Тема 14. Скалярне керування АД

Сучасний частотно-регульований електро привід широкого застосування складається з асинхрон ного короткозамкнутого електродвигуна, статичного перетворювача частоти (СПЧ) з ланкою постійного струму. Перетворювач часто ти з постійної напруги ланки постійного струму формує напругу, змінну по час тоті і амплітуді. Зміна частоти і його амплітуди напруги призводить до зміни частоти обертання магнітного поля статора і до зміни швидкості обертання валу елек тродвигуна. В даний час відомі такі закони частотного управління асинхронн им короткозамкненим двигуном:

 векторне управління (FOC);

 пряме керування моментом (DTC).

2. Принцип дії скалярного керування

Найбільшого поширення набули асинхронні електроприводи зі скалярним керуванням. Його використовують в приводах компресорів, вентиляторів, насосів і інших механізмів в 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 керування асинхронним двигуном – амплітуда і частота живлячої напруги змінюються по закону U / f ^ n = const, де n> = 1. Те, як буде виглядати ця залежність в конкретному випадку, залежить від вимог, висунутих навантаженням електроприводу. Як правило, в якості незалежного впливу виступає частота, а напруга при певній частоті визначається видом механічної характеристики, а також значеннями критичного і пускового моментів. Завдяки скалярному управління забезпечується постійна перевантажувальна здатність асинхронного двигуна, незалежна від частоти напруги, і все ж при досить низьких частотах може відбутися значне зниження моменту, що розвивається двигуном. Максимальне значення діапазону скалярного управління, при якому можливе здійснення регулювання значення швидкості обертання ротора електродвигуна, без втрати моменту опору не перевищує 1:10.

Скалярне управління асинхронним двигуном досить просто реалізується, але все ж є два значні недоліки. По-перше, якщо на валу не встановлено датчик швидкості, то неможливо здійснювати регулювання значення швидкості обертання валу, оскільки вона залежить від впливу на електропривод навантаження. Установка датчика швидкості з легкістю вирішує дану 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 електропривода. Причому, навіть якщо встановити датчик управління моментом, то процес управління цим самим моментом виявиться неймовірно інерційним. Ще одне «але» – скалярне управління асинхронним двигуном характеризується тим, що неможливо здійснення одночасного регулювання швидкості і моменту, тому доводиться здійснювати регулювання тієї величини, яка в даний момент часу найбільш важлива в силу умов технологічного процесу.

Тема 14. Скалярне керування АД

Сучасний частотно-регульований електро привід широкого застосування складається з асинхрон ного короткозамкнутого електродвигуна, статичного перетворювача частоти (СПЧ) з ланкою постійного струму. Перетворювач часто ти з постійної напруги ланки постійного струму формує напругу, змінну по час тоті і амплітуді. Зміна частоти і його амплітуди напруги призводить до зміни частоти обертання магнітного поля статора і до зміни швидкості обертання валу елек тродвигуна. В даний час відомі такі закони частотного управління асинхронн им короткозамкненим двигуном:

 векторне управління (FOC);

 пряме керування моментом (DTC).

Зміст книги

1. Загальна характеристика

1. Загальна характеристика

Незважаючи на успіхи в області створення високодинамічних електроприводів на основі векторного управління (FOC) і DTC, скалярні системи управління не втратили свого значення завдяки простоті реалізації і настройки. Скалярні системи управління не вимагають визначення точних параметрів схеми заміщення асинхронно го двигуна. Схема скалярного управління заснована, як правило, на узгодженому регулювання частоти і напруги статора. В якості вхідного незалежного сигналу приймається завдання по частоті. Для підтримки необхідних робочих характеристик двигуна необхідно зі зміною частоти одночасно відповідно змінювати і амплітуду напруги.

У скалярною системі управління оптимальним вважається закон регулювання, при якому у всьому діапазоні регулювання швидкості підтримується сталість перевантажувальної здатності двигуна. При такому регулюванні перевантажувальна здатність, номінальні коефіцієнт потужності і ККД електродвигуна у всьому діапазоні регулювання частоти обертання практично не змінюються. Недоліком даного способу регулювання вважається відсутність можливості точного регулювання частоти обертання валу, так як вона залежить від навантаження. Крім того, при навантаженнях, багато менших, ніж номінальні, скалярні системи не дозволяють працювати електроприводу в найбільш сприятливому режимі, так як напруга фіксується на заданому рівні.

Для реалізації векторної системи управління або системи управління з DTC необхідний або датчик швидкості, вбудований в двигун, або спостерігач координат на основі математичної моделі електродвигуна з використанням

точних параметрів схеми заміщення. Для скалярних систем управління з метою розширення діапазону регулювання теж застосовують датчик швидкості.

Ряд фірм випускають асинхронні електродвигуни спеціально для роботи від перетворювача частоти, в які вбудовують датчик швидкості вала двигуна на етапі заводського виготовлення. Ці вбудовані в корпус двигуна датчики частоти обертання (інкрементальні енкодери) мають дозвіл не менше 1024 мітки на оборот.

Типова структурна схема скалярною системи управління [2] частотного регулювання з датчиком швидкості представлена ​​на рис. 1.

Рис.1. Структурна схема системи скалярного керування з датчиком швидкості

З метою підвищення коефіцієнта потужності асинхронних двигунів надзвичайно важливо, щоб двигун працював завжди, або, по крайній мірі, значну частину часу з навантаженням, близьким до номінального. Це можна забезпечити лише при правильному виборі потужності двигуна. Якщо ж двигун працює значну частину часу недовантаженим, то для поліпшення енергетичних показників доцільно регулювати підводиму до двигуна напругу в функції навантаження. Скалярне управління асинхронним двигуном з датчиком швидкості, як випливає з рис. 1, досить просто реалізується, але при досить низьких частотах може відбутися значне зниження моменту на валу двигуна. Основним недоліком такого управління є відсутність можливості регулювати момент на валу двигуна в функції навантаження. Крім того, відомі системи скалярного керування асинхронним двигуном характеризуються тим, що в них важко здійснити незалежне регулювання швидкості і моменту.

Ряд механізмів працює в умовах різко змінних навантажень. Для таких приводів часто висуваються додаткові вимоги, такі як точна відпрацювання швидкості з компенсацією ковзання, підтримка заданої величи

ни моменту при малих частотах аж до декількох Гц. Крім того, з метою економії електроенергії необхідно регулювати амплітуду напруги на статорі електродвигуна при малих навантаженнях.

1.1. Закони частотного управління

Закони частотного управління

Важливе місце в використанні асинхронних двигунів займає частотне регулювання швидкості. Відповідно до формули, синхронна швидкість або швидкість обертового магнітного поля статора ( ω 0) прямо пропорційно залежить від частоти мережі живлення ( f ):

де p – кількість пар полюсів електричної машини.

Отже, якщо змінювати частоту мережі, то згідно вище наведеного виразу, швидкість магнітного поля, а відповідно, і швидкість обертання ротора двигуна будуть змінюватися. Але, виникає одна проблема, зі зміною частоти, змінює значення і моменту критичного (Мкр), отже, іншу величину знаходить перевантажувальна здатність асинхронного двигуна.

Якщо при постійній напрузі зменшити частоту, то магнітний потік збільшиться, що викличе насичення сталі, і як наслідок, різке збільшення струму:

Таке регулювання (тільки частотою) дасть нам такий вигляд механічних характеристик АД:

Для забезпечення сталості перевантажувальної здатності АД, одночасно з частотою f , необхідно регулювати і напругу U . Частотне регулювання, а саме скалярне управління дозволяє зробити плавне регулювання швидкості електродвигуна. Для цього потрібно в залежності від характеру навантаження змінювати два канали: частоту і напругу.

В електроприводах розрізняють три основних види навантаження:

1 – момент опору не залежить від частоти обертання (підйомні механізми);

2 – нелінійне збільшення Мс (вентилятор, відцентровий насос, центрифуга);

3 – зменшення нелінійне Мс (механізми верстатів різання, моталки).

Закон сталості моментів застосовується при незмінному навантаженні під час всього технологічного процесу:

Підтримка постійної потужності характеризується залежністю

А для «вентиляторного» типу навантаження частотне регулювання виробляють згідно із законом:

При всіх вищевказаних законах частотного регулювання відбувається дотримання умови , тобто збереження перевантажувальної здатності.

2. Принцип дії скалярного керування

Найбільшого поширення набули асинхронні електроприводи зі скалярним керуванням. Його використовують в приводах компресорів, вентиляторів, насосів і інших механізмів в 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 керування асинхронним двигуном – амплітуда і частота живлячої напруги змінюються по закону U / f ^ n = const, де n> = 1. Те, як буде виглядати ця залежність в конкретному випадку, залежить від вимог, висунутих навантаженням електроприводу. Як правило, в якості незалежного впливу виступає частота, а напруга при певній частоті визначається видом механічної характеристики, а також значеннями критичного і пускового моментів. Завдяки скалярному управління забезпечується постійна перевантажувальна здатність асинхронного двигуна, незалежна від частоти напруги, і все ж при досить низьких частотах може відбутися значне зниження моменту, що розвивається двигуном. Максимальне значення діапазону скалярного управління, при якому можливе здійснення регулювання значення швидкості обертання ротора електродвигуна, без втрати моменту опору не перевищує 1:10.

Скалярне управління асинхронним двигуном досить просто реалізується, але все ж є два значні недоліки. По-перше, якщо на валу не встановлено датчик швидкості, то неможливо здійснювати регулювання значення швидкості обертання валу, оскільки вона залежить від впливу на електропривод навантаження. Установка датчика швидкості з легкістю вирішує дану 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 електропривода. Причому, навіть якщо встановити датчик управління моментом, то процес управління цим самим моментом виявиться неймовірно інерційним. Ще одне «але» – скалярне управління асинхронним двигуном характеризується тим, що неможливо здійснення одночасного регулювання швидкості і моменту, тому доводиться здійснювати регулювання тієї величини, яка в даний момент часу найбільш важлива в силу умов технологічного процесу.

Що таке скалярне керування

Асинхронний електропривід зі скалярним керуванням є на сьогоднішній день найбільш поширеним. він застосовується в складі приводів насосів, вентиляторів, компресорів та інших механізмів, для яких важливо підтримувати або швидкість обертання вала двигуна (при цьому використовується датчик швидкості), або технологічний параметр (наприклад, тиск в трубопроводі, при цьому використовується відповідний датчик).

Основний принцип скалярного керування – зміна частоти і амплітуди напруги живлення за законом:

Конкретний вид залежності визначається вимогами, що пред’являються до електроприводу навантаженням. Зазвичай за незалежний вплив приймається частота, а значення напруги при даній частоті визначає вид механічної характеристики, значення пускового і критичного моментів.

Скалярне керування забезпечує сталість перевантажувальної здатності електроприводу незалежно від частоти напруги, проте має місце зниження розвиваємого двигуном моменту при низьких частотах (при ff_ном). Максимальний діапазон регулювання швидкості обертання ротора при незмінному моменті опору для електроприводів зі скалярним керуванням досягає 1:10.

В електроприводах з векторним керуванням закладається математична модель двигуна, яка дозволяє розраховувати момент на валу і швидкість обертання вала. При цьому необхідними є тільки датчики струму фаз статора двигуна. Завдяки системі керування забезпечується незалежне і практично безінерційне регулювання двох основних параметрів – моменту на валу і швидкості обертання.

На сьогоднішній день сформувалося два основні класи систем векторного керування – бездатчикові системи (без датчика швидкості на валу двигуна) і системи зі зворотним зв’язком по швидкості. Застосування того чи іншого методу векторного керування визначається областю застосування електроприводу. При невеликих діапазонах зміни швидкості (не більше 1:100) і вимогах до точності її підтримки не більше ±0,5% застосовують бездатчикове векторне керування.

Якщо ж швидкість обертання вала змінюється в широких межах (до 1:10000 і більше), висуваються вимоги до високої точності підтримки швидкості обертання (до ± 0,02% при частотах обертання менше 1 Гц) або є необхідність позиціонування валу, а також при необхідності регулювання моменту на валу двигуна на дуже низьких частотах обертання, застосовують методи векторного керування із зворотним зв’язком по швидкості.

Перетворювачі частоти, які побудовані за схемою випрямляч-автономний інвертор

Побудова силової частини. Найбільшого поширення набули перетворювачі частоти з проміжною ланкою постійного струму, побудовані за схемою випрямлячавтономний інвертор. Принцип роботи та області застосування таких перетворювачів частоти залежать від типу використовуваного випрямляча та автономного інвертора (інвертор напруги або інвертор струму).

Існує декілька різних схем випрямлячів. За принципом дії вони можуть бути розділені на три групи: керовані, напівкеровані і некеровані. Схемотехнічно всі випрямлячі будуються за трифазною мостовою схемою. Найбільшого поширення набули некеровані випрямлячі на напівпровідникових випрямних діодах, які характеризуються простотою і надійністю, високим к.к.д., а також достатньою якістю випрямленої напруги. Однак некерованість процесу перетворення енергії не дозволяє реалізувати режими рекуперації, необхідні у багатьох випадках.

Керовані випрямлячі, виконувані звичайно на низькочастотних тиристорах, позбавлені як недоліків, так і більшості переваг діодних випрямлячів. Вони мають високий к.к.д. і властивість зворотності за напрямком перетворення енергії і, зазвичай, використовуються спільно з автономними інверторами струму для регулювання величини вихідного струму перетворювача. недоліки керованих випрямлячів полягають у підвищеному рівні пульсацій випрямленої напруги, в зниженому значенні коефіцієнта потужності, який зменшується пропорційно вихідній напрузі, і в односторонньому напрямку вихідного струму. При необхідності забезпечити протікання випрямленого струму в обох напрямках використовують реверсивні тиристорні перетворювачі, що складаються з двох включених зустрічно-паралельно тиристорних випрямлячів, один з яких призначений для протікання струму навантаження в прямому, а інший у зворотному напрямку. Це ускладнює і здорожує перетворювач.

Напівкеровані випрямлячі займають проміжне положення між керованими і некерованими випрямлячами, дозволяючи регулювати значення випрямленої на-пруги без можливості рекуперації енергії в мережу. У разі керованих і напівкерованих випрямлячів з’являється можливість відключення силової схеми перетворювачів частоти від мережі без використання додаткового устаткування.

Перетворювач частоти складається з некерованого діодного силового випрямляча В, автономного інвертора АІН, системи управління ШІМ, системи автоматичного регулювання, дроселя L_в і конденсатора фільтра C_в. Регулювання вихідної частоти f_вих і напруги U_вих здійснюється в інверторі за рахунок високочастотного широтно-імпульсного керування. Широтно-імпульсне керування характеризується періодом модуляції, всередині якого обмотка статора електродвигуна підключається по черзі до позитивного і негативного полюсів випрямляча. Тривалість цих станів всередині періоду ШІМ модулюється за синусоїдальним законом. При високих (звичайно 2. 15 кГц) тактових частотах ШІМ, в обмотках електродвигуна, внаслідок їх фільтруючих властивостей, течуть синусоїдальні струми.

Рисунок 1. Електрична схема підключення перетворювача частоти до асинхронного двигуна

Таким чином, форма кривої вихідної напруги являє собою високочастотну двополярну послідовність прямокутних імпульсів. Частота імпульсів визначається частотою ШІМ, тривалість (ширина) імпульсів протягом періоду вихідний частоти АІН, промодульованному за синусоїдальним законом. Форма кривої вихідного струму (струму в обмотках асинхронного електродвигуна) практично синусоїдальна. Регулювання вихідної напруги інвертора можна здійснити двома способами: амплітудним (АР) за рахунок зміни вхідної напруги U_вх і широтно-імпульсним (ШІМ) за рахунок зміни програми перемикання вентилів V1-V6 при U_вх = const. Другий спосіб одержав поширення в сучасних перетворювачах частоти завдяки розвитку сучасної елементної бази (мікропроцесори, IBGT-транзистори). При широтно-імпульсній модуляції, форма струмів в обмотках статора асинхронного двигуна виходить близька до синусоїдальної, завдяки фільтруючим властивостям самих обмоток.

Рисунок 2. Часові діаграми вихідної напруги та струму в обмотках статора електродвигуна

Таке керування дозволяє отримати високий к.к.д. перетворювача. Сучасні інвертори виконуються на основі повністю керованих силових напівпровідникових приладів – GTO-тиристорів, або біполярних IGBT-транзисторів з ізольованим затвором. На рис. 3 представлена трифазна схема автономного інвертора на IGBT-транзисторах. Вона складається з вхідного ємнісного фільтра C_ф і IGBT-транзисторів V1-V6 та включеними зустрічно-паралельно діодами зворотного струму D1-D6. За рахунок почергового перемикання вентилів V1-V6 за алгоритмом, заданим системою керування, постійна вхідна напруга U в перетвориться в змінну прямокутно-імпульсну вихідну напругу. Через керовані ключі V1-V6 протікає активна складова струму асинхронного електродвигуна, через діоди D1-D6 – реактивна складова струму.

Характерним недоліком АІТ є те, що він не може працювати на холостому ходу (з відключеним двигуном). Крім того, при використанні АІТ можливі суттєві втрати потужності і формування додаткових збурюючих моментів в двигуні, що призводять до коливань швидкості. При необхідності формування струмів двигуна, близьких до синусоїдальним, потрібно значне ускладнення схеми АІТ.

Особливостями автономних інверторів напруги є живлення від джерела напруги, замикання контуру реактивного струму навантаження через зворотні діоди і незалежність форми кривої напруги на виході інвертора від характеру наванта-ження. Недоліком АІН є необхідність використання реверсивних випрямлячів для організації рекуперативних режимів роботи електроприводу. Однак застосування інверторів напруги дозволяє без ускладнення схеми отримати високі енергетичні показники і забезпечити вихідні струми, близькі до синусоїдальних.

Рисунок 3. Трифазна схема автономного інвертора на IGBT-транзисторах: І – трифазний мостовий інвертор; В – трифазний мостовий випрямляч; С_ф – конденсатор фільтру

Саме це обумовлює широке застосування АІН в сучасному електроприводі. Для побудови силових ключів в області комутованих струмів до 50 А використовуються біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT) і польові транзистори з ізольованим затвором (MOSFET), а також низькочастотні і високочастотні діоди та тиристори. Силові біполярні транзистори в діапазоні до 50 А знаходять основне застосування в дешевому промисловому обладнанні. В області комутованих струмів більше 50 А основними приладами є силові модулі на базі біполярних транзисторів, що замикаються, тиристори (GTO, GCT, IGCT).

Особливо слід виділити транзисторні і діодно-транзисторні модулі, виконані за інтегральною технологією на основі транзисторів типу IGBT. Низькі втрати потужності в ключових режимах, великі значення робочих напруг і струмів, малі часи включень і відключень цих модулів, а також можливість їх використання при паралельній роботі дозволяють створювати потужні і компактні перетворювальні установки з високою частотою комутації напівпровідникових ключів.

Перетворювач частоти Micromaster-440

Перетворювачі Micromaster-440 є серійними перетворювачами для регулювання трифазних електродвигунів. Окремі моделі мають діапазон потужностей 120 Вт при однофазному вході і до 75 кВт при трифазному вході.

Перетворювачі оснащені мікропроцесорною системою управління та використовують найсучасніші технології з модулями на IGBT-транзисторах. Внаслідок цього перетворювачі надійні і різноманітні. Оригінальний спосіб широтно-імпульсної модуляції з вибором частоти комутації дає можливість безшумної роботи електродвигуна. Великі функції захисту забезпечують ефективний захист перетворювача та електродвигуна.

У перетворювачі Micromaster 440 використовується система з автономним інвертором напруги (АІН), що працює за принципом широтно-імпульсного перет-ворювача (ШІП). У перетворювачі використовується нереверсивний випрямляч і передбачений режими гальмування постійним струмом. Застосування гальмівного резистора також передбачено. Можливість гальмування тільки постійним струмом накладає обмеження на застосування перетворювачів. Такі перетворювачі частоти необхідно застосовувати в установках з нечастими гальмуваннями і де відсутнє навантаження, яка здатна переводити електродвигун у генераторний режим, інакше можливий перегрів електродвигуна і його аварійне відключення.

Частота ШІМ перетворювача Micromaster-440 може змінюватися від 2 до 16 кГц і може задаватися примусово. У загальному випадку частота ШІМ залежить від навантаження і температури перетворювача, у разі його перегріву частота ШІМ знижується.

Сучасні перетворювачі частоти пропонують гнучкий вибір законів регулювання частоти і напруги на електродвигуні. Вибір конкретного закону регулювання залежить від типу навантаження і необхідної точності. Перетворювач Micromaster-440 підтримує наступні способи завдання залежності напруги (U) від частоти (f):

скалярні режими

• лінійна U/f (за замовчуванням), може застосовуватися для навантаження із змінним і з постійним моментом (насоси, конвеєри);
• лінійне U/f-регулювання з FCC (Flux Current Control) (контролюванням потокозчеплення) – підтримує струм двигуна, що створює потік для поліпшення ефективності, цей спосіб регулювання може використовуватися для збільшення к.к.д. і динамічних характеристик електроприводу;
• квадратична U/f 2 ;
• може застосовуватися для навантажень із змінним моментом (компресори, насоси);
• багатоточкова U/f – для особливих випадків;
• лінійне U/f-регулювання з режимом ЕСО – з цією функцією відбувається автоматичне зниження або підвищення напруги для мінімізації втрат потужності;
• U/f-регулювання з незалежною уставкою напруги – можна задавати напруга незалежно від вихідної частоти перетворювача (RFG).

векторні режими:

• безсенсорне векторне регулювання – забезпечує точне регулювання частоти обертання двигуна без застосування датчика швидкості. Забезпечує високий момент і динамічні властивості приводу;
• безсенсорне векторне керування моментом – забезпечує векторне регулювання заданого моменту на двигуні без датчика моменту. Застосовується в технологіях, що вимагають підтримку заданого значення моменту на валу двигуна.

Перетворювач може працювати як з асинхронним електродвигуном, так і з синхронної машиною, при роботі з синхронним електродвигуном допускається робота тільки при завданні лінійної залежності U/f.

Підключення електродвигуна і мережі до перетворювача пояснюється схемою, яка зображена на рис. 4. Підключення ланцюгів керування показано на рис. 5.

Рисунок 4. Підключення електродвигуна і мережі

Рисунок 5. Підключення кіл керування

Контрольні питання

1. Назвіть основні методи частотного керування електроприводом.
2. В чому полягає принцип роботи скалярного метода частотного керування електроприводом?
3. В чому полягає принцип роботи векторного метода частотного керування електроприводом?
4. Назвіть основні схеми випрямлячів за принципом дії.
5. Назвіть основні складові частини некерованого випрямляча.
6. Опишіть принцип роботи некерованого випрямляча.
7. Назвіть основні види систем керування перетворювачів частоти.