Category Archives: Автоматизация на базе ПЛК

Векторное управление

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При  непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».

Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты.

Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна.

Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.

Скалярное управление

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего  поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется  перегрузочная способность двигателя.

При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график U от f для любого типа нагрузки.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.

Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

Структура частотного преобразователя

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты  представлена на рисунке. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Схема низковольтного преобразователя частоты

Схема низковольтного преобразователя частоты

Переменное напряжение питающей сети (uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = const, fвх = const) поступает на выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение ud поступает на вход импульсного инвертора (3).

Инвертор современных преобразователей, как правило, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (чаще всего) импульсное напряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается  в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.  Амплитуда и частота напряжения  определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц)  обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).

Есть также варианты без использования звена постоянного тока, но их доля рынка постоянно снижается в связи с тем, что такой алгоритм провоцирует значительные помехи, хотя и выгоден в плане кпд.

Частотные преобразователи. Вступление

Наш сайт рад представить материалы по одной из наиболее перспективных систем автоматизации.

Системы частотного управления приводами — это данность современного состояния сферы автоматизации, которая очень и очень скоро станет обязательной. Не секрет, что необходимость их использования в ближайшее время будет закреплена в соответствующих законодательных актах.

«Почему?»- спросите Вы.

С удовольствием ответим.

Парк двигателей средней и большой мощности (более 80% от общего числа) укомплектован асинхронными двигателями. Единственный вариант сколько–нибудь гибкого, а тем более интеллектуального управления таким двигателем – управление с использованием частотного преобразователя. Негибкое же управление – это перерасход дорожающей электроэнергии (от 20 до 50 % в зависимости от сферы применения), быстрый износ систем из-за перегрева, гидроудары для насосов и подобные малоприятных вещи.

Возможность частотного управления была обоснована и разработана достаточно давно, однако долгое время применялась мало из-за схемотехнических проблем. Проблемы эти были преодолены. Сегодня в качестве управляющих элементов для мощных приводов используются системы на базе силовых тиристоров (GTO и их улучшенные вариации), для приводов средней и малой мощности используется силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Последние обладают замечательными характеристиками по быстродействию (до 100 КГц), хотя по возможной коммутируемой мощности уступают тиристорным схемам.