Режимы управления асинхронными электродвигателями
В зависимости от характера нагрузки преобразователь частоты обеспечивает различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателя и выходным напряжением.
Управление по вольт-частотной характеристике
Управление по вольт-частотной характеристике реализует зависимость U/f=const, именуемую также U/f характеристикой и реже скалярный контроль. Такой алгоритм обеспечивает достаточное качество регулирования по скорости и применяется для управления нагрузками, когда момент сопротивления мало меняется в установившемся режиме.
Для таких механических характеристик момент статического сопротивления зависит от скорости или от частоты
,
где
-
угловая скорость, p
– число
пар полюсов, f1
–
частота.
Диапазон регулирования скорости вращения двигателя по рассматриваемому закону ограничен сверху и снизу.
Верхняя
граница определяется насыщением
магнитопровода машины. С ростом отношения
/
(
=U/Uном
,
=f/f
ном)
растёт магнитный поток машины и резко
увеличивается ток намагничивания I0
,
что и ограничивает допустимое значение
этого отношения. Поэтому применение
данного закона практически ограничено
нагрузками, не слишком превышающими
номинальный момент двигателя.
Нижняя граница диапазона регулирования зависит от момента статического сопротивления при трогании двигателя с места. Очевидно, при возрастании частоты и напряжения от нуля двигатель будет неподвижен до тех пор, пока частота ротора, равная частоте статора (ротор неподвижен) не достигнет такого значения, при котором момент двигателя превысит момент трогания неподвижного привода.
Векторное управление
При векторном управлении, в отличие от частотного, управление скоростью вращения двигателя осуществляется с помощью регулирования амплитуды и фазы вектора поля двигателя. Такое управление является наиболее точным в динамике и статике, а так же более экономичным.
Преимущества векторного регулирования:
точная отработка скорости с компенсацией скольжения (даже без обратной связи по скорости);
глубокий диапазон регулирования;
в области малых частот двигатель работает плавно и сохраняет момент вплоть до нулевой скорости;
быстрая реакция на скачки нагрузки;
при резких скачках нагрузки практически не происходит скачков скорости, вследствие высокой динамики регулирования;
оптимизация КПД двигателя на низких частотах;
за счет регулирования тока намагничивания, осуществляется оптимизация режима работы двигателя и снижение потерь.
Этот метод активно внедряется в высококачественных приводах трехфазного тока. Основная его идея заключается в улучшении регулировочных свойств асинхронной машины, за счет реализации модели эквивалентной ей машины постоянного тока, у которой имеются два канала управления: моментный и токовый. В зоне изменения напряжения от нуля до номинального регулирование осуществляется при постоянстве момента, а после достижения номинального напряжения - при постоянстве мощности.
В данном методе осуществляется управление амплитудой и фазой статорного тока, то есть его вектором. Однако для управления фазой тока, а значит, и фазой магнитного поля статора относительно вращающегося ротора необходимо знать точное положение ротора в любой момент времени. Эта задача может быть решена с использованием датчика положения (сенсорный или полный векторный контроль), например, шифратора приращений. В такой конфигурации привод переменного тока по качеству регулирования становится, сопоставим с приводом постоянного тока, но в составе большинства стандартных электродвигателей переменного тока встроенные датчики положения отсутствуют, поскольку их введение неизбежно ведёт к усложнению конструкции двигателя и существенному повышению его стоимости.
Применение современной технологии безсенсорного векторного управления позволяет обойти это ограничение путём использования математической адаптивной модели двигателя для предсказания положения ротора. При этом система управления должна с высокой точностью измерять значение выходных токов и напряжений, обеспечивать расчёт параметров двигателя (сопротивление статора, значение индуктивности рассеяния и т.д.), точно моделировать тепловые характеристики двигателя с различными режимами его работы, осуществлять большой объём вычислений с очень высокой скоростью.
Векторное управление без датчиков обратной связи по скорости позволяет обеспечивать динамические погрешности, характерные для регулируемого привода с замкнутой обратной связью. Однако полное управление моментом при скорости, близкой к нулевой, невозможно без обратной связи по скорости. Такая обратная связь становится необходимой и для достижения погрешности регулирования менее 1 %. Контур обратной связи при этом легко реализуется с помощью самого преобразователя частоты.
Алгоритм векторного управления позволяет получить высокий пусковой момент и сохранить его до номинальной скорости асинхронного электродвигателя. Алгоритм обеспечивает высокое качество регулирования по скорости, даже при скачкообразном изменении момента сопротивления на валу. Важно и то, что векторное управление позволяет наилучшим образом обеспечить энергосбережение, т.к. преобразователь частоты (инвертор) передает в двигатель ровно столько мощности, сколько необходимо для вращения нагрузки с заданной скоростью, даже если входное напряжение больше чем 380 В (например, 440-460 В, что часто встречается в промышленной сети). Экономия электроэнергии особенно заметна на мощных двигателях 11кВт и выше. В зависимости от применения достигается экономия энергии до 30 %, а в некоторых случаях до 60 %.
Момент любого электродвигателя в каждый момент времени определяется величиной (амплитудой) и фазой двух моментообразующих составляющих: тока и магнитного потока. В машинах переменного тока, особенно в асинхронных двигателях (АД) с короткозамкнутым ротором, токи и потокосцепления статора и ротора вращаются с разными угловыми скоростями, имеют разные изменяющиеся во времени фазовые параметры и не подлежат непосредственному измерению и управлению. Доступной управляемой переменной в АД является лишь ток статора, который имеет составляющие, образующие магнитный поток и момент. Фазовая ориентация двух этих составляющих может быть осуществлена только внешним управляющим устройством, функционально подобным коллектору машины постоянного тока.
Иными словами, в АД необходимо обеспечить управление, как амплитудой, так и фазой тока статора, то есть оперировать векторными величинами, чем и обусловлен термин «векторное управление».
Синонимами данного термина, отражающими некоторые различия используемых методов измерения параметров и управления их фазой, являются: «управление полем», «ориентация поля», «прямое управление моментом», «регуляторы угла».
Векторное управление может быть реализовано в электроприводах как на основе автономных инверторов тока АИТ, так и на основе автономных инверторов напряжения с широтно-импульсным управлением АИН ШИМ.
Характеристики преобразователей частоты
Выпускаемые фирмами ЧРП имеют различный набор характеристик. Рассмотрим основные характеристики.
Режимы управления электродвигателями
В ПЧ в основном используются режимы управления по вольт-частотной характеристике (U/f=const, U/f2=const) и векторное управление.
Способ модуляции
Выходное напряжение в большинстве ПЧ представляет собой ШИМ - синусоиду.
Напряжение и фазность питания
Преобразователи частоты подключаются к трехфазной сети переменного тока 380 В или более. Также производятся преобразователи частоты (инверторы), рассчитанные на однофазное (двухпроводное) питание 200-240 вольт переменного тока. Как правило, это маломощные модели до 2,2 кВт. Изменение питания обычно составляет -15 %/+10 % от номинального напряжения питания.
Мощность
Мощность инвертора подбирается равной мощности электродвигателя. Это правило распространяется на электродвигатели с номинальным количеством оборотов 1500 и 3000 оборотов в минуту. При использовании других электродвигателей или в некоторых особых случаях применения выбор преобразователя частоты (инвертора) должен соответствовать следующему условию: номинальный выходной ток преобразователя частоты (инвертора) должен быть не меньше номинального тока электродвигателя.
ПИД-регулятор
Преобразователи частоты (инверторы) обычно имеют встроенный ПИД-регулятор (Пропорциональная-Интегральная-Дифференциальная составляющая). Преобразователь изменяет скорость вращения двигателя таким образом, чтобы поддерживать на заданном уровне определенный параметр системы (расход, скорость, уровень, давление, температура и т.д.) благодаря поступлению аналогового сигнала 0-10 В или 4-20 мA с датчика. Наличие встроенного ПИД-регулятора позволяет упростить систему управления и не использовать внешних регуляторов.
Выходная частота
Значение выходной частоты определяет, в каком диапазоне может изменяться выходная частота напряжения преобразователя частоты. Например, если электродвигатель имеет номинальную частоту питающей сети 50 Гц и номинальное количество оборотов 1500 в минуту, то при подаче на него частоты 100 Гц он будет вращаться в 2 раза быстрее, то есть, 3000 об/мин. Следует отметить, что работа на низких оборотах и оборотах значительно выше номинальных может привести к перегреву электродвигателя.
Количество аналоговых/дискретных входов
Для сопряжения преобразователя частоты с системой управления требуются аналоговые и/или дискретные (цифровые) входы. Чем больше входов, тем проще сопрягать преобразователь частоты с внешней системой управления.
Тормоз постоянного тока
Для осуществления более быстрого торможения в одну из фаз двигателя подается постоянный ток (динамическое торможение). Взаимодействие магнитного поля в этой фазе с магнитным полем ротора позволяет остановить двигатель значительно быстрее, чем при самовыбеге или при торможении уменьшением напряжения (управляемом выбеге).
Параметры настройки работы преобразователя частоты (инвертора)
Большое количество параметров настройки дает пользователю возможность более гибко настраивать преобразователь частоты для решения своих задач.
Многоступенчатое регулирование скорости
Данную функцию удобно использовать в технологических задачах, когда заранее известны несколько фиксированных скоростей. Наличие большого количества установок скорости, которые можно выбрать соединением сигнальных входов преобразователя, представляется интересным большому количеству пользователей.
Энергосбережение
Преобразователь частоты (инвертор) позволяет экономить на непроизводительных затратах энергии, кроме того, он имеет функцию энергосбережения. Эта функция позволяет при выполнении той же работы экономить дополнительно от 5 до 60 % электроэнергии путем поддержания электродвигателя в режиме оптимального КПД.
В режиме энергосбережения преобразователь частоты автоматически отслеживает потребление тока, рассчитывает нагрузку и снижает выходное напряжение. Таким образом, снижаются потери на обмотках двигателя, и увеличивается его КПД.
Предотвращение резонанса
В случаях возникновения резонанса в механической системе преобразователь частоты обходит резонансную частоту.
Предотвращение опрокидывания ротора
Функция предотвращения опрокидывания ротора или функция ограничения момента работает в трех режимах - при разгоне, при торможении и во время работы. При разгоне, если задано слишком большое ускорение и не хватает мощности, преобразователь автоматически продлевает время разгона. При торможении функция работает аналогично. При работе эта функция позволяет в случае перегрузки вместо аварийной остановки продолжить работу на меньшей скорости.
Работа в режиме подхвата работающего двигателя
В случаях пуска преобразователя частоты (инвертора) при вращающейся нагрузке для предотвращения опрокидывания применяется функция поиска скорости или функция подхвата работающего двигателя. При ее использовании преобразователь частоты (инвертор) при пуске определяет скорость вращения нагрузки и начинает регулирование не с нуля, а с этой скорости.
Функции защиты
Преобразователи частоты обеспечивают защиту самого преобразователя частоты и электродвигателя. Набор функций защиты определяется моделью преобразователя частоты (инвертора).
Функции защиты двигателя:
токовая защита мгновенного действия;
токовая защита двигателя от перегрузки по току;
защита двигателя от перегрева.
Практически все преобразователи частоты (инверторы) имеют ниже перечисленные функции самозащиты:
от замыкания выходных фаз между собой;
от замыкания выходных фаз на землю;
от перенапряжения;
от недонапряжения;
от перегрева выходных каскадов.
К дополнительным функциям защиты преобразователей частоты можно отнести следующие:
от пропадания фазы на входе;
от ошибок передачи данных;
от пропадания фаз на выходе.