Вольтовый режим управления шаговыми двигателями

При этом могут быть два варианта метода:

• ориентирование по полю ротора
• ориентирование по полю главного потокосцепления

При практической реализации первого метода необходимо определить направление и угловое положение вектора потокосцепления ротора двигателя. Ортогональные оси d, q (в отечественной литературе для асинхронных машин применяют оси x, y) направляют так, что ось d совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях d, q. Составляющая напряжения по оси d регулирует величину тока статора по оси d.

Изменяя ток статора по оси d следует добиваться требуемого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси q, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент развиваемый двигателем. В таком режиме работы характеристики СД и АД подобны двигателю постоянного тока, так по оси d формируется поле машины (обмотка возбуждения для двигателя постоянного тока, то есть индуктор), а ток по оси q задаёт момент (якорная обмотка двигателя постоянного тока). Управление двигателем по данному методу теоретически обеспечивает большую перегрузочную способность АДКЗ, но при этом невозможно напрямую определить вектор потокосцепления ротора.

Данный метод векторного управления был первоначально реализован в системе «Transvektor» фирмы «Сименс».

Устройства с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, на русском языке стали именоваться векторными системами. При использовании устройства управления по вектору главного потокосцепления и стабилизации модуля главного потокосцепления двигателя во всех режимах работы исключается чрезмерное насыщение магнитной системы, упрощается структура управления АД. Для составляющих вектора главного потокосцепления (по осям α, β статора) возможно прямое измерение, например, с помощью датчиков Холла, устанавливаемых в воздушном зазоре двигателя.

Питание АД и СД в режиме векторного управления осуществляется от инвертора, который может обеспечить в любой момент времени требуемые амплитуду и угловое положение вектора напряжения (или тока) статора. Измерение амплитуды и положение вектора потокосцепления ротора производится с помощью наблюдателя (математический аппарат позволяющий восстанавливать неизмеряемые параметры системы).

Варианты режимов работы векторного управления [ править | править код ]

Векторное управление подразумевает наличие в звене управления математической модели (далее — ММ) регулируемого электродвигателя. В зависимости от условий эксплуатации электропривода возможно управление электродвигателем как в режимах с обычной точностью, так и в режимах с повышенной точностью отработки задания на скорость или момент.

Точность математической модели электродвигателя [ править | править код ]

В связи с вышесказанным представляется возможным произвести классификационное разделение режимов управления по точности ММ электродвигателя, используемой в звене управления:

• использование ММ без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем)
• использование ММ с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя (то есть активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и токадвигателя)

Использование датчика скорости электродвигателя [ править | править код ]

В зависимости от наличия или отсутствия датчика обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:

• управление двигателем без датчика скорости — при этом устройством управления используются данные ММ двигателя и значения, полученные при измерении токастатора и/или ротора
• управление двигателем с датчиком скорости — при этом устройством используются не только значения, полученные при измерении токастатора и/или ротораэлектродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика, что в некоторых задачах управления позволяет повысить точности отработки электроприводом задания скорости (положения).

Терминологические нюансы [ править | править код ]

Поскольку принцип векторного управления был изобретен в ФРГ, то в русскоязычной литературе нередко встречается термин «векторное регулирование», являющийся калькой с немецкого «Vektorregelung». Такое определение нельзя считать ошибочным, однако по установившемся нормам русского технического языка более правильным будет использование именно термина «векторное управление». Кроме того часто данный метод называют также «принципом ориентирования по полю», что также является буквальным переводом с немецкого «Das Prinzip der Feldorientierung».

Векторное управление электродвигателем – «за» и «против».

Те, кто ответственно относится к покупкам и умеет считать деньги, перед приобретением сравнительно дорогой вещи стараются разобраться за что именно они платят и нельзя ли подобрать что-нибудь аналогичное, но подешевле. nbsp; nbsp;Такой подход в полной мере применим и к выбору частотного преобразователя.

В частности, время от времени покупателю частотника приходится искать ответ на вопрос: не лучше ли вместо преобразователя частоты с поддержкой векторного метода управления обойтись обычным, скалярным? В этой статье мы попробуем разобраться, в чем заключаются преимущества и недостатки векторного метода управления по сравнению со скалярным, и в каких случаях оправдано приобретение соответствующей модели частотного преобразователя.

Прежде всего, нужно отметить, что практически все частотные преобразователи, которые поддерживают режим векторного управления, прекрасно справляются и с обычным, скалярным. Но в подавляющем большинстве случаев они значительно дороже моделей, которые способны работать только в скалярном режиме (конечно, речь идет о моделях с аналогичными характеристиками фирма-производитель, корпусное исполнение, номинальная мощность, ток, напряжение и т.д.). Поэтому, чтобы не выбрасывать деньги на ветер, очень желательно выяснить оправданы ли эти дополнительные расходы.

Второй важный момент для того, чтобы преимущества векторного управления при эксплуатации электропривода проявились с максимальной эффективностью, преобразователь нужно соответствующим образом настроить и отрегулировать (нередко потребуется приобретение дополнительных аксессуаров, например, датчиков). Производители обычно предусматривают широкий набор стандартных установок для наиболее распространенных случаев использования, но даже они не избавляют от целого ряда ручных операций по настройке и согласованию с конкретным двигателем. Чтобы эти действия выполнить, нужны определенные знания и опыт. Если вы сами не обладаете нужной квалификацией, при этом разбираться в объемистом руководстве не хочется (или некогда), а возможности пригласить соответствующего специалиста нету, то, скорее всего, лучше отказаться от laquo;вектораraquo;.

С другой стороны, иногда есть возможность выбора между двумя моделями, примерно равными по цене, при этом одна из них способна работать в векторном режиме. В таких случаях рекомендуем все же купить преобразователь с поддержкой векторного управления laquo;на всякий случайraquo;, про запас. К тому же, при неправильной настройке параметров, необходимых для работы в векторном режиме, преобразователь всего лишь будет работать в laquo;скаляреraquo;.

Что касается преимуществ векторного управления трехфазным электродвигателем, то оно позволяет:

nbsp; nbsp; nbsp;- во-первых, существенно повысить точность регулировки скорости и вращательного момента (в разы и даже в десятки раз);

— во-вторых, сократить время реакции привода на изменение нагрузки на валу привода.

Иными словами, электроприводы с векторным управлением значительно точнее и динамичнее. В некоторых технологических процессах или даже небольших установках это очень важно. В то же время в большинстве ситуаций вполне достаточно простого скалярного регулирования, и приобретение сложного дорогостоящего преобразователя частоты с поддержкой векторного режима будет непозволительной роскошью что-то вроде слетать за грибами на вертолете.

Приведем пример. Одним из самых распространенных случаев применения (и очень эффективного!) частотных преобразователей являются разнообразные насосные установки. Обычно в таком приводе организована обратная связь через датчик давления, а экономия воды и электроэнергии составляет от 40 до 60% по сравнению с нерегулируемым приводом. Аккуратно настроенное векторное управление даст выигрыш еще в несколько процентов. Конечно, они не покроют дополнительные расходы на дорогую модель laquo;векторногоraquo; частотника и не оправдают хлопот, связанных с установкой и настройкой. Вполне достаточно простейшего скалярного преобразователя, тем более, что большинство производителей выпускают узкоспециализированные laquo;насосныеraquo; модели.

Стремительное развитие базы микропроцессоров и микроконтроллеров позволяет реализовать даже самые сложные математические методы управления параметрами тока, напряжения и магнитного поля внутри электродвигателя. Используемые векторные методы, безусловно, эффективнее и точнее скалярных. Но,nbsp; помимо сложной настройки, эффективная работа преобразователя в векторном режиме зависит и от других факторов. Высокие требования к точности параметров выходного напряжения в свою очередь требуют повышенной точности данных на входах преобразователей. Это означает, что придется устанавливать более совершенные, а, значит, и более дорогие датчики (углового положения, давления, температуры, скорости и т.д.).

Ремонт и обслуживание более сложных частотных преобразователей с поддержкой векторных методов управления также подразумевает дополнительные хлопоты и сложности.

Однако, для ряда задач векторное управление работой электродвигателя вполне оправдано и дает в процессе эксплуатации существенные выигрыши по надежности и технологическим характеристикам. Прежде всего, векторный метод будет нужен в системах, где нагрузка на валу привода меняется часто, непредсказуемо и в широких пределах. В качестве примера можно привести конвейеры, дробилки, мешалки, некоторые разновидности станков и целый ряд других технологических установок.

Если требуется очень широкий диапазон регулировки скоростей вращения вала, да еще и с высокой точностью, то векторный метод управления двигателем дает гораздо лучшие результаты. Довольно эффективно справляются такие преобразователи и с работой на малых оборотах близких к нулю.

Подводя итоги, можно с уверенностью повторить довольно банальную истину выбор нужной модели частотного преобразователя сильно зависит от предстоящего применения. Старайтесь учесть все факторы, а лучше всего дополнительно проконсультируйтесь у нескольких специалистов.

Преимущества векторного управления асинхронным двигателем

Преобразователь частоты регулирует момент и скорость вращения асинхронного двигателя, используя один из двух основных методов частотного управления — скалярный или векторный. Рассмотрим подробнее особенности этих методов.

Линейная скалярная рабочая характеристика ПЧ

При работе асинхронного электродвигателя от скалярного частотного преобразователя напряжение на двигателе понижается линейно с понижением частоты. Это происходит из-за того, что применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой отношение действующего напряжения к частоте является константой во всем диапазоне регулирования.

Вольт-частотная (вольт-герцовая) рабочая характеристика ПЧ будет линейной, пока напряжение на возрастет до предела, определяемого напряжением питания преобразователя. Скалярное управление не позволяет двигателю развить требуемую мощность на низких частотах (мощность зависит от напряжения), и момент на валу сильно падает.

Квадратичная скалярная рабочая характеристика

В некоторых случаях, например, при работе преобразователя на мощные вентиляторы и насосы, используют квадратичную вольт-частотную характеристику с пониженным моментом, что позволяет учесть механику процесса, снизить токи, и, соответственно, потери на низких частотах.

Основной минус скалярной вольт-частотной характеристики

У линейной и квадратичной вольт-частотной зависимости, при её простоте и широком распространении, есть большой минус – падение мощности на валу, а значит падение момента и частоты вращения двигателя. При этом происходит так называемое скольжение, когда частота вращения ротора отстает от частоты вращения электромагнитного поля.

Для устранения этого эффекта используется компенсация скольжения, позволяющая скорректировать выходную частоту (обороты двигателя) при возрастании момента нагрузки. Если правильно выбрать значение компенсации, фактическая скорость вращения при большой нагрузке будет приближаться к скорости вращения на холостом ходу.

Кроме этого, в большинстве ПЧ с линейной вольт-частотной характеристикой имеется функция компенсации момента на низких скоростях. Данная функция реализуется за счет повышения напряжения на низких частотах и при неправильном применении может вызвать перегрев двигателя.

Оба параметра компенсации имеют неизменное (установленное при настройке) значение и от нагрузки не зависят.

Преимущества векторного управления

Существует множество задач, когда нужно обеспечить заданную частоту вращения, и описанный недостаток становится очень актуальным. В таких случаях применяют векторное частотное управление, при котором контроллер вычисляет напряжение, необходимое для поддержания момента, обеспечивающего стабильную частоту. В отличие от скалярного режима, здесь происходит «умное» управление магнитным потоком ротора.

Векторное управление асинхронным двигателем особенно актуально на низких частотах – ниже 10 Гц, когда рабочий момент двигателя сильно падает. Кроме того, данный метод позволяет держать стабильную скорость (с предсказуемым линейным изменением) при разгоне. Это достигается за счет получения высокого пускового момента вплоть до выхода двигателя на режим.

Важно и то, что при векторном управлении происходит сбережение электроэнергии (в некоторых случаях – до 60%), поскольку большую часть времени частотный преобразователь передает в двигатель ровно столько энергии, сколько необходимо для поддержания заданной скорости.

Различают два вида векторного управления — без датчика скорости (без обратной связи, или бессенсорное) и с обратной связью, когда в качестве датчика, как правило, используется энкодер.

Векторное управление без обратной связи

В этом случае частотный преобразователь вычисляет скорость вращения двигателя по математической модели на основе ранее введенных данных (параметров двигателя) и данных о мгновенных значениях тока и напряжения. Опираясь на полученные расчеты, ПЧ принимает решение об изменении выходного напряжения.

Перед включением векторного бессенсорного режима необходимо тщательно выставить номинальные параметры двигателя: напряжение, ток, частоту, скорость (обороты), мощность, количество полюсов, а также сопротивление обмоток и индуктивные параметры. Если какие-то значения неизвестны, рекомендуется провести автотестирование двигателя на холостом ходу. Некоторые модели векторных преобразователей частоты устанавливают параметры по умолчанию для стандартного двигателя после введения номинальных значений. Также необходимо задать пределы временных и токовых параметров векторного управления.

Векторное управление с обратной связью

Этот режим отличается более высокой точностью управления скоростью двигателя. Обратную связь обеспечивает энкодер, который сопрягается с частотным преобразователем через дополнительный модуль.

Энкодер устанавливается на валу электродвигателя либо последующего механизма и передает данные о текущей частоте вращения. На основании полученной информации преобразователь меняет напряжение, момент и, соответственно, скорость двигателя. Стоит добавить, что при больших динамических нагрузках (частых изменениях момента) и работе на пониженных скоростях рекомендуется применение принудительного охлаждения внешним вентилятором.