Co znamená rychlé nabíjení smartphonu? Rychlé nabíjení: co potřebujete vědět o kabelech a chytrých telefonech. Které smartphony podporují rychlé nabíjení?

1

Při návrhu frekvenčního řízení elektrického pohonu je potřeba sestavit adekvátní modely, které plně zohledňují specifika probíhajících elektromechanických procesů v motoru. Pro testování modelů je nutné je porovnat s fyzikálně realizovaným procesem na reálném zařízení, v tomto ohledu je potřeba zjistit parametry reálných elektromotorů pro kontrolu přiměřenosti modelu. Článek popisuje matematický model vektorového řízení asynchronního elektromotoru. Model umožňuje sledovat elektromechanické procesy v elektromotoru během jeho provozu. Byly získány grafy mechanických a elektrických přechodových procesů charakterizujících rozběh elektromotoru. Byla zkonstruována mechanická charakteristika elektromotoru s vektorovým řízením, která jasně ukazuje nárůst rozsahu zatížení. Byla posouzena přiměřenost modelu. V r byly prováděny matematické experimenty a tvorba modelů grafické prostředí simulační modelování Simulink je aplikace do balíku Matlab.

střídač

matematický model

mechanické vlastnosti

vektorové ovládání

asynchronní motor

1. Vinogradov A.B. Vektorové řízení elektrických pohonů AC/ GOU VPO “Státní energetická univerzita Ivanovo pojmenovaná po V.I. Lenin“. – Ivanovo, 2008. – 297 s.

2. Likhodedov A.D. Konstrukce mechanické charakteristiky asynchronního motoru a její testování // Současné problémy věda a vzdělání. – 2012. – č. 5. – URL: http://www..09.2012).

3. Usoltsev A.A. Vektorové řízení asynchronních motorů: tréninkový manuál v disciplínách elektromechanického cyklu. – Petrohrad, 2002.

4. Šuvalov G.A. Úspora elektřiny pomocí frekvenčního měniče // Elektrická zařízení: provoz a opravy. – 2012. – č. 2.

5. Blaschke, F. Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage für die Transvector-Regelung von Drehfeldmaschinen (v němčině), Siemens-Zeitschrift 45, Heft 10, 1971.

6. PLC - je to snadné!! Vektorové ovládání. – URL: http://plc24.ru/vektornoe-upravlenie/ (datum přístupu: 9. 12. 2012).

Vývoj asynchronního elektrického pohonu s vektorovým řízením

Je obvyklé rozlišovat mezi dvěma hlavními způsoby řízení střídavých elektrických pohonů, které používají jako měniče energie polovodičové frekvenční měniče: frekvenční a vektorový.

Při řízení frekvence v elektrickém pohonu je implementován jeden ze statických zákonů ovládání frekvence(například atd.). Na výstupu řídicího systému je generována úloha pro frekvenci a amplitudu výstupního napětí měniče. Rozsah použití těchto systémů: asynchronní elektrický pohon, který nemá zvýšené statické a dynamické požadavky, ventilátory, čerpadla a další obecné průmyslové mechanismy.

S vektorovým řízením se řízení provádí na základě okamžitých hodnot proměnných. V digitálu vektorové systémyřízení lze provádět pomocí ekvivalentních (průměrovaných za kontrolní diskrétní interval) proměnných.

V roce 1971 Blaschke navrhl princip konstrukce řídicího systému pro asynchronní motor, který používal vektorový model motoru s orientací souřadnicového systému podél vazby rotorového toku. Tento princip se také nazývá přímé řízení točivého momentu. Vektorové řízení umožňuje výrazně zvýšit dosah ovládání, přesnost ovládání a zvýšit rychlost elektrického pohonu. Tato metoda poskytuje přímou kontrolu točivého momentu motoru.

Točivý moment je určen proudem statoru, který vytváří budící magnetické pole. Při přímém řízení točivého momentu je nutné kromě amplitudy měnit i fázi statorového proudu, tedy vektor proudu. Odtud pochází termín „vektorová kontrola“.

Pro řízení proudového vektoru a tím i polohy magnetického toku statoru vzhledem k rotujícímu rotoru je nutné v každém okamžiku znát přesnou polohu rotoru. Problém lze vyřešit buď pomocí dálkové čidlo polohu rotoru, nebo určením polohy rotoru pomocí výpočtů na základě jiných parametrů motoru. Jako tyto parametry se používají proudy a napětí vinutí statoru.

Levnější je frekvenční měnič s vektorovým řízením bez senzoru. zpětná vazba rychlost, nicméně vektorové řízení vyžaduje velký objem a vysokou rychlost výpočtů z frekvenčního měniče. Navíc pro přímé řízení točivého momentu při nízkých otáčkách blízkých nule není provoz elektrického pohonu s proměnnou frekvencí bez zpětné vazby otáček nemožný. Vektorové řízení se zpětnovazebním snímačem rychlosti poskytuje regulační rozsah až 1:1000 a vyšší, přesnost regulace rychlosti je setin procenta, přesnost točivého momentu je několik procent.

Napájení IM a SM v režimu vektorového řízení je realizováno z invertoru, který může kdykoliv zajistit požadovanou amplitudu a úhlovou polohu vektoru napětí (nebo proudu) statoru. Amplituda a poloha vektoru vazby rotorového toku jsou měřeny pomocí pozorovatele (matematický aparát, který umožňuje obnovit neměřené parametry systému). V závislosti na provozních podmínkách elektropohonu je možné řídit elektromotor jak v režimech s normální přesností, tak v režimech se zvýšenou přesností zpracování úlohy otáček nebo točivého momentu. Například frekvenční měnič poskytuje přesnost udržování rychlosti otáčení ±2-3% v režimu U/f, s vektorovým řízením bez snímače rychlosti ±0,2%, s plným vektorovým řízením se snímačem rychlosti přesnost ± je poskytnuto 0,01 %.

Obecná zásada IM vektorové řízení

V budoucnu budeme používat následující indexy souřadnicových systémů: a-b - pevný souřadnicový systém (), orientovaný podél osy fáze a vinutí statoru; x-y - souřadnicový systém rotující synchronně s rotorem () a orientovaný podél fázové osy a jeho vinutí; d-q - souřadnicový systém rotující synchronně s vazbou rotorového toku () a orientovaný v jeho směru; m-n je libovolně orientovaný souřadnicový systém rotující libovolnou rychlostí.

Obecným principem modelování a konstrukce řídicího systému IM je, že se k tomuto účelu používá souřadnicový systém, neustále orientovaný ve směru libovolného vektoru, který určuje elektromagnetický moment. Pak průmět tohoto vektoru na druhou souřadnicovou osu a odpovídající člen ve výrazu pro elektromagnetický točivý moment bude roven nule a formálně bude mít tvar shodný s výrazem pro elektromagnetický točivý moment motoru. DC, který je co do velikosti úměrný proudu kotvy a hlavnímu magnetickému toku.

V případě orientace souřadnicového systému podél vazby rotorového toku ( ) okamžik může být reprezentován jako:

, (1)

kde je svodová indukčnost obvodu rotoru, je indukčnost magnetizačního obvodu, je počet pólových párů a je projekce statorových proudů na osy souřadnicového systému.

Podle tento výraz Za předpokladu, že vazba rotorového toku je konstantní, je možné řídit elektromagnetický moment změnou projekce statorového proudu na příčnou osu. Volba rovnice pro konstrukci řídicího systému hraje velkou roli, protože mnoho veličin, zejména u zkratového krevního tlaku, nelze změřit. Navíc tato volba významně ovlivňuje složitost systémových přenosových funkcí, někdy i několikanásobně zvyšuje pořadí rovnic.

Chcete-li sestavit systém vektorového řízení IM, musíte vybrat vektor, vůči kterému bude souřadný systém orientován, a odpovídající výraz pro elektromagnetický točivý moment a poté určit veličiny v něm obsažené z rovnic pro stator a/nebo obvod rotoru (2):

, (2, a)

, (2, b)

kde je napětí vinutí statoru vektorová forma; - aktivní odpory vinutí statoru a rotoru; komponenty jsou spojeny se změnami vazby toku v průběhu času v důsledku změn proudů v průběhu času a nazývají se transformační emf, analogicky s procesy jeho buzení v odpovídajícím elektrickém stroji; složky , - jsou spojeny se změnou vazby toku v důsledku rotace rotoru a nazývají se rotační emf.

Zvolíme-li vazbu rotorového toku jako referenční vektor a orientujeme ji podél souřadnicový systém takže jeho skutečná osa se shoduje se směrem, pak se úhlová frekvence otáčení souřadnicového systému bude rovnat úhlové frekvenci napájení statoru, protože Vektory toku statoru a rotoru rotují se stejnou frekvencí. Použití vektoru vazby rotorového toku teoreticky poskytuje větší přetížitelnost IM.

V tomto případě se projekce vektoru proudu statoru, s přihlédnutím k tomu, že , rovnají:

(3)

kde je elektromagnetická časová konstanta rotoru.

Vyjádřeme vazbu toku a úhlovou frekvenci rotoru:

(4)

S využitím projekce proudu statoru tak může být řízena vazba rotorového toku a přenosová funkce tohoto kanálu odpovídá aperiodické vazbě s časovou konstantou rovnou časové konstantě rotoru; a pomocí projekce je možné nezávisle a bez setrvačnosti řídit frekvenci rotoru.

V tomto případě lze elektromagnetický točivý moment IM určit na základě znalosti frekvence rotorových proudů pro dané propojení toku:

, (5)

Výrazy - určují vztah mezi průměty statorového proudu na souřadnicové osy, vazbou toku, frekvencí rotoru a elektromagnetickým momentem IM. Z výrazu a pohybové rovnice vyplývá, že točivý moment lze řídit bez setrvačnosti dvěma vstupními signály: vazbou toku a frekvencí rotoru. Tyto signály souvisejí s projekcemi vektoru statorového proudu pomocí výrazů. Proto vektorové řídicí zařízení obsahuje souřadnicovou oddělovací jednotku (RC), která provádí transformace podle výrazů (3), a také rotátor, který otáčí vektor statorového proudu ve směru opačném k otáčení rotoru IM. Vstupní signály pro řídicí zařízení bude lineární síťové napětí a frekvence napájecího napětí odpovídající vazbě toku a frekvenci rotoru. Název souřadnicového oddělovacího bloku pochází z jeho funkce generování signálů odpovídajících nezávislým (odděleným, odděleným) projekcím vektoru statorového proudu (obrázek 1).

Rýže. 1. Blokové schéma souřadnicový oddělovací blok.

Z výrazu pro elektromagnetický moment (5) a obecná rovnice pohybu, můžete získat přenosovou funkci IM pomocí kanálu řízení frekvence rotoru:

kde je mechanická časová konstanta. Tato přenosová funkce je plně v souladu se stejnosměrným motorem, takže konstrukce elektrických pohonných systémů s vektorovým řízením IM se neliší od stejnosměrných pohonů.

Je třeba poznamenat, že řídicí zařízení může vykonávat své funkce pouze za podmínky, že parametry IM obsažené v přenosových funkcích jeho spojů odpovídají skutečným hodnotám, jinak bude vazba toku a frekvence rotoru v IM a v řídicím zařízení se od sebe liší. Tato okolnost vytváří značné obtíže při zavádění systémů vektorového řízení v praxi, protože parametry krevního tlaku se během operace mění. To platí zejména pro hodnoty aktivních odporů.

Matematický popis transformací souřadnic

Pokud je aktuální vektor reprezentován v pevném souřadnicovém systému (a, b), pak přechod do nový systém souřadnice (x,y), otočené vzhledem k původní o určitý úhel (obrázek 2a), se provede z následujícího vztahu argumentů komplexních čísel:

Nebo (7)

Rýže. 2. Zobecněný proudový vektor v různých souřadnicových systémech.

Pro souřadnicový systém rotující s konstantní úhlovou frekvencí je úhel roven .

Transformaci souřadnic lze zapsat v rozšířené podobě takto:

Zde můžete najít složky vektoru ve formě matice:

, (9)

kde , jsou okamžité hodnoty proudů odpovídajících vinutí.

Nezbytným prvkem vektorového řídicího systému IM je rotátor, který transformuje vektorové souřadnice v souladu s výrazem (9).

K transformaci proměnných ze souřadnicového systému (d, q) do souřadnicového systému (a, b) použijeme následující rovnice:

kde γ je úhel orientace pole. Blokové schéma rotátoru je na obrázku 3.

Rýže. 3. Blokové schéma rotátoru.

Matematický model krevního tlaku

Asynchronní motor je modelován v souřadnicovém systému - α, β. Rovnice odpovídající tomuto souřadnicovému systému jsou popsány soustavou rovnic:

(11)

kde: , , , - složky vektorů vazby statorového a rotorového toku v souřadnicových systémech; , - složky vektoru statorového napětí v souřadnicových systémech; - aktivní odpor vinutí statoru a rotoru; - celkové indukčnosti vinutí (17), (18) statoru a rotoru - koeficienty elektromagnetické vazby statoru a rotoru (12), (13); p - počet pólových párů; - mechanická rychlost rotoru; J je moment setrvačnosti rotoru motoru; - moment odporu na hřídeli motoru.

Hodnoty celkových indukčností vinutí a koeficienty elektromagnetické vazby statoru a rotoru se vypočítají pomocí vzorců:

kde: - svodová indukčnost; - indukčnost magnetizačního obvodu,

Kde: - indukční reaktance rozptyl vinutí statoru a rotoru; - indukční reaktance magnetizačního obvodu; f je frekvence napětí přiváděného do statoru.

Při řešení soustavy diferenciálních rovnic v souřadnicích (11) lze získat dynamickou mechanickou charakteristiku a časovou charakteristiku stavové proměnné(například točivý moment a rychlost), které dávají představu o procesech probíhajících v motoru. Složky napětí přiváděného do statorového vinutí motoru se vypočítají podle vzorce:

(19)

kde U- efektivní hodnotu napětí přiváděné na stator.

Řešení rovnic spočívá v integraci levé a pravé strany každé diferenciální rovnice systému:

(20)

Aktuální závislosti se počítají pomocí rovnic:

(21)

Údaje o pasu AD DMT f 011-6у1 jsou uvedeny v článku.

Obrázek 4 ukazuje model IM řízeného statorovým proudem v souřadnicovém systému orientovaném podél vazby rotorového toku.

Rýže. 4. Model vektorového řízení IM v prostředí Simulink:

AD - asynchronní motor;

УУ - řídicí zařízení, včetně: RK - souřadnicová oddělovací jednotka, R - rotátor;

N je zatížení, které zohledňuje i odpor ložisek.

Model vektorového řízení IM umožňuje sledovat elektromagnetické procesy probíhající v asynchronním motoru během jeho provozu.

Následující graf (obrázek 5) ukazuje mechanické charakteristiky elektromotoru s vektorovým řízením, získané modelováním, v porovnání s mechanickými charakteristikami elektromotoru bez regulátoru, získanými v celorozsahovém experimentu.

Rýže. 5. Porovnání mechanických charakteristik.

Jak můžete vidět z grafu, při vektorovém řízení se mechanická charakteristika asynchronního motoru ztuhne, v důsledku čehož se rozsah přetížení rozšiřuje. Charakteristické hodnoty v rozsahu od 0 do 153 Nm se mírně liší, chyba je pouze 1,11 %, proto výsledný matematický model dostatečně odráží provoz reálného motoru a lze jej použít pro provádění experimentů v inženýrské praxi.

Závěr

Použití vektorového řízení umožňuje přímo řídit elektromagnetický moment elektromotoru změnou amplitudy a fáze napájecího napětí. Pro vektorové řízení asynchronního motoru jej musíte nejprve zredukovat na zjednodušený dvoupólový stroj, který má dvě vinutí na statoru a rotoru, podle kterých existují souřadnicové systémy spojené se statorem, rotorem a polem. Vektorové řízení implikuje přítomnost matematického modelu nastavitelného elektromotoru v řídicím propojení.

Mechanické charakteristiky získané z provozu popsaného modelu potvrzují teoretické informace o vektorovém řízení. Model je vyhovující a lze jej použít pro další experimenty.

Recenzenti:

Shvetsov Vladimir Alekseevich, doktor technických věd, profesor katedry RES KamchatSTU, Petropavlovsk-Kamchatsky.

Potapov Vadim Vadimovich, doktor technických věd, profesor pobočky federální univerzity Dálného východu, Petropavlovsk-Kamčatskij.

Bibliografický odkaz

Likhodedov A.D., Portnyagin N.N. MODELOVÁNÍ VEKTOROVÉHO ŘÍZENÍ ASYNCHRONNÍHO ELEKTRICKÉHO POHONU // Moderní problémy vědy a vzdělávání. – 2013. – č. 1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8213 (datum přístupu: 03/18/2019). Dáváme do pozornosti časopisy vydávané nakladatelstvím "Akademie přírodních věd"

• Konzultace

- Co je vektorové řízení?
- Udržujte proud na 90 stupních.

Pojem „vektorové řízení“ elektromotorů zná každý, kdo se alespoň trochu zajímal o otázku, jak ovládat střídavý motor pomocí mikrokontroléru. Obvykle je však v každé knize o elektrických pohonech kapitola o vektorovém řízení někde blízko konce, skládající se z hromady chlupatých vzorců s odkazy na všechny ostatní kapitoly knihy. Proč této problematice vůbec nechceš rozumět? A i ta nejjednodušší vysvětlení stále procházejí diferenciálními rovnicemi rovnováhy, vektorovými diagramy a hromadou další matematiky. Z tohoto důvodu se zdá, že podobné pokusy nějak zapnou motor bez použití hardwaru. Ale ve skutečnosti je vektorové ovládání velmi jednoduché, pokud pochopíte princip jeho fungování „na prstech“. A pak bude zábavnější se v případě potřeby zabývat vzorci.

Princip činnosti synchronního stroje

Uvažujme o principu činnosti nejjednoduššího střídavého motoru - synchronního stroje s permanentním magnetem. Vhodným příkladem je kompas: jeho magnetická střelka je rotor synchronního stroje a magnetické pole Země je magnetické pole statoru. Bez vnější zátěže (a v kompasu žádná není, kromě tření a kapaliny, která tlumí vibrace střelky), je rotor vždy orientován podél pole statoru. Pokud držíme kompas a otáčíme Zemí pod ním, střelka se bude točit spolu s ním a bude pracovat na promíchání tekutiny uvnitř kompasu. Existuje ale o něco jednodušší způsob - můžete si vzít externí magnet například ve formě tyče s póly na koncích, jejíž pole je mnohem silnější magnetické pole Zemi, přineste ji shora ke kompasu a otočte magnetem. Šipka se bude pohybovat podle rotujícího magnetického pole. U skutečného synchronního motoru je pole statoru vytvářeno elektromagnety - cívkami s proudem. Obvody vinutí tam jsou složité, ale princip je stejný - vytvářejí magnetické pole se statorem, nasměrované v požadovaném směru a mající požadovanou amplitudu. Podívejme se na následující obrázek (Obrázek 1). Ve středu je magnet - rotor synchronního motoru ("šipka" kompasu) a po stranách jsou dva elektromagnety - cívky, z nichž každý vytváří své vlastní magnetické pole, jeden ve vertikální ose, druhý v horizontále.

Obrázek 1. Princip činnosti synchronního elektrického stroje

Magnetický tok cívky je úměrný proudu v ní (k první aproximaci). Nás bude zajímat magnetický tok od statoru v místě, kde se nachází rotor, tzn. ve středu obrázku (zanedbáváme okrajové efekty, rozptyl a vše ostatní). Magnetické toky dvou kolmo umístěných cívek se vektorově sčítají a tvoří jeden společný tok pro interakci s rotorem. Ale protože je tok úměrný proudu v cívce, je vhodné kreslit vektory proudu přímo a zarovnat je s tokem. Obrázek ukazuje některé proudy Já α A Já β, vytvářející magnetické toky podél os α a β. Celkový vektor proudu statoru já s vytváří společně řízený statorový magnetický tok. Tito. v podstatě já s symbolizuje vnější magnet, který jsme ke kompasu přivedli, ale vytvořili ho elektromagnety - cívky s proudem.
Na obrázku je rotor umístěn v libovolné poloze, ale z této polohy bude mít rotor tendenci se otáčet podle magnetického toku statoru, tzn. podle vektoru já s(poloha rotoru je v tomto případě znázorněna tečkovanou čarou). Pokud tedy aplikujete proud pouze na fázi α , řekněme Já α= 1A, rotor bude stát vodorovně, a pokud je v β, svisle, a pokud použijete Já β= -1 A pak se otočí o 180 stupňů. Pokud dodáváte proud Já α podle sinusového zákona a Já β podle zákona kosinusu času vznikne rotující magnetické pole. Rotor jej bude následovat a otáčet se (jako střelka kompasu sleduje otáčení magnetu ručně). Tento základní princip provoz synchronního stroje, v tomto případě dvoufázového s jedním párem plusů.
Nakreslíme graf momentu motoru v závislosti na úhlové poloze hřídele rotoru a vektoru proudu já s stator – úhlová charakteristika synchronního motoru. Tato závislost je sinusová (obrázek 2).

Obrázek 2. Úhlová charakteristika synchronního stroje (zde dochází k určitému historickému zmatku se znaky momentu a úhlu, proto se charakteristika často kreslí obráceně vzhledem k vodorovné ose).

Chcete-li získat tento graf v praxi, můžete umístit snímač točivého momentu na hřídel rotoru a poté zapnout libovolný vektor proudu, například jednoduše přivést proud do fáze α. Rotor se otočí do příslušné polohy, která musí být brána jako nulová. Poté pomocí snímače točivého momentu musíte otočit rotor „ručně“ a v každém bodě zafixovat úhel na grafu θ , který byl otočen, a okamžik, který senzor ukázal. Tito. musíte protáhnout „magnetickou pružinu“ motoru přes snímač točivého momentu. Největší moment bude pod úhlem 90 stupňů od aktuálního vektoru (od začátku). Amplituda výsledného maximálního momentu M max je úměrná amplitudě aplikovaného vektoru proudu. Pokud použijeme 1A, dostaneme řekněme M max = 1 N∙m (newton*metr, jednotka měření točivého momentu), pokud použijeme 2A, dostaneme M max = 2 N∙m.

Z této charakteristiky vyplývá, že se motor vyvíjí největší moment, když je rotor v úhlu 90° k aktuálnímu vektoru. Protože při vytváření řídicího systému na mikrokontroléru chceme z motoru získat nejvyšší točivý moment s minimálními ztrátami a ztráty jsou především proudem ve vinutích, je nejracionálnější vždy nastavit proud vektor v úhlu 90° k magnetickému poli rotoru, tzn. kolmo k magnetu na obrázku 1. Vše musíme změnit obráceně - rotor se nepohybuje směrem k nám nastavenému vektoru proudu, ale vždy nastavíme vektor proudu na 90° k rotoru, ať se tam otáčí jakkoli , tj. „přibijte“ proudový vektor k rotoru. Točivý moment motoru budeme regulovat amplitudou proudu. Čím větší je amplituda, tím vyšší je točivý moment. Ale frekvence otáčení, frekvence proudu ve vinutí už není „naše“ věc - co se stane, jak se rotor otáčí, tak to bude - řídíme točivý moment na hřídeli. Kupodivu se přesně tomu říká vektorové řízení – když řídíme vektor statorového proudu tak, aby byl v úhlu 90° k magnetickému poli rotoru. Ačkoli některé učebnice poskytují širší definice, a to do té míry, že vektorové řízení obecně odkazuje na jakékoli řídicí zákony, kde jsou zapojeny „vektory“, ale obvykle se vektorové řízení týká přesně výše uvedené metody řízení.

Vytvoření struktury vektorového řízení

Jak se ale v praxi dosahuje vektorového řízení? Je zřejmé, že nejprve musíte znát polohu rotoru, abyste měli vůči čemu měřit 90°. Nejjednodušší způsob, jak toho dosáhnout, je nainstalovat samotný snímač polohy na hřídel rotoru. Pak musíte přijít na to, jak vytvořit proudový vektor a udržovat požadované proudy ve fázích α A β . Na motor přivádíme napětí, ne proud... Ale jelikož chceme něco podpořit, musíme to změřit. Proto pro vektorové řízení budete potřebovat snímače fázového proudu. Dále je potřeba sestavit vektorovou řídicí strukturu ve formě programu na mikrokontroléru, který se postará o zbytek. Aby toto vysvětlení nevypadalo jako návod „jak nakreslit sovu“, pokračujme v ponoru.
Proud můžete udržovat pomocí mikrokontroléru pomocí softwarového PI (proporcionálně-integrálního) regulátoru proudu a PWM. Například struktura s regulátorem proudu pro jednu fázi α je znázorněna níže (obrázek 3).

Obrázek 3. Proudově uzavřená řídicí struktura pro jednu fázi

Zde je aktuální nastavení i α_back– určitá konstanta, proud, který chceme pro tuto fázi udržet, například 1A. Úloha je odeslána do sčítačky regulátoru proudu, jejíž zveřejněná struktura je znázorněna výše. Pokud čtenář neví, jak funguje PI regulátor, tak bohužel. Něco z toho mohu jen doporučit. Regulátor výstupního proudu nastavuje fázové napětí U α. Napětí je přiváděno do bloku PWM, který vypočítává nastavení pracovního cyklu (srovnávací nastavení) pro časovače PWM mikrokontroléru a generuje PWM na můstkovém invertoru se čtyřmi spínači. U α. Algoritmus může být různý, např. pro kladné napětí je PWM pravé sestavy úměrné nastavení napětí, spodní spínač je sepnut vlevo, pro záporné PWM levý, spodní spínač je sepnutý vpravo. Nezapomeňte přidat mrtvý čas! Výsledkem je, že taková struktura dělá ze softwaru „zdroj proudu“ na úkor zdroje napětí: nastavíme hodnotu, kterou potřebujeme i α_back, A tato struktura implementuje to s určitou rychlostí.

Dále si možná někteří čtenáři již mysleli, že struktura vektorového řízení je jen maličkost - musíte nainstalovat dva regulátory proudu, jeden regulátor pro každou fázi, a vytvořit na nich úlohu v závislosti na úhlu od snímače polohy rotoru ( RPS), tj. vytvořte něco jako tuto strukturu (obrázek 4):

Obrázek 4. Nesprávná (naivní) struktura vektorového řízení

To nemůžeš. Když se rotor otáčí, proměnné i α_back A i β_back bude sinusový, tzn. úkol pro současné regulátory se bude neustále měnit. Rychlost ovladače není nekonečná, takže když se úkol změní, hned ho nezpracuje. Pokud se úkol neustále mění, regulátor jej vždy dohoní a nikdy ho nedosáhne. A s rostoucími otáčkami motoru prodleva skutečný proud od daného to bude víc a víc, až se mu požadovaný úhel 90° mezi proudem a magnetem rotoru přestane vůbec podobat a přestane jím být vektorové řízení. Proto to dělají jinak. Správná struktura je následující (obrázek 5):

Obrázek 5. Struktura řízení vektorového snímače pro dvoufázový synchronní stroj

Zde byly přidány dva bloky - BKP_1 a BKP_2: bloky transformací souřadnic. Dělají velmi jednoduchá věc: otočit vstupní vektor o daný úhel. Navíc BOD_1 se změní na + ϴ , a BKP_2 na - ϴ . To je celý rozdíl mezi nimi. V zahraniční literatuře se jim říká Parkové proměny. BKP_2 provádí transformaci souřadnic pro proudy: z pevných os α A β , svázaný se statorem motoru, s rotačními osami d A q, přivázaný k rotoru motoru (pomocí úhlu polohy rotoru ϴ ). A BKP_1 provede obrácenou transformaci, od nastavení napětí podél os d A q dělá přechod do os α A β . Neposkytuji žádné vzorce pro převod souřadnic, ale jsou jednoduché a velmi snadno k nalezení. Ve skutečnosti není nic složitějšího než školní geometrie (obrázek 6):

Obrázek 6. Transformace souřadnic z pevných os α a β, spojených se statorem motoru, na rotační osy. d A q, přivázaný k rotoru

To znamená, že namísto „rotace“ nastavení regulátorů (jak tomu bylo v předchozí struktuře) se jejich vstupy a výstupy otáčejí a samotné regulátory pracují ve statickém režimu: proudy d, q a výstupy regulátorů v ustáleném stavu jsou konstantní. Nápravy d A q otáčejí spolu s rotorem (jak se otáčí signálem ze snímače polohy rotoru), zatímco regulátor osy q reguluje přesně ten proud, který jsem na začátku článku nazval „kolmo k poli rotoru“, to znamená, že jde o proud generující točivý moment a proud d je zarovnán s „magnetem rotoru“, takže jej nepotřebujeme a nastavíme ho na nulu. Tato struktura je oproštěna od nevýhody první struktury - současné regulátory ani nevědí, že se někde něco točí. Pracují ve statickém režimu: upravili každý svůj proud, dosáhli určeného napětí - a je to, stejně jako rotor, neutíkej před nimi, ani o tom nebudou vědět: veškerá práce soustružení se provádí bloky transformace souřadnic.

Pro vysvětlení „na prstech“ můžete uvést nějakou analogii.

Pro lineární provoz nechť je to například městský autobus. Neustále zrychluje, pak zpomaluje, pak jde dozadu a celkově se chová, jak chce: je to rotor motoru. Také jste v autě poblíž a jedete paralelně: vaším úkolem je být přesně uprostřed autobusu: „udržovat 90°“, vy jste aktuální regulátori. Pokud autobus neustále mění rychlost, měli byste podle toho také měnit rychlost a neustále ji sledovat. Ale teď za vás uděláme „vektorovou kontrolu“. Vlezli jste do autobusu, postavili se doprostřed a drželi se zábradlí – stejně jako autobus neuteč, snadno se vyrovnáte s úkolem „být uprostřed autobusu“. Stejně tak proudové regulátory, „valící se“ v rotačních osách d, q rotoru, žijí snadným životem.

Výše uvedená struktura skutečně funguje a používá se v moderních elektrických pohonech. Jen tomu chybí celá hromada drobných „vylepšení“, bez kterých už to není zvykem, jako kompenzace křížových spojů, různá omezení, oslabení pole atd. Ale to je základní princip.

A pokud potřebujete regulovat nikoli točivý moment pohonu, ale stále otáčky (správná úhlová rychlost, frekvence otáčení)? Pak nainstalujeme další PI regulátor - regulátor otáček (RS). Na vstup aplikujeme příkaz rychlosti a na výstupu máme příkaz točivého momentu. Od osového proudu q je úměrný točivému momentu, pak pro zjednodušení může být výstup regulátoru otáček přiveden přímo na vstup regulátoru osového proudu q, takto (obrázek 7):

Obrázek 7. Regulátor rychlosti pro vektorové řízení
Zde SI, regulátor intenzity, plynule mění svůj výkon tak, aby motor zrychloval požadovaným tempem, a nejede naplno, dokud nejsou nastaveny otáčky. Aktuální frekvence otáčení ω převzato z manipulátoru snímače polohy rotoru, od ω toto je derivace úhlové polohy ϴ . No, nebo můžete jednoduše měřit čas mezi impulsy senzoru...

Jak udělat totéž pro třífázový motor? No, vlastně nic zvláštního, přidejte další blok a vyměňte modul PWM (obrázek 8).

Obrázek 8. Struktura řízení vektorového snímače pro třífázový synchronní stroj

Třífázové proudy, stejně jako dvoufázové, slouží jedinému účelu - vytvořit vektor statorového proudu já s, směrované v požadovaném směru a mající požadovanou amplitudu. Proto lze třífázové proudy jednoduše převést na dvoufázové a poté opustit stejný řídicí systém, který již byl sestaven pro dvoufázový stroj. V anglicky psané literatuře se takovému „přepočtu“ říká Clarkeova transformace (je jí Edith Clarke), u nás se to nazývá fázové transformace. Ve struktuře na obrázku 8 je tedy tato operace prováděna blokem fázové transformace. Provádějí se opět pomocí kurzu školní geometrie (obrázek 9):

Obrázek 9. Převody fází - ze tří fází na dvě. Pro usnadnění předpokládáme, že amplituda vektoru I s je rovna amplitudě proudu ve fázi

Myslím, že komentáře nejsou potřeba. Pár slov k proudu fáze C. Není potřeba tam instalovat žádné čidlo proudu, jelikož tři fáze motoru jsou zapojeny do hvězdy a podle Kirchhoffova zákona vše, co protéká dvěma fázemi, musí odtékat ven. třetí (pokud samozřejmě není díra v izolaci vašeho motoru a polovina netekla někam na pouzdro), proto se proud fáze C vypočítá jako skalární součet proudů fází A a B s a znaménko mínus. I když je někdy instalován třetí senzor, aby se snížila chyba měření.

Vyžaduje se také kompletní přepracování modulu PWM. Typicky se pro třífázové motory používá třífázový šestispínačový měnič. Na obrázku stále přichází povel napětí ve dvoufázových osách. Uvnitř PWM modulu to můžete pomocí reverzních fázových transformací převést na napětí fází A, B, C, která musí být v tuto chvíli přivedena na motor. Ale co dělat dál... Možnosti jsou možné. Naivní metodou je nastavit pracovní cyklus pro každý invertorový modul proporcionálně k požadovanému napětí plus 0,5. Toto se nazývá sinusová PWM. To je přesně metoda, kterou autor použil v habrahabr.ru/post/128407. V této metodě je vše dobré, až na to, že tato metoda nedostatečně využije střídač napětí - tzn. maximální napětí, které bude získáno, bude nižší, než jaké byste mohli získat, pokud byste použili pokročilejší metodu PWM.

Pojďme si to spočítat. Nechte si pořídit klasický frekvenční měnič napájený průmyslovým třífázová síť 380V 50Hz. Zde je 380V lineární (mezi fázemi) efektivní napětí. Protože je v převodníku usměrňovač, usměrní toto napětí a stejnosměrná sběrnice bude mít napětí rovné amplitudě síťové napětí, tj. 380∙√2=540V DC napětí (alespoň bez zátěže). Pokud v modulu PWM aplikujeme sinusový výpočetní algoritmus, pak se amplituda maximálního fázového napětí, které můžeme dosáhnout, bude rovnat polovině napětí na stejnosměrné sběrnici, tzn. 540/2=270V. Převedeme na efektivní fázi: 270/√2=191V. A nyní k aktuálnímu lineárnímu: 191∙√3=330V. Nyní můžeme porovnávat: 380V přišlo, ale vyšlo 330V... A s tímto typem PWM nemůžete dělat nic jiného. K nápravě tohoto problému se používá tzv. vektorový typ PWM. Jeho výstup bude opět 380V (ideálně bez zohlednění všech úbytků napětí). Vektorová metoda PWM nemá nic společného s vektorovým řízením elektromotoru. Jen jeho zdůvodnění opět používá malou školní geometrii, proto se tomu říká vektor. Jeho dílo se ale nedá vysvětlit na prstech, proto čtenáře odkážu na knihy (na konci článku) nebo na Wikipedii. Mohu vám také poskytnout obrázek, který mírně naznačuje rozdíl ve fungování sinusového a vektorového PWM (obrázek 10):

Obrázek 10. Změna fázových potenciálů pro skalární a vektorové PWM

Typy snímačů polohy

Mimochodem, jaké snímače polohy se používají pro vektorové řízení? Nejčastěji se používají čtyři typy senzorů. Jedná se o kvadraturní inkrementální kodér, kodér na bázi Hallových prvků, kodér absolutní polohy a synchronní kodér.
Kvadraturní kodér neudává absolutní polohu rotoru - svými impulsy umožňuje pouze určit, jak daleko jste urazili, ale ne kam a odkud (jak souvisí začátek a konec s umístěním magnetu rotoru). Není tedy vhodný pro vektorové řízení synchronního stroje. Situaci trochu zachraňuje jeho referenční značka (index) - na mechanickou otáčku je jen jedna, pokud ji dosáhnete, pak se zjistí absolutní poloha a z ní už můžete počítat, kolik jste ujeli pomocí kvadraturního signálu. Jak se ale k této známce dostat na začátku práce? Obecně to není vždy vhodné.
Hallův elementový senzor- Toto je hrubý senzor. Vyrábí pouze několik impulzů na otáčku (v závislosti na počtu Hallových prvků; u třífázových motorů jsou to obvykle tři, tedy šest impulzů), což umožňuje znát polohu v absolutní hodnotě, ale s nízkou přesností. Přesnost je obvykle dostatečná pro udržení úhlu vektoru proudu tak, aby se motor alespoň pohyboval dopředu a ne dozadu, ale točivý moment a proudy budou pulzovat. Pokud motor zrychlil, pak můžete začít programově extrapolovat signál ze snímače v čase - tzn. sestrojte lineárně se měnící úhel z hrubého diskrétního úhlu. To se provádí za předpokladu, že se motor otáčí rychlostí cca. konstantní rychlost, něco takového (obrázek 11):

Obrázek 11. Činnost snímače polohy Hallova prvku pro třífázový stroj a extrapolace jeho signálu

U servomotorů se často používá kombinace kodéru a snímače s Hallovým efektem. V tomto případě můžete vytvořit singl softwarový modul jejich zpracování, eliminující nevýhody obou: extrapolovat úhel uvedený výše, ale ne podle času, ale podle značek z kodéru. Tito. Enkodér pracuje uvnitř Hallova senzoru od okraje k okraji a každý Hall okraj jasně inicializuje aktuální absolutní úhlovou polohu. V tomto případě bude pouze první pohyb měniče neoptimální (ne pod 90°), dokud nedosáhne některé přední části Hallova senzoru. Samostatný problém v tomto případě představuje zpracování nedokonalostí obou snímačů - málokdy někdo uspořádá Hallovy prvky symetricky a rovnoměrně...

V ještě dražších aplikacích, které používají absolutní kodér S digitální rozhraní(absolutní kodér), který okamžitě vypíše absolutní polohu a umožní vám vyhnout se výše popsaným problémům.

Pokud je elektromotor velmi horký a také v případě potřeby zvýšená přesnost měření úhlů, použijte „analogový“ synchronní snímač(resolver, rotační transformátor). Jedná se o malý elektrický stroj používaný jako senzor. Představte si, že v synchronním stroji, který jsme uvažovali na obrázku 1, je místo magnetů jiná cívka, na kterou přivedeme vysokofrekvenční signál. Pokud je rotor vodorovný, pak se signál bude indukovat pouze do cívky fázového statoru α , je-li vertikální - pak pouze v β , otočíte-li o 180, změní se fáze signálu a v mezipolohách se indukuje i sem tam podle zákona sinus/kosinus. V souladu s tím, měřením amplitudy signálu ve dvou cívkách, může být poloha také určena z poměru této amplitudy a fázového posunu. Instalací takového stroje jako snímače k ​​hlavnímu můžete zjistit polohu rotoru.
Existuje mnoho exotičtějších snímačů polohy, zejména pro velmi přesné aplikace, jako je výroba elektronických čipů. Tam se využívají jakékoliv fyzikální jevy právě pro co nejpřesnější zjištění polohy. Nebudeme je brát v úvahu.

Zjednodušení vektorového ovládání

Jak jste pochopili, vektorové řízení je poměrně náročné – dejte mu polohové senzory, proudové senzory, vektorové řízení PWM a žádný mikrokontrolér, který by celou tuto matematiku vypočítal. Proto pro jednoduché aplikace je to zjednodušené. Pro začátek můžete eliminovat snímač polohy vytvořením bezsenzorového vektorového řízení. K tomu použijte trochu více matematické magie, která se nachází ve žlutém obdélníku (obrázek 12):

Obrázek 12. Bezsenzorová vektorová řídicí struktura

Pozorovatel je blok, který přijímá informace o napětí aplikovaném na motor (například z úlohy na modulu PWM) a o proudech v motoru ze snímačů. Uvnitř pozorovatele je model elektromotoru, který se, zhruba řečeno, snaží přizpůsobit své proudy ve statoru těm naměřeným ze skutečného motoru. Pokud by uspěla, pak můžeme předpokládat, že i poloha rotoru simulovaná uvnitř hřídele se shoduje s tou skutečnou a lze ji využít pro potřeby vektorového řízení. No, to je samozřejmě úplně zjednodušené. Takových pozorovatelů je nespočet. Každý postgraduální student se specializací na elektrické pohony se snaží vymyslet ten svůj, který je tak nějak lepší než ostatní. Základním principem je sledování EMF elektromotoru. Proto je bezsenzorový řídicí systém nejčastěji funkční pouze na relativně krátkou dobu vysoká frekvence rotace, kde je EMF velké. Oproti přítomnosti senzoru má i řadu nevýhod: potřebujete znát parametry motoru, rychlost pohonu je omezená (pokud se prudce změní rychlost otáčení, pozorovatel nemusí mít čas to sledovat a „lhát“ “ na nějakou dobu, nebo se dokonce „rozpadnout“ úplně) , je pro něj nastavení pozorovatele celou procedurou kvalitní práce potřebujete přesně znát napětí na motoru, přesně měřit jeho proudy atd.

Existuje další možnost zjednodušení. Můžete například provést takzvané „automatické přepínání“. V tomto případě pro třífázový motor odmítají komplexní metoda PWM, opouštějí složitou vektorovou strukturu a začínají jednoduše zapínat fáze motoru pomocí snímače polohy na Hallových prvcích, a to i někdy bez jakéhokoli proudového omezení. Proud ve fázích není sinusový, ale lichoběžníkový, obdélníkový, nebo ještě více zkreslený. Ale snaží se ujistit, že průměrný vektor proudu je stále 90 stupňů k „magnetu rotoru“ výběrem okamžiku, kdy jsou fáze zapnuty. Současně při zapnutí fáze pod napětím není známo, kdy se proud ve fázi motoru zvýší. Při nízké rychlosti otáčení to dělá rychleji, při vysoké rychlosti, kde EMF stroje zasahuje, to dělá pomaleji, rychlost nárůstu proudu také závisí na indukčnosti motoru atd. Proto i včetně fází přesně in správný okamžikčas, není vůbec pravda, že průměrný vektor proudu bude v na správném místě a s požadovanou fází - může buď postupovat, nebo se zpožďovat vzhledem k optimálním 90 stupňům. Proto je v takových systémech zavedeno nastavení „předstihu spínání“ - v podstatě jen čas, o kolik dříve je potřeba přivést napětí na fázi motoru, aby se nakonec fáze vektoru proudu blížila 90 stupňům. Jednoduše řečeno, toto se nazývá „nastavení časování“. Vzhledem k tomu, že proud v elektromotoru během autokomutace není sinusový, pak pokud vezmete sinusový stroj diskutovaný výše a ovládáte jej tímto způsobem, točivý moment na hřídeli bude pulzovat. Proto se u motorů určených pro autokomutaci často mění magnetická geometrie rotoru a statoru zvláštním způsobem, aby byly pro tento typ řízení vhodnější: EMF takových strojů je vyrobeno lichoběžníkové, díky čemuž lépe fungují v režim automatické komutace. Jsou volány synchronní stroje optimalizované pro autokomutaci bezkomutátorové motory stejnosměrný proud (BDDC) nebo v angličtině BLDC (Brushless Direct Current Motor). Režim automatické komutace se také často nazývá ventilový režim a motory, které s ním pracují, jsou ventilového typu. Všechno jsou to ale jen různé názvy, které podstatu nijak neovlivňují (ale ostřílení provozovatelé elektropohonů si v záležitostech souvisejících s těmito názvy často potrpí na CPGS). Existuje dobré video ilustrující princip fungování takových strojů. Ukazuje invertovaný motor s rotorem na vnější straně a statorem na vnitřní straně:

Ale existuje kurz článků o takových motorech a hardwaru řídicího systému.

Můžete jít na ještě větší zjednodušení. Přepněte vinutí tak, aby jedna fáze byla vždy „volná“ a nebylo na ni aplikováno PWM. Poté je možné změřit EMF (napětí indukované ve fázové cívce), a když toto napětí projde nulou, použít to jako signál ze snímače polohy rotoru, protože fáze tohoto indukovaného napětí závisí přesně na poloze rotor. Výsledkem je bezsenzorová autokomutace, která je široce používána v různých jednoduchých pohonech, například v „regulátorech“ vrtulí leteckých modelů. Je třeba mít na paměti, že EMF stroje se objevuje pouze při relativně vysoké rychlosti otáčení, takže pro spuštění takové řídicí systémy jednoduše pomalu přepínají fáze v naději, že rotor motoru bude sledovat dodávaný proud. Jakmile se objeví EMF, aktivuje se režim automatické komutace. Bezsenzorový systém (tak jednoduchý a většinou i složitý) se proto nehodí pro úkoly, kde motor musí být schopen vyvinout točivý moment v téměř nulových otáčkách, například pro trakční pohon automobilu (nebo jeho modelu) , servopohon nějakého mechanismu atd. Str. Ale bezsenzorový systém je úspěšně vhodný pro čerpadla a ventilátory, kde se používá.

Někdy ale přinášejí ještě větší zjednodušení. Přepínáním fází pomocí speciálního mechanického spínače můžete zcela opustit mikrokontrolér, klíče, snímače polohy a další věci (obrázek 13):

Obrázek 13. Mechanický spínač pro spínání vinutí

Rotor sám při otáčení spíná své části vinutí a mění na ně přivedené napětí, přičemž v rotoru protéká střídavý proud. Komutátor je umístěn tak, že magnetický tok rotoru a statoru je opět blízko 90 stupňů, aby bylo dosaženo maximálního točivého momentu. Takovým motorům se sice naivně říká stejnosměrné motory, ale zcela nezaslouženě: uvnitř, po kolektoru, je proud stále střídavý!

Závěr

Všechny elektrické stroje fungují podobným způsobem. V teorii elektrických pohonů existuje dokonce koncept „generalizovaného elektrického stroje“, na který se redukuje práce ostatních. Vysvětlení konečků prstů uvedené v článku nemůže v žádném případě sloužit praktický průvodce k psaní kódu mikrokontroléru. Článek dobře popisuje jedno procento informací, které jsou nutné k implementaci skutečného vektorového řízení. Chcete-li něco udělat v praxi, musíte nejprve znát TAU, alespoň na úrovni pochopení, jak funguje PI regulátor. Pak je třeba ještě nastudovat matematický popis jak synchronního stroje, tak i syntézu vektorového řízení. Studujte také vektorovou PWM, zjistěte, co jsou to pólové páry, seznamte se s typy vinutí strojů atp. To lze provést v nejnovější knize „Anuchin A.S. MPEI, 2015“, stejně jako v „Kalachev Yu. Čtenáře je třeba varovat před ponořením se do vzorců „starých“ učebnic o pohonech, kde je hlavní důraz kladen na zohlednění vlastností elektromotorů při přímém napájení z třífázového průmyslová síť bez mikrokontrolérů a snímačů polohy. Chování motorů je v tomto případě popsáno složitými vzorci a závislostmi, ale pro problém vektorového řízení jsou téměř k ničemu (pokud jsou pouze studovány pro vlastní vývoj). Měli byste si dávat pozor zejména na doporučení starých učebnic, kde se například říká, že synchronní stroj by neměl pracovat na maximální točivý moment, protože provoz je nestabilní a hrozí převrácení - to vše je „špatná rada ” pro vektorové ovládání.

Na jakém mikrokontroléru si můžete udělat plnohodnotné vektorové řízení, si přečtěte například v našem článku Nový domácí mikrokontrolér motor-control K1921VK01T JSC NIIET a jak jej odladit v článku Metody odladění softwaru mikrokontroléru v elektrickém pohonu. Navštivte také naše webové stránky: konkrétně jsou tam zveřejněna dvě nudná videa, která v praxi ukazují, jak nastavit PI proudový regulátor a jak funguje proudově uzavřená a vektorová bezsenzorová řídicí struktura. Kromě toho si můžete zakoupit ladicí sadu s hotovou strukturou vektorového řízení snímače na domácím mikrokontroléru.

Pokračování článku, který hovoří o asynchronních motorech.

P.S.
Omlouvám se odborníkům za ne zcela správné zacházení s některými pojmy, zejména s pojmy "tok", "vazba toku", "magnetické pole" a další - jednoduchost vyžaduje oběti...

Štítky: Přidat štítky

Pro implementaci schopnosti regulovat točivý moment a rychlost využívají moderní elektrické pohony následující metody řízení frekvence, jako jsou:

• Vektor;
• Skalární.

Nejrozšířenější jsou asynchronní elektrické pohony se skalárním řízením. Používá se v pohonech kompresorů, ventilátorů, čerpadel a dalších mechanismů, ve kterých je potřeba držet určitou úroveň nebo rychlost otáčení hřídele elektromotoru (pomocí snímače rychlosti), nebo nějaký procesní parametr (například tlak v potrubí, s použitím vhodného snímače).

Princip činnosti skalárního řízení asynchronního motoru spočívá v tom, že amplituda a frekvence napájecího napětí se mění podle zákona U/f^n = konst, kde n>=1. Jak to bude vypadat tato závislost v konkrétním případě záleží na požadavcích kladených zatížením elektrického pohonu. Frekvence působí zpravidla jako nezávislý vliv a napětí při určité frekvenci je určeno typem mechanické charakteristiky, jakož i hodnotami kritických a rozběhových momentů. Díky skalárnímu řízení je zajištěna konstantní přetížitelnost asynchronního motoru, nezávislá na frekvenci napětí, a přesto při slušném nízké frekvence může dojít k výraznému snížení točivého momentu vyvinutého motorem. Maximální hodnota rozsahu skalárního řízení, při kterém je možné regulovat hodnotu rychlosti otáčení rotoru elektromotoru bez ztráty momentu odporu, nepřesahuje 1:10.

Skalární řízení indukčního motoru je poměrně jednoduché na implementaci, ale stále existují dvě významné nevýhody. Za prvé, pokud není na hřídeli instalován snímač rychlosti, pak není možné regulovat hodnotu rychlosti otáčení hřídele, protože závisí na zatížení působícím na elektrický pohon. Instalace snímače rychlosti tento problém snadno vyřeší, ale další podstatná nevýhoda zůstává - nemožnost regulovat hodnotu točivého momentu na hřídeli motoru. Můžete samozřejmě nainstalovat snímač točivého momentu, ale náklady na takové snímače zpravidla převyšují náklady na samotný elektrický pohon. Navíc, i když nainstalujete senzor řízení točivého momentu, proces řízení tohoto točivého momentu se ukáže jako neuvěřitelně inerciální. Další „ale“ - skalární řízení asynchronního motoru se vyznačuje tím, že není možné současně regulovat otáčky a kroutící moment, proto je nutné regulovat hodnotu, která momentálněčas je nejdůležitější vzhledem k podmínkám technologického procesu.

Aby se odstranily nedostatky skalárního řízení motoru, navrhl SIEMENS již v 71. roce minulého století zavedení metody vektorového řízení motoru. První elektrické pohony s vektorovým řízením používaly motory, které měly vestavěné snímače průtoku, což výrazně omezovalo rozsah takových pohonů.

Řídicí systém moderních elektropohonů obsahuje matematický model motoru, což vám umožní vypočítat rychlost otáčení a točivý moment hřídele. Kromě toho jsou jako nezbytné snímače instalovány pouze snímače fázového proudu motoru. Speciálně navržená struktura řídicího systému zajišťuje nezávislost a prakticky bez setrvačnosti řízení hlavních parametrů – krouticího momentu hřídele a rychlosti otáčení hřídele.

NA dnes Byly vytvořeny následující vektorové řídicí systémy pro asynchronní motory:

• Bezsenzorový – na hřídeli motoru není snímač otáček,
• Systémy s rychlostní zpětnou vazbou.

Použití metod vektorového řízení závisí na použití elektrického pohonu. Pokud rozsah měření rychlosti nepřesahuje 1:100 a požadavky na přesnost se liší v rozmezí ±1,5 %, použije se bezsenzorový řídicí systém. Pokud je měření rychlosti prováděno v rozsahu hodnot dosahujících 1:10000 a více a úroveň přesnosti musí být poměrně vysoká (±0,2% při rychlostech pod 1Hz), nebo je nutné polohovat hřídel nebo řídit točivý moment na hřídeli při nízkých otáčkách, pak se používá systém se zpětnou vazbou otáček.

Výhody vektorového způsobu řízení asynchronního motoru:

• Vysoká úroveň přesnost při regulaci rychlosti otáčení hřídele, navzdory možná nepřítomnost snímač rychlosti,
• Motor se točí při nízkých frekvencích bez cukání, plynule,
• Pokud je instalován snímač otáček, je možné dosáhnout jmenovité hodnoty točivého momentu na hřídeli i při nulových otáčkách,
• Rychlá reakce na případné změny zátěže – náhlé rázy zátěže nemají prakticky žádný vliv na rychlost elektrického pohonu,
• Vysoká účinnost motoru díky sníženým ztrátám v důsledku magnetizace a ohřevu.

Navzdory zřejmé výhody, metoda vektorového řízení má i určité nevýhody - pro provoz je nutná velká složitost výpočtů; Mimo jiné kolísání hodnoty otáček při konstantní zátěž výrazně více než u metody skalárního řízení. Mimochodem, existují oblasti, kde se elektrické pohony používají výhradně se skalární metodou řízení. Například skupinový elektrický pohon, ve kterém jeden měnič pohání několik motorů.

Skalární ovládání(frekvence) - způsob řízení bezkomutátorového střídavého proudu, který spočívá v udržování konstantního poměru napětí/frekvence (V/Hz) v celém rozsahu provozních otáček, přičemž se řídí pouze velikost a frekvence napájecího napětí.

Poměr V/Hz se vypočítá na základě jmenovitého výkonu (a frekvence) monitorovaného střídavého motoru. Udržováním konstantního poměru V/Hz můžeme udržovat relativně konstantní magnetický tok v mezeře motoru. Pokud se poměr V/Hz zvýší, motor se stane přebuzeným a naopak, pokud se poměr sníží, je motor v podbuzeném stavu.

Změna napájecího napětí motoru pomocí skalárního řízení

Při nízkých otáčkách je nutné kompenzovat úbytek napětí na odporu statoru, proto je poměr V/Hz při nízkých otáčkách nastaven vyšší než jmenovitá hodnota. Metoda skalárního řízení je nejrozšířenější pro řízení asynchronních elektromotorů.

Stejně jako u asynchronních motorů

U metody skalárního řízení jsou otáčky řízeny nastavením napětí a frekvence statoru tak, aby bylo magnetické pole v mezeře udržováno na požadované hodnotě. Pro udržení konstantního magnetického pole v mezeře musí být poměr V/Hz konstantní při různých rychlostech.

S rostoucími otáčkami se musí úměrně zvyšovat i napájecí napětí statoru. Synchronní frekvence asynchronního motoru se však nerovná otáčkám hřídele, ale závisí na zatížení. Skalární řídicí systém s otevřenou smyčkou tedy nemůže přesně řídit rychlost, když je přítomna zátěž. K vyřešení tohoto problému lze do systému přidat zpětnou vazbu rychlosti, a tedy kompenzaci skluzu.

Nevýhody skalárního řízení

Metoda skalární ovládání relativně jednoduché na implementaci, ale má několik výrazné nedostatky:
• za prvé, pokud není nainstalován snímač rychlosti, nemůžete ovládat rychlost otáčení hřídele, protože závisí na zatížení (tento problém řeší přítomnost snímače rychlosti) a v případě změny zatížení můžete zcela ztratit řízení;
• za druhé to nelze ovládat. Tento problém lze samozřejmě vyřešit pomocí snímače točivého momentu, ale náklady na jeho instalaci jsou velmi vysoké a s největší pravděpodobností budou vyšší než samotný elektrický pohon. V tomto případě bude řízení točivého momentu velmi inerciální;
• je také nemožné ovládat točivý moment a otáčky současně.

Skalární řízení je dostatečné pro většinu úloh, při kterých se používá elektrický pohon s rozsahem regulace otáček motoru až 1:10.

V případě potřeby maximální výkon, možnost regulace v široký rozsah jsou využívány rychlosti a možnost regulace točivého momentu elektromotoru.

Podle posledních statistik je přibližně 70 % veškeré elektřiny vyrobené na světě spotřebováno elektrickými pohony. A každým rokem toto procento roste.

Správně zvoleným způsobem ovládání elektromotoru lze získat maximální účinnost, maximální točivý moment na hřídeli elektromotoru a zároveň zvýšit celkový výkon mechanismus. Efektivně pracující elektromotory spotřebovávají minimum elektrické energie a poskytují maximální účinnost.

U elektromotorů poháněných invertorem bude účinnost do značné míry záviset na zvoleném způsobu řízení elektrický stroj. Pouze pochopením předností každé metody mohou inženýři a konstruktéři pohonných systémů získat maximální výkon z každé metody ovládání.
Obsah:

Kontrolní metody

Mnoho lidí pracujících v oblasti automatizace, kteří se však úzce nezabývají vývojem a implementací systémů elektrických pohonů, se domnívá, že řízení elektromotoru se skládá ze sekvence příkazů zadávaných pomocí rozhraní z ovládacího panelu nebo PC. Ano, z pohledu celkové hierarchie řízení automatizovaný systém to je správné, ale stále existují způsoby, jak ovládat samotný elektromotor. Právě tyto metody budou mít maximální dopad na výkon celého systému.

Pro asynchronní motory připojené k frekvenčnímu měniči existují čtyři hlavní způsoby řízení:

• U/f – volty na hertz;
• U/f s kodérem;
• vektorové řízení s otevřenou smyčkou;
• vektorové řízení s uzavřenou smyčkou;

Všechny čtyři metody využívají pulzní šířkovou modulaci PWM, která mění šířku pevného signálu změnou šířky pulzů za účelem vytvoření analogového signálu.

Pulzní šířková modulace se aplikuje na frekvenční měnič pomocí pevného napětí stejnosměrné sběrnice. podle rychlé otevření a sepnutí (přesněji přepínání) generují výstupní impulsy. Změnou šířky těchto impulsů se na výstupu získá „sinusovka“. požadovaná frekvence. I když je tvar výstupního napětí tranzistorů pulzní, proud je stále získáván ve formě sinusoidy, protože elektromotor má indukčnost, která ovlivňuje tvar proudu. Všechny způsoby řízení jsou založeny na modulaci PWM. Rozdíl mezi způsoby ovládání spočívá pouze ve způsobu výpočtu napětí dodávaného do elektromotoru.

V tomto případě nosná frekvence (zobrazená červeně) představuje maximální spínací frekvenci tranzistorů. Nosná frekvence u měničů je obvykle v rozsahu 2 kHz - 15 kHz. Referenční frekvence (zobrazená modře) je výstupní signál povelu frekvence. Pro měniče použitelné v konvenční systémy elektrických pohonů se zpravidla pohybuje v rozsahu 0 Hz – 60 Hz. Při superponování signálů dvou frekvencí na sebe bude vydán signál k otevření tranzistoru (označeno černě), který dodává elektrické napětí do elektromotoru.

Způsob ovládání U/F

Řízení volt-per-Hz, nejčastěji označované jako U/F, je možná nejjednodušší způsob ovládání. Pro svou jednoduchost a minimální počet parametrů potřebných pro provoz se často používá v jednoduchých systémech elektrického pohonu. Tento způsob ovládání nevyžaduje povinná instalace kodér a povinná nastavení pro měnič kmitočtu (ale doporučeno). To vede k nižším nákladům na pomocná zařízení (snímače, zpětnovazební vodiče, relé atd.). U/F řízení se poměrně často používá ve vysokofrekvenčních zařízeních, např. u CNC strojů se často používá k pohonu otáčení vřetena.

Model s konstantním momentem má konstantní moment v celém rozsahu otáček se stejným poměrem U/F. Model s proměnným poměrem točivého momentu má více nízké napětí jídlo na nízké rychlosti. To je nezbytné, aby se zabránilo saturaci elektrického stroje.

U/F je jediný způsob regulace otáček asynchronního elektromotoru, který umožňuje řízení více elektrických pohonů z jednoho frekvenčního měniče. V souladu s tím se všechny stroje spouštějí a zastavují současně a pracují se stejnou frekvencí.

Tento způsob ovládání má ale několik omezení. Například při použití metody řízení U/F bez enkodéru není absolutně žádná jistota, že se hřídel asynchronního stroje otáčí. Startovací moment elektrického stroje při frekvenci 3 Hz je navíc omezen na 150 %. Ano, omezený točivý moment je více než dostačující pro většinu stávajících zařízení. Například téměř všechny ventilátory a čerpadla používají metodu řízení U/F.

Tato metoda je poměrně jednoduchá díky své volnější specifikaci. Regulace otáček je typicky v rozsahu 2% - 3% maximální výstupní frekvence. Rychlostní odezva se počítá pro frekvence nad 3 Hz. Rychlost odezvy měniče kmitočtu je určena rychlostí jeho odezvy na změny referenční frekvence. Čím vyšší je rychlost odezvy, tím rychleji bude elektrický pohon reagovat na změny v nastavení rychlosti.

Rozsah regulace rychlosti při použití metody U/F je 1:40. Vynásobením tohoto poměru maximem provozní frekvence elektrickým pohonem získáme hodnotu minimální frekvence, na které může elektrický stroj pracovat. Například pokud maximální hodnota frekvence je 60 Hz a rozsah je 1:40, pak minimální hodnota frekvence bude 1,5 Hz.

Vzor U/F určuje vztah mezi frekvencí a napětím během provozu frekvenčního měniče. Podle ní bude křivka nastavení rychlosti otáčení (frekvence elektromotoru) určovat kromě hodnoty frekvence také hodnotu napětí přiváděného na svorky elektrického stroje.

Operátoři a technici mohou v moderním frekvenčním měniči zvolit požadovaný regulační vzor U/F s jedním parametrem. Předinstalované šablony jsou již optimalizovány pro konkrétní aplikace. Existují také příležitosti k vytvoření vlastních šablon, které budou optimalizovány pro konkrétní pohon s proměnnou frekvencí nebo systém elektromotoru.

Zařízení jako ventilátory nebo čerpadla mají zatěžovací moment, který závisí na jejich rychlosti otáčení. Proměnný točivý moment (obrázek výše) vzoru U/F zabraňuje chybám řízení a zlepšuje účinnost. Tento řídicí model snižuje magnetizační proudy při nízkých frekvencích snížením napětí na elektrickém stroji.

Mechanismy s konstantním točivým momentem, jako jsou dopravníky, extrudéry a další zařízení, používají metodu řízení konstantního točivého momentu. Při konstantní zátěži je to nutné plný proud magnetizace při všech rychlostech. V souladu s tím má charakteristika přímý sklon v celém rozsahu otáček.

Způsob ovládání U/F s kodérem

Pokud je potřeba zvýšit přesnost regulace rychlosti otáčení, je do řídicího systému přidán enkodér. Zavedení zpětné vazby rychlosti pomocí enkodéru umožňuje zvýšit přesnost řízení na 0,03 %. Výstupní napětí bude stále určen daným vzorem U/F.

Tento způsob ovládání nebyl přijat široké uplatnění, protože výhody, které nabízí oproti standardním U/F funkcím, jsou minimální. Startovací moment, rychlost odezvy a rozsah regulace rychlosti jsou stejné jako u standardního U/F. Navíc, když se provozní frekvence zvýší, mohou nastat problémy s provozem kodéru, protože má omezený počet otáček.

Vektorové řízení s otevřenou smyčkou

Vektorové řízení s otevřenou smyčkou (VC) se používá pro širší a dynamičtější řízení rychlosti elektrického stroje. Při spouštění z frekvenčního měniče mohou elektromotory vyvinout rozběhový moment 200 % jmenovitého momentu při frekvenci pouhých 0,3 Hz. Tím se výrazně rozšiřuje seznam mechanismů, kde lze použít asynchronní elektrický pohon s vektorovým řízením. Tato metoda také umožňuje řídit točivý moment stroje ve všech čtyřech kvadrantech.

Točivý moment je omezen motorem. To je nezbytné, aby se zabránilo poškození zařízení, strojů nebo výrobků. Hodnota točivých momentů je rozdělena do čtyř různých kvadrantů v závislosti na směru otáčení elektrického stroje (vpřed nebo vzad) a v závislosti na tom, zda elektromotor používá . Limity lze nastavit pro každý kvadrant jednotlivě nebo uživatel může nastavit celkový točivý moment ve frekvenčním měniči.

Motorový režim asynchronního stroje bude zajištěn tím, že magnetické pole rotoru zaostává za magnetickým polem statoru. Pokud magnetické pole rotoru začne převyšovat magnetické pole statoru, stroj přejde do režimu regenerativního brzdění s uvolněním energie, jinými slovy, asynchronní motor se přepne do režimu generátoru.

Například stroj na uzavírání lahví může používat omezení krouticího momentu v kvadrantu 1 (dopředný směr s kladným kroutícím momentem), aby se zabránilo nadměrnému utažení uzávěru lahve. Mechanismus se pohybuje vpřed a používá kladný bod k našroubování uzávěru láhve. Ale zařízení, jako je výtah s protizávažím těžším než prázdná kabina, bude používat kvadrant 2 (reverzní rotace a kladný točivý moment). Pokud se kabina zvedne do nejvyššího patra, pak točivý moment bude opačný než rychlost. To je nezbytné pro omezení rychlosti zdvihu a zabránění volnému pádu protizávaží, protože je těžší než kabina.

Proudová zpětná vazba v těchto frekvenčních měničích umožňuje nastavit limity točivého momentu a proudu elektromotoru, protože jak se proud zvyšuje, zvyšuje se i točivý moment. Výstupní napětí měniče se může změnit směrem nahoru, pokud mechanismus vyžaduje použití většího točivého momentu, nebo se může snížit, pokud je dosaženo jeho maximálního točivého momentu. platná hodnota. Díky tomu je princip vektorového řízení asynchronního stroje ve srovnání s principem U/F flexibilnější a dynamičtější.

Také frekvenční měniče s vektorovým řízením a otevřenou smyčkou mají rychlejší rychlostní odezvu 10 Hz, což umožňuje použití v mechanismech s rázovým zatížením. Například u drtičů hornin se zatížení neustále mění a závisí na objemu a rozměrech zpracovávané horniny.

Na rozdíl od vzoru řízení U/F využívá vektorové řízení k určení maxima vektorový algoritmus efektivní napětí chod elektromotoru.

Vektorové řízení VU řeší tento problém díky přítomnosti zpětné vazby na proud motoru. Proudovou zpětnou vazbu zpravidla generují vnitřní proudové transformátory samotného frekvenčního měniče. Pomocí získané hodnoty proudu vypočítá frekvenční měnič točivý moment a tok elektrického stroje. Základní vektor proudu motoru je matematicky rozdělen na vektor magnetizačního proudu (I d) a momentu (I q).

Pomocí dat a parametrů elektrického stroje vypočítá střídač vektory magnetizačního proudu (I d) a momentu (I q). Pro dosažení maximálního výkonu musí frekvenční měnič udržovat Id a Iq oddělené úhlem 90°. To je významné, protože sin 90 0 = 1 a hodnota 1 představuje maximální hodnotu točivého momentu.

Obecně platí, že vektorové řízení indukčního motoru poskytuje přísnější řízení. Regulace rychlosti je přibližně ±0,2 %. maximální frekvence, a regulační rozsah dosahuje 1:200, což umožňuje udržovat točivý moment při provozu v nízkých otáčkách.

Vektorové ovládání zpětné vazby

Vektorové řízení zpětné vazby používá stejný řídicí algoritmus jako VAC s otevřenou smyčkou. Hlavním rozdílem je přítomnost enkodéru, který umožňuje frekvenčnímu měniči vyvinout 200% rozběhový moment při 0 ot./min. Tento bod je prostě nutný k vytvoření počátečního momentu při rozjíždění výtahů, jeřábů a jiných zdvihacích strojů, aby se zabránilo sesedání břemene.

Přítomnost snímače zpětné vazby rychlosti umožňuje zvýšit dobu odezvy systému na více než 50 Hz a také rozšířit rozsah regulace rychlosti na 1:1500. Přítomnost zpětné vazby vám také umožňuje řídit nikoli rychlost elektrického stroje, ale točivý moment. U některých mechanismů je to právě hodnota točivého momentu, která má velký význam. Například navíjecí stroj, ucpávací mechanismy a další. V takových zařízeních je nutné regulovat točivý moment stroje.