмеженого моменту, що крутить, більш ніж достатньо для застосування в більшості існуючого обладнання. Наприклад, практично всі вентилятори та насоси використовують спосіб регулювання U/F.
Цей метод відносно простий через його «вільнішу» специфікацію. Регулювання швидкості, зазвичай, лежить у діапазоні 2% — 3% максимальної вихідний частоти. Відгук швидкості розраховується на частоту понад 3 Гц. Швидкість реагування частотного перетворювача визначається швидкістю його реакцію зміну опорної частоти. Що швидкість реагування – то швидше буде реакція електроприводу зміну завдання швидкості.
Діапазон регулювання швидкості при використанні способу U/F становить 1:40. Помноживши це співвідношення на максимальну робочу частоту електроприводу, отримаємо значення мінімальної частоти, де зможе працювати електрична машина. Наприклад, якщо максимальне значення частоти 60 Гц, а діапазон становить 1:40, мінімальне значення частоти складе 1,5 Гц.
Паттерн U/F визначає співвідношення частоти та напруги в процесі роботи частотно-регульованого електроприводу. Згідно з ним, крива завдання швидкості обертання (частота електродвигуна) визначатиме крім значення частоти ще й значення напруги, що підводиться до клем електричної машини.
Оператори та технічні фахівці можуть вибрати необхідний шаблон регулювання U/F одним параметром у сучасному частотному перетворювачі. Попередньо встановлені шаблони вже оптимізовані під конкретні застосування. Також існують можливості створення своїх шаблонів, які оптимізуватимуться під конкретну систему частотно-регульованого електроприводу або електродвигуна.
Такі пристрої, як вентилятори або насоси, мають момент навантаження, який залежить від швидкості їх обертання. Змінний крутний момент (рисунок вище) шаблону U/F запобігає помилкам регулювання та підвищує ефективність. Ця модель регулювання зменшує струми намагнічування на низьких частотах за рахунок зниження напруги електричної машини.
Механізми з постійним моментом, що крутить, такі як конвеєри, екструдери та інше обладнання використовують спосіб регулювання з постійним моментом. При постійному навантаженні потрібен повний струм намагнічування на всіх швидкостях. Відповідно характеристика має прямий нахил у всьому діапазоні швидкостей.
Спосіб управління U/F з енкодером
Якщо необхідно підвищити точність регулювання швидкості обертання до системи управління додають енкодер. Введення зворотного зв'язку за швидкістю за допомогою енкодера дозволяє підвищити точність регулювання до 0,03%. Вихідна напруга, як і раніше, буде визначатися заданим шаблоном U/F.
Даний спосіб управління не отримав широкого застосування, так як переваги, що їм представляються в порівнянні зі стандартними функціями U/F мінімальні. Пусковий момент, швидкість відгуку та діапазон регулювання швидкості – все ідентично зі стандартним U/F. Крім того, при підвищенні робочих частот можуть виникнути проблеми з роботою енкодера, оскільки він має обмежену кількість обертів.
Векторне керування без зворотного зв'язку
Векторне управління без зворотного зв'язку використовується для більш широкого і динамічного регулювання швидкості електричної машини. При пуску від перетворювача частоти електродвигуни можуть розвивати пусковий момент 200% від номінального при частоті всього 0,3 Гц. Це значно розширює перелік механізмів, де може бути застосований асинхронний електропривод із векторним керуванням. Цей метод також дозволяє керувати моментом машини у всіх чотирьох квадрантах.
Обмеження крутного моменту здійснюється двигуном. Це необхідно для запобігання пошкодженню обладнання, машин чи продукції. Значення моментів розбивають на чотири різних квадранти, залежно від напрямку обертання електричної машини (вперед або назад) і в залежності від того, чи реалізує електродвигун . Обмеження можуть встановлюватися для кожного квадранта окремо або користувач може задати загальний крутний момент у перетворювачі частоти.
Режим асинхронної машини буде за умови, що магнітне поле ротора відстає від магнітного поля статора. Якщо магнітне поле ротора почне випереджати магнітне поле статора, тоді машина увійде в режим рекуперативного гальмування з віддачею енергії, простіше кажучи - асинхронний двигун перейде в генераторний режим.
Наприклад, машина закупорювання пляшок може використовувати обмеження моменту в квадранті 1 (напрямок вперед з позитивним моментом) для запобігання надмірному затягуванню кришки пляшки. Механізм здійснює рух уперед і використовує позитивний момент для того, щоб закрутити кришку пляшки. А ось пристрій, такий як ліфт, з противагою важчою, ніж порожня кабіна, використовуватиме квадрант 2 (зворотне обертання і позитивний момент). Якщо кабіна піднімається на верхній поверх, то момент, що крутить, буде протилежний швидкості. Це необхідне обмеження швидкості підйому і недопущення вільного падіння противаги, оскільки він важчий, ніж кабіна.
Зворотний зв'язок струму в даних перетворювачах частоти ПЧ дозволяє встановлювати обмеження по моменту і струму електродвигуна, оскільки при збільшенні струму зростає і момент. Вихідна напруга ПЧ може зміняться у бік збільшення, якщо механізм вимагає застосування більшого крутного моменту, або зменшаться, якщо досягнуто його гранично допустиме значення. Це робить принцип векторного керування асинхронною машиною більш гнучким та динамічним порівняно з принципом U/F.
Також частотні перетворювачі з векторним управлінням і розімкненим контуром мають швидший відгук за швидкістю – 10 Гц, що уможливлює його застосування в механізмах з ударними навантаженнями. Наприклад, у дробарках гірської породи навантаження постійно змінюється і залежить від обсягу та габаритів оброблюваної породи.
На відміну від шаблону управління U/F векторне управління використовує векторний алгоритм для визначення максимально ефективної напруги роботи електродвигуна.
Векторне управління ВУ вирішує це завдання завдяки наявності зворотного зв'язку по струму двигуна. Як правило, зворотний зв'язок струму формується внутрішніми трансформаторами струму самого перетворювача частоти ПЧ. Завдяки отриманому значенню струму перетворювач частоти проводить обчислення моменту, що обертає, і потоку електричної машини. Базовий вектор струму двигуна математично розщеплюється на вектор струму намагнічування (I d) і моменту, що крутить (I q).
Використовуючи дані та параметри електричної машини ПЧ обчислює вектори струму намагнічування (I d) та крутного моменту (I q). Для досягнення максимальної продуктивності перетворювач частоти повинен тримати I d і I q розведеними на кут 90 0 . Це суттєво, оскільки sin 90 0 = 1, а значення 1 являє собою максимальне значення моменту, що крутить.
У цілому нині векторне управління асинхронним електродвигуном здійснює жорсткіший контроль. Регулювання швидкості становить приблизно ±0,2% від максимальної частоти, а діапазон регулювання досягає 1:200, що дозволяє зберігати момент, що обертає, при роботі на низьких швидкостях.
Векторне керування зі зворотним зв'язком
Векторне управління зі зворотним зв'язком використовує той самий алгоритм управління, що і ВП без зворотного зв'язку. Основна відмінність полягає в наявності енкодера, що дає можливість частотно-регульованому електроприводу розвивати 200% пусковий момент при швидкості 0 об/хв. Цей пункт просто необхідний створення початкового моменту при рушанні з місця ліфтів, кранів та інших підйомних машин, ніж запобігти просадки вантажу.
Наявність датчика зворотного зв'язку швидкості дозволяє збільшити час відгуку системи більше 50 Гц, а також розширити діапазон регулювання швидкості до 1:1500. Також наявність зворотний зв'язок дозволяє керувати не швидкістю електричною машиною, а моментом. У деяких механізмах саме значення моменту має велике значення. Наприклад, мотальна машина, механізми закупорки та інші. У таких пристроях потрібно регулювати момент машини.
Для здійснення можливості регулювання моменту та швидкості в сучасних електроприводах використовуються такі методи частотного керування, такі як:
- векторні;
- Скалярне.
Найбільшого поширення набули асинхронні електроприводи зі скалярним управлінням. Його використовують у приводах компресорів, вентиляторів, насосів та інших механізмів у яких необхідно утримувати на певному рівні або швидкість обертання валу електродвигуна (застосовується датчик швидкості), або якогось технологічного параметра (наприклад, тиск у трубопроводі, із застосуванням відповідного датчика).
Принцип дії скалярного управління асинхронним двигуном - амплітуда і частота напруги змінюються за законом U/f^n = const, де n>=1. Те, як виглядатиме дана залежність у конкретному випадку, залежить від вимог, що пред'являються навантаженням електроприводу. Як правило, як незалежний вплив виступає частота, а напруга при певній частоті визначається видом механічної характеристики, а також значеннями критичного та пускового моментів. Завдяки скалярному управлінню забезпечується постійна перевантажувальна здатність асинхронного двигуна, яка не залежить від частоти напруги, і все ж таки при досить низьких частотах може відбутися значне зниження моменту, що розвивається двигуном. Максимальне значення діапазону скалярного управління, при якому можливе здійснення регулювання швидкості обертання ротора електродвигуна, без втрати моменту опору не перевищує 1:10.
Скалярне управління асинхронним двигуном досить просто реалізується, але все ж таки є два значних недоліки. По-перше, якщо на валу не встановлений датчик швидкості, то неможливо здійснювати регулювання значення швидкості обертання валу, оскільки вона залежить від навантаження, що впливає на електропривод. Установка датчика швидкості з легкістю вирішує цю проблему, але ще одним значним недоліком залишається відсутність можливості регулювання значення моменту на валу двигуна. Можна, звичайно, встановити датчик моменту, але вартість подібних датчиків, як правило, перевищує вартість самого електроприводу. Причому, навіть якщо встановити датчик управління моментом, то процес управління цим моментом виявиться неймовірно інерційним. Ще одне «але» - скалярне управління асинхронним двигуном характеризується тим, що неможливе здійснення одночасного регулювання швидкості та моменту, тому доводиться здійснювати регулювання тієї величини, яка на даний момент часу найбільш важлива через умови технологічного процесу.
Щоб усунути недоліки, які має скалярне керування двигуном, ще в 71-му році минулого століття компанією SIEMENS було запропоновано впровадження методу векторного керування двигуном. У перших електроприводах із векторним керуванням використовувалися двигуни, в яких були вбудовані датчики потоку, що значно обмежувало сферу застосування подібних приводів.
Система управління сучасних електроприводів містить у собі математичну модель двигуна, що дозволяє розрахувати швидкість обертання та момент валу. Причому як необхідні датчики встановлюються тільки датчики струму фаз статора двигуна. Спеціально розроблена структура системи управління забезпечує незалежність та практично безінерційність регулювання основних параметрів – момент валу та швидкість обертання валу.
До сьогоднішнього дня сформувалися такі системи векторного керування асинхронним двигуном:
- Бездатчикові – на валу двигуна відсутній датчик швидкості,
- Системи, що мають зворотний зв'язок за швидкістю.
Застосування методів векторного управління залежить від сфери застосування електроприводу. Якщо діапазон вимірювання значення швидкості не перевищує 1:100, а вимоги до точності коливаються в межах ±1,5%, то використовується бездатчикова система управління. Якщо вимірювання швидкості здійснюється в межах досягаючих значень 1: 10000 і більше, а рівень точності повинен бути досить високим (±0,2% при частоті обертання нижче 1 Гц), або необхідно позиціонувати вал або здійснювати регулювання моменту на валу при низьких частотах обертання , то застосовується система, що має зворотний зв'язок за швидкістю.
Переваги векторного методу керування асинхронним двигуном:
- Високий рівень точності при регулюванні швидкості обертання валу, незважаючи навіть на можливу відсутність датчика швидкості,
- Здійснення обертання двигуна на малих частотах відбувається без ривків, плавно,
- Якщо встановлено датчик швидкості, можна досягти номінального значення моменту на валу навіть за нульовому значенні швидкості,
- Швидке реагування на можливу зміну навантаження – різкі стрибки навантаження практично не позначаються на швидкості електроприводу,
- Високий рівень ККД двигуна, за рахунок знижених втрат через намагнічування та нагрівання.
Незважаючи на очевидні переваги, метод векторного управління має і певні недоліки - велика складність обчислень, для роботи необхідне знання параметрів двигуна. Крім того, коливання значення швидкості при постійному навантаженні значно більше, ніж при скалярному методі управління. До речі, існують такі сфери, де використовуються електроприводи виключно зі скалярним методом керування. Наприклад, груповий електропривод, в якому один перетворювач живить кілька двигунів.
