Тема 14. Скалярне керування АД

1. Загальна характеристика

1. Загальна характеристика

Незважаючи на успіхи в області створення високодинамічних електроприводів на основі векторного управління (FOC) і DTC, скалярні системи управління не втратили свого значення завдяки простоті реалізації і настройки. Скалярні системи управління не вимагають визначення точних параметрів схеми заміщення асинхронно го двигуна. Схема скалярного управління заснована, як правило, на узгодженому регулювання частоти і напруги статора. В якості вхідного незалежного сигналу приймається завдання по частоті. Для підтримки необхідних робочих характеристик двигуна необхідно зі зміною частоти одночасно відповідно змінювати і амплітуду напруги.

У скалярною системі управління оптимальним вважається закон регулювання, при якому у всьому діапазоні регулювання швидкості підтримується сталість перевантажувальної здатності двигуна. При такому регулюванні перевантажувальна здатність, номінальні коефіцієнт потужності і ККД електродвигуна у всьому діапазоні регулювання частоти обертання практично не змінюються. Недоліком даного способу регулювання вважається відсутність можливості точного регулювання частоти обертання валу, так як вона залежить від навантаження. Крім того, при навантаженнях, багато менших, ніж номінальні, скалярні системи не дозволяють працювати електроприводу в найбільш сприятливому режимі, так як напруга фіксується на заданому рівні.

Для реалізації векторної системи управління або системи управління з DTC необхідний або датчик швидкості, вбудований в двигун, або спостерігач координат на основі математичної моделі електродвигуна з використанням

точних параметрів схеми заміщення. Для скалярних систем управління з метою розширення діапазону регулювання теж застосовують датчик швидкості.

Ряд фірм випускають асинхронні електродвигуни спеціально для роботи від перетворювача частоти, в які вбудовують датчик швидкості вала двигуна на етапі заводського виготовлення. Ці вбудовані в корпус двигуна датчики частоти обертання (інкрементальні енкодери) мають дозвіл не менше 1024 мітки на оборот.

Типова структурна схема скалярною системи управління [2] частотного регулювання з датчиком швидкості представлена ​​на рис. 1.

Рис.1. Структурна схема системи скалярного керування з датчиком швидкості 

З метою підвищення коефіцієнта потужності асинхронних двигунів надзвичайно важливо, щоб двигун працював завжди, або, по крайній мірі, значну частину часу з навантаженням, близьким до номінального. Це можна забезпечити лише при правильному виборі потужності двигуна. Якщо ж двигун працює значну частину часу недовантаженим, то для поліпшення енергетичних показників доцільно регулювати підводиму до двигуна напругу в функції навантаження. Скалярне управління асинхронним двигуном з датчиком швидкості, як випливає з рис. 1, досить просто реалізується, але при досить низьких частотах може відбутися значне зниження моменту на валу двигуна. Основним недоліком такого управління є відсутність можливості регулювати момент на валу двигуна в функції навантаження. Крім того, відомі системи скалярного керування асинхронним двигуном характеризуються тим, що в них важко здійснити незалежне регулювання швидкості і моменту.

Ряд механізмів працює в умовах різко змінних навантажень. Для таких приводів часто висуваються додаткові вимоги, такі як точна відпрацювання швидкості з компенсацією ковзання, підтримка заданої величи

ни моменту при малих частотах аж до декількох Гц. Крім того, з метою економії електроенергії необхідно регулювати амплітуду напруги на статорі електродвигуна при малих навантаженнях.

1.1. Закони частотного управління

Закони частотного управління

Важливе місце в використанні асинхронних двигунів займає частотне регулювання швидкості. Відповідно до формули, синхронна швидкість або швидкість обертового магнітного поля статора (ω0) прямо пропорційно залежить від частоти мережі живлення (f):

де p - кількість пар полюсів електричної машини.

Отже, якщо змінювати частоту мережі, то згідно вище наведеного виразу, швидкість магнітного поля, а відповідно, і швидкість обертання ротора двигуна будуть змінюватися. Але, виникає одна проблема, зі зміною частоти, змінює значення і моменту критичного (Мкр), отже, іншу величину знаходить перевантажувальна здатність асинхронного двигуна.

Якщо при постійній напрузі зменшити частоту, то магнітний потік збільшиться, що викличе насичення сталі, і як наслідок, різке збільшення струму:

Таке регулювання (тільки частотою) дасть нам такий вигляд механічних характеристик АД:

Для забезпечення сталості перевантажувальної здатності АД, одночасно з частотою f, необхідно регулювати і напругу U. Частотне регулювання, а саме скалярне управління дозволяє зробити плавне регулювання швидкості електродвигуна. Для цього потрібно в залежності від характеру навантаження змінювати два канали: частоту і напругу.

В електроприводах розрізняють три основних види навантаження:

1 - момент опору не залежить від частоти обертання (підйомні механізми);

2 - нелінійне збільшення Мс (вентилятор, відцентровий насос, центрифуга);

3 - зменшення нелінійне Мс (механізми верстатів різання, моталки).

Закон сталості моментів застосовується при незмінному навантаженні під час всього технологічного процесу:

Підтримка постійної потужності характеризується залежністю

А для «вентиляторного» типу навантаження частотне регулювання виробляють згідно із законом:

При всіх вищевказаних законах частотного регулювання відбувається дотримання умови , тобто збереження перевантажувальної здатності.

2. Принцип дії скалярного керування

Найбільшого поширення набули асинхронні електроприводи зі скалярним керуванням. Його використовують в приводах компресорів, вентиляторів, насосів і інших механізмів в яких необхідно утримувати на певному рівні або швидкість обертання валу електродвигуна (застосовується датчик швидкості), або якогось технологічного параметра (наприклад, тиск у трубопроводі, із застосуванням відповідного датчика).

Принцип дії скалярного керування асинхронним двигуном - амплітуда і частота живлячої напруги змінюються по закону U / f ^ n = const, де n> = 1. Те, як буде виглядати ця залежність в конкретному випадку, залежить від вимог, висунутих навантаженням електроприводу. Як правило, в якості незалежного впливу виступає частота, а напруга при певній частоті визначається видом механічної характеристики, а також значеннями критичного і пускового моментів. Завдяки скалярному управління забезпечується постійна перевантажувальна здатність асинхронного двигуна, незалежна від частоти напруги, і все ж при досить низьких частотах може відбутися значне зниження моменту, що розвивається двигуном. Максимальне значення діапазону скалярного управління, при якому можливе здійснення регулювання значення швидкості обертання ротора електродвигуна, без втрати моменту опору не перевищує 1:10.

Скалярне управління асинхронним двигуном досить просто реалізується, але все ж є два значні недоліки. По-перше, якщо на валу не встановлено датчик швидкості, то неможливо здійснювати регулювання значення швидкості обертання валу, оскільки вона залежить від впливу на електропривод навантаження. Установка датчика швидкості з легкістю вирішує дану проблему, але ще одним значним недоліком залишається - відсутність можливості регулювання значення моменту на валу двигуна. Можна звичайно встановити датчик моменту, але вартість подібних датчиків, як правило, перевищує вартість самого електропривода. Причому, навіть якщо встановити датчик управління моментом, то процес управління цим самим моментом виявиться неймовірно інерційним. Ще одне «але» - скалярне управління асинхронним двигуном характеризується тим, що неможливо здійснення одночасного регулювання швидкості і моменту, тому доводиться здійснювати регулювання тієї величини, яка в даний момент часу найбільш важлива в силу умов технологічного процесу.