Скалярное и векторное управление асинхронными двигателями — в чем различие?

Асинхронный двигатель — двигатель переменного тока, в котором токи в обмотках статора создают вращающееся магнитное поле. Это магнитное поле индуктирует токи в обмотке ротора и, действуя на эти токи, увлекает за собой ротор.

Однако для того, чтобы во вращающемся роторе вращающееся магнитное поле статора индуктировало токи, ротор в своем вращении должен немного отставать от вращающегося, поля статора. Поэтому в асинхронном двигателе скорость вращения ротора всегда немного меньше скорости вращения магнитного поля (которая определяется частотой переменного тока, питающего двигатель).

Отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора (скольжение ротора) тем больше, чем больше нагрузка двигателя. Отсутствие синхронизма между вращением ротора и магнитного поля статора — характерная черта асинхронного двигателя, от которой и происходит его название.

Вращающееся магнитное поле в статоре создается с помощью обмоток, питаемых токами, сдвинутыми по фазе. Обычно для этой цели применяется трехфазный переменный ток. Существуют также однофазные асинхронные двигатели, в которых сдвиг фаз между токами в обмотках создается включением различных реактивных сопротивлений в обмотки.

С целью регулировки угловой скорости вращения ротора, а также крутящего момента на валу современных бесщеточных двигателей, применяют либо векторное, либо скалярное управление электроприводом.

Более всего распространение получило скалярное управление асинхронным двигателем, когда для управления например скоростью вращения вентилятора или насоса, достаточно удерживать постоянной скорость вращения ротора, для этого хватает сигнала обратной связи от датчика давления или от датчика скорости.

Принцип скалярного управления прост: амплитуда питающего напряжения является функцией частоты, причем отношение напряжения к частоте оказывается приблизительно постоянным.

Конкретный вид этой зависимости связан с нагрузкой на валу, однако принцип остается таковым: повышаем частоту, а напряжение при этом пропорционально повышается в зависимости от нагрузочной характеристики данного двигателя.

В итоге магнитный поток в зазоре между ротором и статором поддерживается почти постоянным. Если же отношение напряжения к частоте отклонить от номинального для данного двигателя, то двигатель либо перевозбудится, либо недовозбудится, что приведет к потерям в двигателе и к сбоям в рабочем процессе.

Таким образом скалярное управление позволяет добиться почти постоянного момента на валу в рабочем диапазоне частот независимо от частоты, однако на низких скоростях момент все же снижается (чтобы этого не произошло, необходимо повысить отношение напряжения к частоте), поэтому для каждого двигателя имеет место строго определенный рабочий диапазон скалярного управления.

Кроме того, невозможно построить систему скалярного регулирования скорости без датчика скорости, установленного на валу, ибо нагрузка сильно влияет на отставание реальной скорости вращения ротора от частоты питающего напряжения. Но даже с датчиком скорости при скалярном управлении не получится с высокой точностью регулировать момент (по крайней мере так, чтобы это было экономически целесообразно).

В этом и заключаются недостатки скалярного управления, объясняющие относительную немногочисленность сфер его применения, ограниченных в основном обычными асинхронными двигателями, где зависимость скольжения от нагрузки не является критичной.

Для избавления от названных недостатков, в далеком 1971 году инженеры компании Сименс предложили использовать векторное управление двигателем, при котором контроль осуществляется с обратной связью по величине магнитного потока. Первые системы векторного управления содержали датчики потока в двигателях.

Сегодня подход к данному методу несколько иной: математическая модель двигателя позволяет рассчитывать скорость вращения ротора и момент на валу в зависимости от текущих токов фаз (от частоты и величин токов в обмотках статора).

Этот более прогрессивный подход предоставляет возможность независимо и почти безынерционно регулировать как момент на валу, так и скорость вращения вала под нагрузкой, ибо в процессе управления учитываются еще и фазы токов.

Некоторые более точные системы векторного управления оснащены схемами обратной связи по скорости, при этом системы управления без датчиков скорости именуются бездатчиковыми.

Так, в зависимости от области применения того или иного электропривода, его система векторного управления будет иметь свои особенности, свою степень точности регулировки.

Когда требования к точности регулировки скорости допускают отклонение до 1,5%, а диапазон регулировки — не превышает 1 к 100, то бездатчиковая система вполне подойдет. Если же требуется точность регулировки скорости с отклонением не более 0,2%, а диапазон сводится до 1 к 10000, то необходимо наличие обратной связи по датчику скорости на валу. Наличие датчика скорости в системах векторного управления позволяет точно регулировать момент даже при низких частотах до 1 Гц.

Итак, векторное управление дает следующие преимущества. Высокую точность управления скоростью вращения ротора (и без датчика скорости на нем) даже в условиях динамически изменяющейся нагрузки на валу, при этом рывков не будет. Плавное и ровное вращение вала на малых скоростях. Высокий КПД в силу низких потерь в условиях оптимальных характеристик напряжения питания.

Не обходится векторное управление без недостатков. Сложность вычислительных операций. Необходимость задавать исходные данные (параметры регулируемого привода).

Для группового электропривода векторное управление принципиально не годится, здесь лучше подойдет скалярное.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Векторное управление

Правильно выбранный способ управления электроприводами переменного тока значительно снижает потребление электроэнергии, повышает к.п.д. и дает ощутимый технический и экономический эффект.

Синхронные и асинхронные машины управляются по 2 основным законам: скалярным и векторным. Суть последнего способа – контроль амплитуды и частоты питающего напряжения как при скалярном управлении, а также фазы. То есть, регулируется не только скалярная величина контролируемых характеристик, но и их векторная составляющая.

Векторный способ позволяет изменять скорость вала и момент одновременно, значительно увеличивает точность регулирования во всем диапазоне, уменьшает потери на намагничивание и нагрев, обеспечивает плавное вращения ротора без рывков на небольших скоростях. Метод также позволяет подстраивать момент на валу при переменной нагрузке без изменения частоты вращения.

На схеме представлена типовая схема векторного управления электроприводом, где:

• АД – электрический двигатель.
• БРП – блок регуляторов суммирования входных сигналов и сигналов обратной связи.
• БВП – блок вычисления и преобразования импульсов обратной связи.
• БЗП – задающий блок.
• ДС – датчик скорости вала электродвигателя.
• АИН ШИМ – блок амплитудно-импульсной или широтно-импульсной модуляции частоты питающего напряжения.

Принцип ее работы основан на контроле сцепления магнитных потоков ротора и статора. На блок регуляторов БРП и поступают заданные сигналы момента и потокосцепления и импульсы с контура обратной связи. Далее в задающем блоке БЗП они преобразуются в импульсы, регулирующие работу ШИМ или АИМ. На обмотки электродвигателя поступает напряжение заданной частоты и величины. Датчик скорости ДС считает количество оборотов вала ротора в единицу времени и подает сигнал на блок регуляторов БРП. В нем осуществляется суммирование фазовых составляющих заданных сигналов и импульсов обратной связи. В результате на задающий блок БЗП поступает интегрированный сигнал с учетом фактической скорости и момента на валу электродвигателя.

Классификация методов векторного управления

Со времен появления первых управляемых электроприводов переменного тока было предложено много способов регулирования скорости ротора и момента на валу. Наиболее массовое применение нашли методы линейного и нелинейного регулирования.

Первый способ применяют в схемах с широтно-имульсной модуляцией. При этом вектор напряжения обмоток статора определяется как усредненное значение за период дискретизации. При линейном регулировании используется пространственно векторная модуляция, регулятор (ПИ) работает с усредненными величинами за период дискретизации сигналов, в то время как нелинейный метод подразумевает обработку мгновенных величин сигналов.

К линейному способу регулирования относятся:

• Полеориентированное управление или ПОУ (англ. FOC ).
• Прямое управление моментом с пространственно-векторной модуляцией напряжения или ПУМ-ПВМ (англ. DTC-SVM ).
• Прямое управление моментом с пространственно векторной модуляцией потока или ПУМ-ПВМП (англ. DTC-FVM).

Обработка средних значений позволяет снизать частоту выборки в линейных схемах до 2-5 кГц. При применении нелинейного метода эта величина составляет до 40 кГц. К таким способам относят:

• Прямое управление моментом с таблицей включения или ПУМ.
• Прямое самоуправление ПСУ.
• Адаптивное прямое управление моментом.

Нелинейное управление позволяет упростить схему, не требует установки датчика положения. Такой способ также отличает отсутствие необходимости выполнять преобразование Парка, отдельную модуляцию напряжения, вводить в топологию контуры тока. Приводы с нелинейным управлением обладают отличными динамическими характеристиками.

К недостаткам метода относят наличие широкоспекторных шумов, значительных пульсаций момента и тока, обусловленных переменной частотой переключения ключей, высокие требования к точности определения вектора магнитного потокосцепления статора и момента.

Полеориентированное управление (ПОУ, FOC )

Полеориентированное управление – метод раздельного контроля магнитного поля и момента. Такой способ применяют в схемах привода с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором (АДКР) и синхронными электрическими машинами на постоянных магнатах (СДПМ). Метод аналогичен управлению электродвигателями постоянного тока с независимым возбуждением и механической коммутацией.

Главная особенность таких машин – разделенные обмотки возбуждения и якоря. Потокосцепление регулируется током возбуждения статора, изменение момента осуществляется регулировкой тока вращающейся части.

Бесщеточные электрические машины с короткозамкнутым ротором и постоянными магнитами имеют 3-фазные обмотки неподвижной части, потокосцепление и момент зависят от величины и фазы тока статора. Токи возбуждения и ротора объединены. Таким образом, их величины и фазы нельзя изменять независимо друг от друга.

Ток в таких двигателях можно разложить на 2 составляющие: продольную Isd и поперечную Isq. От амплитуды и фазы Isd зависит поле, от значений Isq зависит момент на валу.

В такой системе управление двигателем переменного тока аналогично управлению электрической машиной с независимым возбуждением. Регулирование может быть осуществлено инвертором с широтно-импульсным модулятором, пропорционально-интегральным регулятором и пространственно-векторной модуляцией напряжения.

При этом мгновенные значения тока неподвижной части преобразовываются при помощи преобразования Парка для адаптации к системе координат вращения ротора с учетом сигналов датчика положения вращающейся части. Поле изменяется путем регулирования продольной компоненты Isd, момент – регулировкой поперечной составляющей Isq.

Для определения векторов опорных напряжений в схеме применяется вычислительный блок, осуществляющий обратное преобразование Парка.

Для получения данных о положении вала используется датчик, интегрированный в двигатель. Также возможно полеориентированное управление по косвенным данным. В этом случае положение ротора вычисляется на основании сигналов со счетчика оборотов или измерений других параметров.

Прямое управление моментом с пространственно-векторной модуляцией напряжения

Общая схема прямого управления с ПВМН (пространственно-векторной модуляцией напряжения) представлены на рисунке.

Схемы реализованы по подчиненному принципу, то есть внешний контур регулирует момент, внутренний – потокосцепление статора. Вектор управляющего напряжения uz формируется через векторы потокосцепления ψ и момента М, то есть, он состоит из опорных составляющих напряжения статора.

С выхода регулятора момента подается команда на изменения угла положения ротора, частоты его вращения. В таких схемах момент и потокосцепление регулируются в замкнутых контурах напрямую, что предполагает точное определение пространственных величин потока и момента. Схема с пространственно-векторной модуляцией напряжения работает на постоянной частоте переключений. Это позволяет осуществлять пуск двигателя на низкой скорости, снижает пульсации потока и момента. К недостаткам относятся некоторое ухудшение динамических характеристик.

Нелинейные регуляторы момента

Вторая группа методов векторного управления – нелинейные. В отличие от полеориентированного управления, где используется регулирование по аналогии с коллекторными электрическими машинами постоянного тока с независимым возбуждением, нелинейный способ предлагает непрерывное управление по аналогии с полупроводниковыми устройствами и инверторами.

Прямое управление моментом

Схема прямого управления моментом с таблицей включений была разработана в 1984 году. Суть метода – задание вектора напряжения для одновременного регулирования момента и сцепления магнитных потоков.

Реализация такого способа управления значительно проще схем, ориентированных по полю. При этом отпадает необходимость определять положение вала и преобразовывать неподвижную систем координат во вращающуюся и обратно.

Один из вариантов схем прямого управления моментом с таблицей ограничения включений представлен на рисунке.

Управление осуществляется по двум каналам: частоты вращения, потокосцепления.

На входе есть задатчик интенсивности (ЗИ), который обеспечивает ограничение ускорения при изменении скорости. Это необходимо для снижения тока на инверторе напряжения (АИН). При ускорении ограничитель ЗИ уменьшает значение тока инвертора АИН. При снижении частоты вращения – рассеивание избыточной мощности или ее возврат в сеть. Как и в системе с пространственной модуляцией для уменьшения перерегулирования на выходе ЗИ нужен апериодический фильтр (Ф). Пропорционально-интегральный регулятор скорости (РС) дает команду на задание момента, который ограничивается нелинейным звеном насыщения.

Определение потокосцеплений статора и ротора осуществляется в блоке НП (адаптивный наблюдатель). В него поступают сигналы о текущих значениях токов и напряжении статора, которые преобразуются в проекции.

Идентификатор напряжения (ИН) служит для определения фазы напряжения статора по состоянию ключей инвертора и его выходному напряжению. На основании полученных пространственные значений вычисляются координаты векторов, а также величины момента и скорости вращения.

Сигналы задания момента и потокосцепления сравниваются с фактическими текущими значениями. Регуляторы РМ и РП с непрерывными характеристиками определяют величину ошибки и формируют сигнал, поступающий на селективный блок вектора напряжения (СВН), с которого управляются ключи инвертора.

Схема прямого управления моментом с таблицей отключений обеспечивает динамическое изменение момента на малых скоростях, включая нулевую угловую частоту, допустимое отклонение скорости не более 10% без датчика и около 0,01% с датчиком, скорость отработки задания момента не более 2 мс.

Прямое самоуправление моментом

Метод самоуправления отличают хорошие динамические характеристики во всех значениях вектора магнитного поля, относительно невысокая частота переключения ключей инвертора, несинусоидальная форма потокосцепления и тока обмотки неподвижной части двигателя, шестиугольная траектория движения вектора потокосцепления.

Регулятор потокосцепления выдает сигналы dA, dB и dC на основании заданного значения потокосцепления статора ψs и текущих фазовых компонентов ψsA, ψsB и ψsC. Сигналы с регулятора соответствуют напряжениям, подаваемым на инвертор.

Сигнал с регулятора момента dM определяет нулевое состояние напряжения, регулятор потокосцепления – длительность активных состояний.

Метод управления	Диапазон управления скоростью	Время нарастания момента	Пусковой момент	Стоимость	Погрешность регулирования скорости	Описание
Скалярный	1:10	Не регулируется	Невысокий	Небольшая	От 5 до 10%	Прост в исполнении, имеет узкий интервал регулирования скорости, значительное время отклика
Векторное полеорентированное	Более 1: 400	1-2 мс	Высокий	Высокая	0	Позволяет плавно регулировать момент и частоту вращения вала. Необходимо определение положения ротора
Векторное с пространственно-векторной модуляцией напряжения;	Более 1: 400	1-2 мс	Высокий	Высокая	0	Сочетает достоинства полеориентированного и прямого управления
Прямое с таблицей выключения	Более 1: 400	Менее 1 мс	Высокий	Высокая	0	Обладает отличными динамическими параметрами. Недостаток: значительные пульсации момента и тока
Прямое самоуправление	Более 1: 400	1-2 мс	Высокий	Высокая	0	Снижает потери при управлении приводом значительной мощности

Заключение

Каждый метод управления электроприводом переменного тока имеет свои достоинства и недостатки. Способ выбирают, исходя из технических требований к оборудованию, а также экономических критериев.

Источник