Векторні частотні перетворювачі
Векторні частотні перетворювачі
Нас часто запитують, що, мовляв, в інструкції на імпортний частотник зустрічається фраза «space vector modulation». Значить він векторний, тобто краще за простий? Ні. Ця фраза означає лише спосіб формування синусоїдального струму в обмотках двигуна, так звана просторово-векторна модуляція, якщо перекласти на російську. Таких способів існує досить багато різних, у кожного свої переваги та недоліки, але до алгоритмів керування двигуном і тягових характеристик, що отримуються в результаті, вони не мають жодного відношення. Цією плутаниною у поняттях найчастіше користуються недобросовісні продавці, видаючи звичайні частотники за векторні. У наших перетворювачах також застосовується така модуляція (SVPWM), вона забезпечує досить точне формування синусоїдального струму, повне використання напруги мережі, порівняно низький рівень перешкод і акустичного шуму. Але вони не є векторними в класичному розумінні, хоча версія ПЗ 5-00 вже наближена до векторних за деякими характеристиками. Що ж тоді таке справжній векторний частотник, які переваги він дає? Щоб це зрозуміти, давайте згадаємо для початку, як працює трифазний електродвигун. Подивимося мал.1 .
Три пари обмоток розташовані на статорі по колу, кожна підключена до своєї фази мережі. За рахунок того, що напруга у фазах зрушена в часі, коли струм в одній парі котушок знижується, в наступній зростає, і загальне поле плавно перетікає на неї. Таким чином, при одночасної роботі всіх трьох пар котушок усередині мотора утворюється магнітне поле, що обертається по колу. Якщо ми помістимо туди магніт на валу або котушку зі струмом, він розгорнеться вздовж поля і обертатиметься разом із ним, як стрілка компаса. Так улаштований звичайний синхронний електродвигун. Як же отримати з нього максимально можливий момент, що крутить? Давайте уявімо, що час раптом зупинився в той момент, коли струм в обмотці 2 максимальний, і ротор розташувався якраз навпроти неї, як показано на малюнку. Це стійке положення, будь-який магніт завжди прагне розвернутися вздовж ліній поля. Але ми приклали до валу якийсь момент навантаження, тобто певне механічне зусилля. Ротор почне повертатися під дією цієї сили, а магнітне поле цьому протидіятиме. Ми ніби намагаємося розірвати два магніти, що злиплися, розтягуємо невидиму «магнітну пружину». Чим більше ми відхиляємо ротор від стійкого становища, тим важче нам це зробити, тим сильнішим він протидіє, прагне повернутися назад у стійке становище. Але зусилля може зростати лише до певної межі. При дуже великому відхиленні ротора він розташується вже навпроти сусідньої котушки 3, струм в якій зараз малий і поле слабке. Тобто зусилля на роторі залежить від кута його повороту щодо поля, і має максимум, коли ротор знаходиться в певному проміжному положенні між сусідніми полюсами. Те саме відбувається і при безперервному обертанні двигуна. Коли навантаження на валу немає, ротор розташований уздовж поля та обертається разом із ним. А під навантаженням ротор відстає від поля на кут тим більшим, чим більша величина навантаження. Якщо ж навантаження занадто велике, ротор відстане настільки, що потрапить у зону ослабленого поля і вже не зможе підтримувати обертання, двигун перестане тягнути і різко зупиниться, станеться так зване «перекидання двигуна», аварійна відмова. Таким чином, для отримання максимального моменту двигуна необхідно утримувати кут між полем статора та полем ротора на певній оптимальній величині у будь-яких умовах. Це і є основне завдання, яке вирішується за допомогою векторного керування.
Якщо це завдання вирішено правильно, двигун розвиває максимальний момент при даному струмі споживання, має високі динамічні характеристики, має відмінну керованість по моменту, швидкості і навіть куту повороту (згадайте модні нині гіроскутери та інші подібні іграшки). Те саме можна сказати не тільки про описаний вище синхронний двигун, який я навів для простоти розуміння, а й про асинхронний, який набагато ширше застосовується в промисловості. Відмінність тільки в тому, що в асинхронному двигуні замість справжнього магніту на роторі застосовується «віртуальний магніт», утворений за рахунок протікання індукованого струму в провідниках «біличної клітини», що робить двигун простіше і дешевше.
Як же вирішують це завдання утримання кута? Найпростіший і очевидніший спосіб – оснастити двигун будь-яким датчиком поточного положення ротора (енкодером, резольвером, сельсином, трансформатором, що обертається, датчиками Холла і т.п.). На підставі інформації з датчика процесор частотному перетворювачі може точно обчислити, які струми потрібно подавати в обмотки, щоб отримати правильний кут. Такі системи забезпечують найбільшу точність і динаміку управління і застосовуються в особливо відповідальних випадках, наприклад, для управління подачею інструменту в швидкодіючих верстатах з ЧПУ, наведенні телескопів, гарматних стовбурів і локаторів, вищезгаданих гіроскутерах. Однак двигун з датчиками набагато складніший і дорожчий за звичайний, вимагає додаткової сигнальної електропроводки, що робить систему менш надійною в цілому. Тому від початку появи частотних перетворювачів у 70-х роках минулого століття інженери всього світу ламають голови над тим, як забезпечити таку ж якість регулювання на звичайному двигуні, що не має датчиків. Було запропоновано багато непрямих алгоритмів визначення положення. Більшість з них використовує як вихідні дані миттєві напруги і струми фаз двигуна, які можна виміряти безпосередньо всередині перетворювача, не встановлюючи жодних датчиків на сам двигун. У цьому ще одна важлива відмінність векторного частотника від звичайного, процесор оперує з миттєвими величинами, які можуть надходити і оброблятися з частотою значно вище поточної частоти живлення двигуна. Звичайний частотник керує двигуном на основі середніх даних (частота, струм, напруга, іноді обороти), і якщо вихідні дані встигають значно змінитися протягом періоду поточної частоти, на якій працює двигун, виникає велика помилка регулювання. Якщо, наприклад, звичайний перетворювач, що не використовує спеціальні алгоритми покращеного скалярного управління, крутить двигун з частотою 50Гц, і ми задали йому режим стабілізації оборотів, він зможе добре відпрацьовувати зміни навантаження, що відбуваються приблизно за 20 мілісекунд, а на 5герцах вже за 02. секунди, що може бути неприйнятним. Швидкість реакції векторного перетворювача обмежена в основному електромагнітними постійними обмотоками самого двигуна і теоретично може становити одиниці мілісекунд навіть на низьких оборотах.
Але на практиці не все так райдужно. Інформація про поточне положення та швидкість обертання ротора міститься в струмах фаз тільки тому, що поле ротора перетинає провідники статора і створює в них деяку ЕРС, яка накладається на інші струми та напруги, що присутні у статорі. Коли ротор обертається повільно, ця ЕРС, що наводиться, дуже мала в порівнянні з потужними перешкодами від основного струму фаз, і її складно виділити. До того ж, щоб бездатчикове управління хоча б просто адекватно працювало, контролер у частотнику повинен заздалегідь знати фізичні параметри двигуна з досить високою точністю, щоб правильно проводити обчислення на ходу. Для цього вигадали всілякі процедури автокалібрування, автровизначення параметрів двигуна, що виконуються в процесі налагодження, але вони далеко не завжди дають точний результат, а також не враховують зміну параметрів від нагрівання при роботі під навантаженням. Саме ця неточність вихідних даних і не дозволяє завжди добре працювати такої, начебто, чудової математичної моделі, закладеної в мозок векторного частотника. І якщо потрібна гарантовано висока точність та швидкість реакції, все одно доводиться ставити датчик. А з датчиком і простий дешевий скалярний частотник дуже часто може забезпечити порівняні результати якості, особливо якщо в ньому передбачені спеціальні алгоритми струмообмеження та компенсації ковзання.
Спробуємо підсумувати сказане вище.
1. Якщо влаштовує точність підтримки заданої швидкості обертання 5 … 10% при зміні моменту навантаження 0 … 150% від номіналу, і діапазон стійкого регулювання швидкості вниз приблизно до 10% номінальної під навантаженням, можна використовувати практично будь-який скалярний частотник без будь-яких датчиків та зворотних зв’язків . Цього цілком достатньо для головних приводів верстатів, насосів, вентиляторів, компресорів та багатьох інших застосувань. Якщо потрібний підвищений момент на низьких оборотах, необхідно використовувати спеціальну корекцію залежності U/F на низьких частотах, яка передбачена у більшості частотників.
2. Якщо необхідно підвищити точність підтримки встановленої швидкості до 1..2% і розширити діапазон стабільного регулювання швидкості до приблизно до 2% номінальної, можна використовувати функцію компенсації ковзання в скалярному частотнику. Для правильної роботи цього алгоритму потрібно визначити реальні параметри двигуна на етапі налаштування (вручну або автоматично). Також можна використовувати векторний частотник у бездатчиковому режимі, він може мати деяку перевагу в швидкодії, але складніший у налаштуванні.
3. При більш високих вимогах до точності та діапазону без датчика не обійтися. З будь-яким частотником, хоч векторним, хоч скалярним. На швидкостях вище приблизно 2% від номінальної та не дуже високих вимог до швидкодії (десятки-сотні мілісекунд) у багатьох випадках можна обійтися скалярним частотником, настроївши ПІД регулятор (вбудований у частотник або зовнішній) на підтримку заданого параметра. Векторний частотник зможе стійко працювати практично від нульової швидкості, а також матиме швидшу реакцію на відхилення цільового параметра, але лише за умови, що реальні параметри електродвигуна введені в нього правильно при налаштуванні.
4. Якщо потрібні дуже різкі зміни швидкості (скажімо, розгін з нуля до номіналу швидше, ніж за 0.1 секунд), бажаний векторний частотник, тому що він зможе більш точно утримувати гранично допустимий струм під час розгону. Можна використовувати звичайний режим режиму струмообмеження, але працювати буде гірше, можливе перевищення струму і спрацьовування захисту. У будь-якому випадку для досягнення подібної динаміки під навантаженням потужність частотника повинна в 2 і більше разів перевищувати потужність електродвигуна, що використовується, незалежно від того, скалярний або векторний.
5. Якщо потрібно утримувати деякий заздалегідь встановлений момент у широкому діапазоні швидкостей (наприклад, у вузлі намотування будь-якого матеріалу (дроти, стрічки, плівки і т.п.), зазвичай застосовують векторний частотник. Але деякі скалярники теж мають такий режим і працюють непогано При малих потужностях (до 0,5…0.75кВт) можна працювати на ковзанні, налаштувавши частотник на живлення двигуна зниженою напругою. % практичних завдань цілком під силу звичайному скалярному частотнику, особливо якщо він має компенсацію ковзання і настроюване струмообмеження при перевантаженнях. орієнтовний характер і сильно залежать від конкретного двигуна та навантаження.Отримати консультацію щодо застосування та налаштування наших частотників для роботи в якихось особливих, нестандартних умовах можна у наших інженерів. Контакти наведено на сайті.