векторное и скалярное управление в чем разница
Способы управления асинхронным двигателем
Электропривод сегодня является основой большинства подъемно-транспортных, обрабатывающих комплексов. Одним из способов их плавной работы является векторное управление асинхронным двигателем, преобразующим электрическую энергию в механическую – вращение приводного вала и связанных с ним механизмов.
Что такое асинхронный двигатель?
Прежде чем переходить к модели, алгоритмам и системам управления электроприводом, нужно точно знать, что он собой представляет. Это позволяет выявить в его цепи такие моменты, которые можно будет использовать для организации плавного изменения ключевых характеристик (частота/скорость вращения, напряжение). Соответственно, можно определить параметры контроллера, разработать технологические карты для его размещения в шкафу и обслуживания.
Работа любого асинхронного двигателя базируется на возбуждении на контактных обмотках магнитного поля при подаче электричества от шкафа управления. Оно возникает на статоре – неподвижной части двигателя, которая состоит из кольцевого сердечника (магнитопровода), собранного из отдельных металлических пластин. Каждая из них имеет концентрические пазы на внутренней стороне кольца, которые при совмещении образуют продольные пазы. Они служат для намотки проволоки, составляющей основу статорной обмотки.
Также асинхронный двигатель имеет подвижную часть – ротор, совмещенный с приводным валом. Он также имеет пластинчатый сердечник с пазами, но уже на внешней стороне. Вместо проволоки используются медные прутки, которые по краям замыкаются пластинами (такой вариант двигателя называется с короткозамкнутым ротором).
За счет того, что частоты вращения магнитных полей статора и ротора отличаются, в обмотках последнего за счет индукции наводится электрический ток. Он, в свою очередь, побуждает электромагнитную силу, приводящую ротор в движение (вращение). Разница частот обычно называется скольжением. Его величина составляет порядка 2…10%.
Как можно управлять скоростью вращения двигателя?
Очевидно, что двигатель в обычном режиме работы от сети (электрического шкафа) имеет стандартную скорость/частоту вращения. Это ограничивает прямое его использование, вынуждая применять различные редукторные механизмы для понижения частоты до требуемой. Но даже тогда нет возможности динамично менять обороты, а вместе с ними, мощность, подачу, поскольку все равно остаются фиксированными частоты на выходе из двигателя и редуктора. Для расширения существующих рамок используют разные способы управления (частотные, импульсные, фазные и т. д), которые можно разделить на две большие группы:
Управление асинхронным двигателем
Отличие скалярного от векторного управления как раз заключается в возможности осуществления контроля возбуждения (потока). Фактически, он представляется как двигатель постоянного тока, имеющий независимые друг от друга обмотки. Такой подход позволяет создать подобную математическую модель системы работы контроллера.
Формы и схема векторного управления
Все существующие на сегодня системы векторного управления работой двигателей можно разделить на две группы:
Датчиковые системы являются более сложными, так как точность контроля составляет 1:10000. Бездатчиковые системы работают на уровне не более 1:100. Все частотники с учетом уровня создаваемых помех устанавливаются в центральных или отдельных шкафах.
Если представить все выше сказанное как наглядную схему, то получится нечто следующее:
Здесь можно видеть такие ключевые компоненты системы управления, как:
То, что на схеме отображено в виде блоков, на практике является всего лишь параметрическими элементами цепи управления, которая реализуется на микроконтроллере. Соответственно, сам контроллер и сопутствующие исполнительные механизмы монтируются в электрический шкаф. Для правильного монтажа разрабатывается технологическая карта.
Управление частотными контроллерами
Современные преобразователи частоты тока/напряжения работают и по скалярному, и по векторному варианту, используя параметрические математические модели, реализованные в программном коде встроенного микроконтроллера. Частотники электронного типа работают на тиристорных мостовых схемах и включают следующие основные компоненты:
Поскольку такой переход так или иначе влияет на форму графика выходного напряжения, то блочный контроллер/частотник может использовать в схеме дросселя и специальные ЕМС фильтры. Последние применяют для снижения интенсивности электромагнитных помех.
Управление частотными контроллерами
Центральный контроллер обеспечивает параметрическое управление схемой, а также вспомогательными задачами, например, диагностикой состояния, защитой от перегрузок и т. п. Сам частотник обычно монтируется в отдельный шкаф, чтобы уменьшить электромагнитные помехи на оборудование.
В целом, векторное управление, организованное на современном контроллере и преобразователе частоты, позволяет добиться плавного регулирования ключевых величин, а также побочных параметров работы оборудования. Ввиду наличия электромагнитных помех при работе, частотники обычно размещают отдельно от основного электрического шкафа.
Векторное и скалярное управление преобразователем частоты
Значительная доля всей генерируемой в мире электроэнергии потребляется двигателями переменного тока. Управление частотой питающего напряжения и тока позволяет снизить энергопотребление на 40-70%, а также повысить КПД и увеличить производительность оборудования.
Правильно подобрать способ управления – одна из главных задач проектировщика, правильное ее решение обеспечивает максимальный технико-экономический эффект. Рассмотрим достоинства и недостатки скалярного управления.
Способы управления
Наибольшее распространение в электроприводах двигателей до 1 кВ получили преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Регулирование частоты напряжения в таких устройствах достигается изменением циклов отпирания/запирания транзиторных ключей путем изменения длительности управляющих импульсов широтно-импульсного модулятора ШИМ.
Различают 2 способа управления:
Первый метод заключается в поддержании отношения величины, частоты и фазы напряжения питания двигателя. Такой способ позволяет регулировать скорость вращения вала в широком диапазоне, управлять моментом, обеспечивать жесткость механических характеристик во всем интервале частот, осуществлять пуск со значительной нагрузкой.
Однако, такой метод имеет свои недостатки. Главный из них – значительная вычислительная сложность. Векторные преобразователи частоты комплектуются высокопроизводительными контроллерами, что ведет к значительному удорожанию ПЧ. Такое оборудование используется в приводах механизмов с динамической нагрузкой, грузоподъемных устройств, точных механизмов и т.д.
Принцип скалярного или вольт-частотного управления заключается в поддержании постоянного числа U/f (скалярной величины и частоты напряжения питания) при любой угловой частоте вращения вала. При этом контролируется только величина и фаза напряжения на выходе частотного преобразователя. Рассмотрим принцип и виды скалярного регулирования подробнее.
Виды скалярного управления
Поддержание постоянной величины U/f обеспечивает относительно постоянный магнитный поток в зазоре двигателя. Если отношение напряжение/частота растет, электродвигатель переходит в перевозбужденное состояние, если снижается – электрическая машина приходит в невозбужденном состоянии.
Отношение U/f вычисляется из номинальных величин напряжения и частоты двигателя, фаза при этом не учитывается, таким образом, вычислительная сложность для устройства управления ШИМ не велика. Скалярные ПЧ комплектуют простыми контроллерами.
Различают 2 метода скалярного управляния:
Вольт-частотный способ без обратной связи широко применяется в схемах управления асинхронными электродвигателями, в приводе оборудования, работающего с постоянной нагрузкой.
Благодаря простой конструкции без датчиков обратной связи, невысоких требований к вычислительной способности управляющего блока, относительной низкой стоимости, такие ПЧ массово используються в несложных электроприводах. Скалярный метод позволяет реализовать групповое управление однотипными электродвигателями с одновременным пуском и остановкой.
Вольт-частотный способ управления с энкодером (датчиком оборотов или скорости) позволяет существенно расширить возможности метода. При этом величина U/f поддерживается при различных скоростях.
При возрастании угловой частоты вращения вала, напряжение на обмотках статора двигателя также должно увеличиваться. Однако, в асинхронных электрических машинах частота вращения магнитного поля статора не совпадает со скоростью вала. Скольжение при этом зависит от нагрузки. Для компенсации скольжения в схему электропривода добавляют датчик скорости или энкодер. Обратная связь позволяет повысить точность поддержания скорости до 0,03%. Таким образом, скалярное управления с энкодером позволяет устранить недостаточную точность регулирования угловой частоты вала.
К недостаткам метода относятся усложнение схемы, необходимость монтажа и настройки энкодера.
Преимущества и недоставки скалярного способа управления
Главное достоинство вольт-частотных ПЧ – простота и невысокая стоимость. Цена такого оборудования значительно меньше векторных преобразователей частоты. В схемах управления не нужно устанавливать датчик скорости на вал. Настройка скалярного преобразователя частоты также намного проще. Такие устройства также позволяют управлять несколькими электродвигателями.
Один из недостатков вольт-частотного управления – зависимость скорости вала от нагрузки. Без обратной скорости невозможно компенсировать скольжение ротора. Такое оборудование также не позволяет управлять частотой вращения и моментом на валу одновременно. Скалярные частотные преобразователи также не обладают высокой перегрузочной способностью. Еще один существенный недостаток – потеря жесткости механических характеристик на небольших скоростях.
Сфера применения
Несмотря на совершенствование векторного способа управления, скалярные частотные преобразователи по-прежнему широко используются. Область применение таких ПЧ – электроприводы различного назначения с постоянной или изменяющейся по известному закону нагрузкой.
Применение вольт-частотных преобразователей в вентиляционном и насосном оборудовании позволяет:
При помощи скалярных преобразователей можно задать режимы работы насосного или воздуходувного оборудования по известным законам регулирования.
Установка ПЧ в приводе станков:
Преобразователи частоты снижают стоимость производства путем снижения расходов на электроэнергию.
ПЧ также устанавливают на двигатели конвейеров и других механизмов подачи. Это позволяет:
Преобразователи частоты снижают износ механических узлов конвейерного оборудования, а также позволяют задавать режимы автоматического управления в зависимости от специфики производственных процессов.
Заключение
Выбор метода управления осуществляется на основании технических требований и экономических расчетов. Недорогие скалярные частотные преобразователи применяются в двигателях оборудования с постоянной нагрузкой, невысокими требованиями к перегрузочной способности, при отсутствии необходимости одновременной регулировки скорости и момента, а также точного регулирования скорости при оборотах ниже номинального значения.
Векторные преобразователи используют в приводах оборудования с высокодинамичной нагрузкой, при необходимости точного позиционирования, пуска с высоким моментом и в других сложных условиях.
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.
Методы управления электроприводом
В современном мире преобладающая часть промышленного производства, транспортных систем, сферы жизнеобеспечения человека в той степени развития, которая достигнута сегодня, основаны на выполнении технологических процессов, где применяется оборудование с электроприводом.
Как известно, электроприводом называется электромеханическая система для преобразования электрической энергии в механическую, основным звеном которой является электрический двигатель.
От первых опытов Майкла Фарадея в 1820-ых годах, в которых он изучал взаимовлияние магнитов и проводников, до создания современных комплексов управления электроприводом прошло уже почти 200 лет. Первым был изобретён двигатель на постоянных магнитах, который стал прототипом коллекторных двигателей, следующим шагом стало создание электродвигателей переменного тока, далее – первых асинхронных электродвигателей.
В середине прошлого века наметилось разделение развития электропривода на две основные ветви в соответствии с типом применения: на нерегулируемый и регулируемый привод. В нерегулируемом электроприводе большой мощности наиболее применимыми оказались синхронные двигатели, при невысоких мощностях – асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.
Двигатели с короткозамкнутым ротором с давних пор использовались исключительно в нерегулируемом электроприводе, так как возможность плавного регулирования скорости вращения двигателей не была в должной степени технически реализуема. Сейчас, благодаря достижениям микропроцессорной техники и электроники, ситуация кардинально поменялась, и частотно-регулируемый привод (ЧРП) стал основным типом регулируемого электропривода.
Различия скалярного и векторного методов управления
Техническим стандартом, по которому можно классифицировать современные преобразователи частоты (иначе, частотники или ПЧ, как их сокращенно называют) является метод управления, применяемый в этих устройствах при регулировании скорости вращения двигателя.
Методы управления подразделяются на:
О различии скалярного и векторного управления электроприводом можно догадаться уже по их названию.
Скалярное управление наиболее применимо в электроприводах небольшой сложности в силу относительной простоты и минимального набора требуемых для работы функциональных параметров. Подходит для применений, где требуется поддерживать постоянство (с ограниченным диапазоном и точностью, по сравнению с векторным) определенной технологической величины, и где отсутствуют большие динамические нагрузки.
Векторный метод управления относительно скалярного имеет бóльшую производительность, диапазон и точность регулирования, в том числе на малых оборотах двигателя, чем перекрывает практически все недостатки скалярного принципа управления.
Тот или иной метод управления выбирается в зависимости от требований, которые заданы для технологического процесса – это глубина и точность регулирования, необходимость управления моментом на валу двигателя, состояние привода при переходных процессах – при пуске/стопе, ускорении, торможении.
Скалярный метод управления. Назначение
Скалярный метод управления применяют для приводов малой и средней мощности с вентиляторной нагрузкой (т.е. для вентиляторов, насосов, компрессоров, дымососов с легким, либо нормальным режимом работы). Что особенно важно, при использовании скалярного метода имеется возможность управления многодвигательными приводами от одного преобразователя частоты. Жесткость статических характеристик привода практически приближена к естественной характеристике. Диапазон скалярного принципа управления, при котором возможно регулирование оборотов двигателя, без потери момента сопротивления не превышает 1:10. Благодаря этому достигается постоянная перегрузочная способность двигателя, которая не зависит от частоты приложенного напряжения, но на низких частотах может произойти перегрев двигателя и снижение развиваемого им момента. Для того чтобы этого избежать, производят установку ограничения минимального значения выходной частоты.
Изменение напряжения питания электродвигателя
при скалярном управлении
При необходимости увеличения жёсткости характеристики и расширения границ регулирования применяют различные аналоговые или импульсные датчики скорости. Для этого в преобразователях частоты имеются дискретно-аналоговые управляющие входы.
Преобразователи частоты, управление в которых реализовано на методе скалярного управления, как правило, невысокой стоимости, более простые и широко применимы в электроприводе, где отсутствуют критичные требования к точности и диапазону регулирования. При вводе в работу подобных преобразователей достаточно учитывать лишь номинальные величины параметров электропривода, осуществить настройку стандартных опций защиты и управления.
Применение
Учитывая вышеназванные особенности, можно рассмотреть следующие возможности применения для скалярного управления частотным преобразователем:
Системы водоснабжения и водоотведения представляют собой довольно сложную технологическую структуру, основные элементы которой – трубопроводные магистрали и насосные установки.
Электропривод насосных установок
Применение скалярного метода управления для выполнения плавного пуска, торможения и регулирования скорости вращения привода насосов снижает интенсивность гидравлических ударов, что позволяет сократить количество профилактических ремонтов оборудования и вероятность аварийных ситуаций, связанных с механическими нагрузками (преждевременный износ муфт, редукторов, подшипников двигателей).
При увеличении скорости напряжения питания статора пропорционально увеличивается. Скалярное управление способствует удержанию постоянства момента на валу в рабочем диапазоне частот (но на невысоких скоростях момент снижается, для этого в преобразователях частоты есть возможность задания момента для нижней границы скорости).
Для насосных систем имеется возможность настройки в ПЧ следующих полезных функций (в особенности, для тех ПЧ, которые предназначены для систем отопления, вентиляции и кондиционирования – так называемые HVAC системы):
Доступны также другие прикладные функции для оптимизации и защиты насосного привода (контроль заполнения трубопровода, контроль давления/расхода, заклинивания и т.д.).
Важным преимуществом скалярного метода является возможность одновременного управления группой агрегатов. Частотным преобразователем совместно с алгоритмом системы управления производится изменение скорости вращения привода, а также, при необходимости, числа одновременно работающих механизмов.
Вышеописанные прикладные функции имеются в преобразователях частоты и для электроприводов систем вентиляции и кондиционирования.
Векторный метод управления. Назначение
Преобразователи с частотно-векторным управлением в основном применяют для электроприводов с тяжелым режимом работы (вентиляторы высокой мощности, подъемное, буровое оборудование, системы позиционирования). Векторный метод управления не только формирует гармонические токи и напряжения фаз (как при скалярном методе), но и позволяет производить регулирование магнитного потока электродвигателя. Таким образом, производится управление магнитным полем статора и ротора, регулируется их взаимодействие между собой для оптимизации момента вращения на различных частотах. При этом, улучшается динамика электропривода за счет специального встроенного канала управления моментом нагрузки. Внутренняя обработка процессов регулирования в современных частотниках выполняется на базе мощного процессорного оборудования.
Векторной метод управления заключается в математическом представлении модели двигателя. Возможность такого решения основана на том, что проекция пространственного вектора тока статора на ось полюсов магнитного поля ротора (продольную ось) пропорциональна величине магнитного потока, а проекция на поперечную ось пропорциональна величине электромагнитного момента. Такой более прогрессивный метод позволяет независимо и почти безынерционно регулировать момент на валу и скорость вращения двигателя под нагрузкой.
Пространственный вектор
при векторном методе управления
Главной трудностью для реализации векторной системы управления является определение нахождения оси магнитного поля ротора в пространстве. Данная задача решается при помощи датчиков Холла, установленных в электроприводе, либо расчётом по известным соотношениям, где исходными данными являются мгновенные величины тока, напряжения статора и скорость вращения ротора. В среднебюджетных приводах применяется преимущественно расчётный метод, часто это системы управления двигателем без обратной связи по скорости. Такая система управления называется бездатчиковая – управление по разомкнутому контуру.
Если требования к точности регулирования скорости допускают отклонение до 1,5%, а диапазон – менее 1:100, то может быть использована бездатчиковая система управления – управление по замкнутому кругу. При требовании точности регулировки скорости с отклонением менее 0,2% и диапазона 1:10000 применяется управление с датчиком скорости на валу. Такие системы называются системами управления двигателем с обратной связью по скорости и позволяют регулировать момент на малых частотах (до 1 Гц).
По сравнению со скалярным, векторный метод управления имеет следующие преимущества:
Несмотря на ряд весомых преимуществ стоит отметить, что вычислительная сложность при векторном методе управления высока, и при расчете оптимальных режимов работы привода необходимо учитывать большое количество параметров электропривода. Но там, где требуется обеспечивать широкий диапазон и точность регулирования, особенно, на низких частотах вращения, векторный преобразователь частоты будет незаменим.
Применение
В качестве объекта электропривода, где широко применим векторный метод управления, можно привести в пример подъемные механизмы, в частности – лифтовое оборудование.
Электропривод лифтового оборудования
По данным исследований было выявлено, что электропривод, где применен преобразователь частоты для управления лифтовым оборудованием, экономит почти 40% электроэнергии (по сравнению с применениями без ПЧ). Помимо экономии электроэнергии, применение векторных преобразователей частоты обеспечивает следующие преимущества:
Как показала практика подобных применений, при использовании векторных преобразователей частоты в лифтовых системах окупаемость частотников не превышает 1,5-2 лет. При этом существенно уменьшаются затраты на обслуживание и ремонт электроприводного комплекса лифта.
Таким образом, выбирая на практике между скалярным и векторным методом регулирования скорости вращения электропривода, необходимо оценить требования, которые предъявляются к объекту управления – это диапазон и точность регулирования технологических величин, необходимость удержания момента на валу двигателя (в особенности, на малых частотах вращения), требования к контролю привода в аварийных ситуациях.
Отталкиваясь от этого, и принимая во внимание описанные в данной статье особенности применения векторного либо скалярного регулирования, можно сделать выводы о том, какой способ управления является более предпочтительным для Вашего применения.
 | Хотите сохранить эту статью? Скачайте её в формате PDF |  | Остались вопросы? Обсудите эту статью на нашей странице В Контакте |  | Хочешь читать статьи первым, подписывайся на наш канал в Яндекс.Дзен |
Рекомендуем прочитать также:
Выбор преобразователя частоты для привода переменного тока
Пять вопросов при выборе преобразователя частоты