Способы управления двигателями
Управление коллекторными электродвигателями постоянного тока
Из уравнения скорости электродвигателя постоянного тока видно, что частота вращения коллекторного электродвигателя постоянного тока напрямую связана с величиной напряжения питания прикладываемого к двигателю и момента нагрузки.
- где — угловая частота, рад/с,
- U — напряжение питания, В,
- – постоянная ЭДС, В∙с/рад,
- M — момент электродвигателя, Н∙м,
- — механическая жесткость двигателя.
Таким образом скорость вращения коллекторного двигателя постоянного тока изменяется посредством изменения величины напряжения питания.
Управление универсальными двигателями
Универсальный коллекторный двигатель может быть подключен как к сети постоянного тока, так и к сети переменного тока. Так же как и у коллекторного двигателя постоянного тока, скорость универсального двигателя управляется величиной напряжения питания, а не его частотой.
Управление бесщеточными электродвигателями переменного тока
Основным элементом современного электропривода является система управления электродвигателем: частотный преобразователь или сервопривод.
Преобразователь частоты позволяет управлять моментом и скоростью вращения электродвигателя и исполнительного механизма.
Сервопривод позволяет точно управлять угловым положением, скоростью и ускорением исполнительного механизма.
При этом современные высокопроизводительные методы управления двигателями переменного тока используемые в современных частотных преобразователях и в сервоприводах имеют единую концепцию управления — векторное управление.
Скалярное управление
Скалярный метод управления обеспечивает постоянное отношение амплитуды напряжений обмоток статора к частоте. Такой метод позволяет контролировать скорость вращения электродвигателя в диапазоне до 1:10. Метод прост в реализации и подходит для большинства задач управления двигателем, где не требуется высокая динамика работы. Медленный отклик при переходном процессе связан с тем, что данный метод контролирует величину напряжения и частоты вместо управления фазой и величиной тока.
Векторное управление
Векторное управление позволяет управлять не только амплитудой и частотой, но и фазой управляющих напряжений. Таким образом данный метод обеспечивает максимальное быстродействие и регулирование во всем диапазоне скоростей, что невозможно выполнить с помощью скалярного управления. Недостатками данного метода является сложность реализации и более высокая цена, связанная с необходимостью использования более мощного микроконтроллера. Данный способ управления используется в таких задачах, как: робототехника, беспилотные аппараты, электрические транспортные средства, устройства автоматики и др.
Управление электродвигателями
Исследования Мирового Энергетического Совета в 2013 году, говорят о том, что около 45% глобального потребления электроэнергии приходится на электродвигатели. Они являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Электродвигатели можно встретить в бытовой технике, инструментах, электромобилях, поездах, на нефтяных платформах и дамбах.
Со времен промышленной революции мы постоянно сокращаем трудозатраты и время, внедряя электродвигатели во всевозможное оборудование. Масса устройств с электроприводом сделала наши домашние дела проще и удобнее, а наши рабочие места стали более эффективными и рентабельными. Но какой ценой?
Энергопотребление и окружающая среда
В современном мире, где сокращаются запасы ископаемых видов топлива, где внимательно следят за экологией и окружающей средой, производителям любых изделий с моторами приходится нелегко. Пока не существует достойной альтернативы по получению электроэнергии из возобновляемых источников, проблема усугубляется стремительным увеличением спроса в связи с экономическим ростом в Африке, Азии и Южной Америке и быстрорастущей численностью мирового населения. Во всем мире правительства все более активно внедряют законодательные меры, направленные на сокращение потребления энергии. В ответ на это промышленные заказчики стараются инвестировать в более эффективное оборудование. Не желают отставать и дальновидные розничные потребители, которые ищут изделия с низким энергопотреблением.
Компактные двигатели
Помимо сокращения энергопотребления, инженеры также сталкиваются с необходимостью сокращения размеров моторов, приводов и их контроллеров. Так, например, для потребителя большой объем барабана в стиральной машинке является дополнительным критерием выбора, но тем не менее машинка по-прежнему должна соответствовать стандартным размерам. Сокращение пространства для электронных компонентов усложняет терморегулирование и охлаждение и порождает некоторые трудности для инженеров-разработчиков. Добавление механизмов охлаждения только увеличивает потребление энергии, поэтому двигатели должны быть спроектированы таким образом, чтобы выделять меньше тепла.
Архитектура систем управления двигателями
Системы управления двигателем
На приведенной выше схеме показаны стандартные блоки системы управления двигателем в зависимости от типа двигателя, области его применения, уровня управления и мониторинга.
Контроллер – это устройство управления, микроконтроллер или ЦСП, который воспринимает такие команды, как направление, скорость и крутящий момент. Он необходим для генерации одного или нескольких сигналов для приведения в действие мотора. Управление обычно осуществляется посредством ШИМ. Контроллер также может быть снабжен обратной связью в виде измерения тока и положения, чтобы обеспечить более точное управление, защиту двигателя и обнаружение неисправности.
Привод — в большинстве случаев привод необходим для усиления сигналов, образуемых контроллером для обеспечения достаточной мощности двигателя.
Датчики — шунты и датчики с эффектом Холла могут использоваться для измерения фактического тока, тем самым обеспечивая обратную связь. Получение данных о положении двигателя осуществляется через индуктивный датчик, датчик Холла или энкодер. Затем эта обратная связь может использоваться для реализации более сложного управления «замкнутым контуром» и получения актуальной информации об условиях работы электродвигателя, что обеспечивает улучшенный контроль над выходными параметрами электродвигателя.
Фильтрация — используется в системах управления двигателями для подавления источников электромагнитных помех. Обычно такими элементами фильтрации выступают ферритовые сердечники и катушки индуктивности.
Изоляция —
Двигатель с замкнутым и разомкнутым контуром
Разомкнутые системы управления характеризуются тем, что в них задается необходимое значение регулируемой величины, но в процессе работы значение регулируемой величины не контролируется, и система не реагирует на отклонение регулируемой величины от заданного значения. Другими словами, разомкнутая система управления не имеет обратной связи.
В замкнутых системах производится непрерывный контроль выходной величины, и система управления при помощи цепи обратной связи реагирует на отклонение выходного сигнала от заданной величины. Хорошим примером этого является позиционный двигатель на телескопе, который будет постоянно перестраиваться, чтобы отслеживать требуемые координаты.
Бесщеточные двигатели постоянного тока (БДПТ)
Автор: Эльвир Кахриманович, старший системный инженер-разработчик компании Infineon.
От аккумуляторных электроинструментов до средств промышленной автоматизации, от электрических велосипедов до дистанционно управляемых «беспилотников», в настоящее время бесщеточные двигатели постоянного тока (БДПТ) пользуются все большей популярностью. Для решений БДПТ требуется более сложное устройство привода, такие моторы обладают рядом эксплуатационных преимуществ, включая высокую эффективность и удельную мощность. Это позволяет использовать меньшие по размеру, более легкие и менее дорогие двигатели. Уменьшается механический износ, что приводит к повышению надежности, увеличению срока службы, а также исключает необходимость постоянного техобслуживания. Двигатели БДПТ работают с более низким звуковым и электрическим шумом, чем их щеточные аналоги.
Обычный БДПТ имеет трехфазный статор, который осуществляет вращение ротора через систему электронного управления. Такая система включает в себя трехфазный инвертор напряжения. Она постоянно переключает токи в обмотках статора синхронно с положением ротора, которое может быть установлено с помощью датчиков или посредством расчетов, основанных на обратной электродвижущей силе (ЭДС) в конкретный момент. Поток, генерируемый в статоре, взаимодействует с потоком ротора, который определяет крутящий момент и скорость двигателя.
При разработке средств БДПТ инженеры выбирают между использованием дискретных компонентов и интегрированных решений, которые объединяют ряд важных функций привода и управления в одном устройстве.
Более подробную информацию можно найти в материалах компании Infineon: «Потери мощности и оптимизированный выбор MOSFET в конструкциях инверторов двигателей БДПТ» на сайте DesignSpark.
Робот от Infineon Technologies побил рекорд по сборке кубика Рубирка
Компоненты для бесщеточных двигателей
Компоненты для систем управления двигателями
Постройте компактный, надежный и эффективный моторный привод с использованием встроенных силовых модулей от компании ON Semiconductor.
Типы двигателей и как подобрать нужный двигатель
Существует две основные категории двигателей: переменного тока (AC) и постоянного тока (DC).
Двигатели постоянного тока были изобретены первыми и по-прежнему являются самым простым видом двигателей. DC двигатели приводятся в движение путем пропуска тока через проводник внутри магнитного поля. Основными типами электродвигателей постоянного тока являются щеточные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока. Энергия щеточных двигателей генерируется подключением противоположных полюсов источника питания для подачи отрицательных и положительных зарядов в коммутатор при его физическом контакте с щетками. Такие электродвигатели отличаются своей простотой и низкой стоимостью, но требуют частого техобслуживания, так как щетки нуждаются в регулярной чистке и замене. Для того, чтобы работа приборов была более надежной, эффективной и менее шумной, используют бесщеточные двигатели постоянного тока. Они легче по сравнению с щеточными двигателями при одной и той же выходной мощности, практически не требуют техобслуживания, но значительно дороже.
Двигатели переменного тока можно разделить на два основных типа: асинхронные и синхронные. Выделяют ещё один, менее распространенный тип — линейные AC двигатели.
Можно сказать, что AC двигатели состоят из двух основных частей: внешняя часть (статор) и внутренняя (ротор). Статор – это стационарная часть двигателя с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля. А ротор соединен с валом, который создает другое вращающееся магнитное поле. Линейные двигатели схожи с вращающимися двигателями, но в них движущиеся и неподвижные части расположены по прямой линии, и в итоге они создают линейное движение.Индукционные (асинхронные) электродвигатели называются таковыми, поскольку крутящий момент создается с помощью электромагнитной индукции. Они известны также как двигатели с короткозамкнутым ротором или фазным ротором.
Синхронные двигатели отличаются от асинхронных тем, что они работают с точной синхронизацией с частотой сети. Напротив, асинхронные двигатели используют индуктивный ток для создания магнитного поля и требуют некоторого «скольжения» (немного более медленного вращения), чтобы вызвать ток.
На что следует обратить внимание при выборе электродвигателя?| Тип электродвигателя: | Двигатель постоянного тока (DC) или переменного тока (AC). |
|---|---|
| Скорость: | На какой скорости должен работать ваш двигатель? От этого напрямую зависит регулирование числа оборотов. Вам требуется выбор из нескольких режимов времени набора оборотов двигателя? |
| Крутящий момент: | Это показатель, характеризующий силу вращения, обычно измеряется в Н·м (Ньютон-метр). |
| Встроенный редуктор: | Встроенные редукторы снижают скорость и увеличивают крутящий момент. |
| Требования по нагрузке: | Какая нагрузка вам требуется – предельная нагрузка, нормальная нагрузка или легкий режим нагрузки? |
| Номинальная мощность: | Как правила, указывается в Ваттах (Вт) или лошадиных силах (л. с.). Проверьте характеристики при нормальной работе и перегрузках. |
| Питание: | Проверьте требования к электропитанию – к напряжению, току. |
| Конфигурация: | Размер и габариты двигателя будут определяться приложением, для которого он предназначен. Размер вала, тип монтажа и вес также должны быть учтены. |
Ведущие бренды
Статьи на сайте DesignSpark
Управление электродвигателем: приводы переменного тока стали удобнее для пользователя
Для определения тенденций в этом секторе производства Control Engineering и Reed Research Group, входящие в Reed Research Information (www.reedbusiness.com), провели опрос подписчиков по электронной почте для выяснения их мнения и предпочтений в отношении приводов ASD. Выборочные результаты, представленные здесь, основаны на 146 полных ответах, полученных в июле 2005 г. от специалистов, занимающихся оценкой, определением технических требований, рекомендациями, установкой и/или закупкой приводов. Среди таких респондентов 56% делают это для решения внутренних производственных задач, 21% — для ОЕМ (перепродажи), а 21% выполняет обе функции.
Прежние лидеры и новые фавориты
Насосы, вентиляторы и воздуходувы остаются самыми популярными применениями ASD. Об этом сообщили 27% респондентов (по сравнению с 50% в 2003 г.), что говорит о большем разбросе мнений в опросе, проведенном в 2005 г. К наиболее популярным также относятся такие области применения, как производство пищевых продуктов/напитков (12%), а также сборочные и конвейерные линии (10%). Оборудование для транспортировки материалов и деталей, которое в 2003 г. занимало третье место, реже всего упоминалась в 2005 г.
Управление без обратной связи (В/Гц) сохраняет явный приоритет для 79% респондентов (по сравнению с 84% в 2003 г.), векторное управление без энкодера удерживает второе место при 41% (40% в 2003 г.), а векторное управление с обратной связью предпочитают 38% (37% в 2003 г.).
Тем не менее, по сравнению с последним опросом, значительные изменения произошли в характеристиках, которые пользователи считают самыми важными при выборе приводов. Частично это объясняется изменениями в составе респондентов (географическое распределение), большим разнообразием мощности приводов и новыми инвестициями, которые были сделаны за прошедший период. Из числа функциональных характеристик приводов, оцененных как «очень важные», первые четыре места были отданы таким характеристикам, как класс защиты (NEMA 12) — 38% опрошенных, программирование скоростей (34%), защита NEMA 4 (33%) и отметка CE/другая сертификация (30%). В обзоре 2003 г. эти характеристики занимали более скромное место, а самыми полезными считались такие показатели, как простота устройств управления/ установки, удобный интерфейс оператора и цена.
Что же касается рабочих характеристик, то самой важной оказалась возможность работы при высоком напряжении (2,3 кВ и выше), так считает 54% опрошенных. Затем идет управление несколькими двигателями от одного привода (43%), способность управлять как синхронными, так и асинхронными двигателями (37%) и четырехквадрант-ный режим работы (33%). Эти характеристики также получили низкую оценку в предыдущем опросе.
У 83% респондентов приводы с регулируемой частотой работают автономно, но 42% сообщают, что их ASD объединены в сеть. (Здесь могли быть отмечены оба варианта, если они применялись). Среди тех, кто в настоящее время пользуется приводами, включенными в сеть, 79% работают с 4-20 мА. Между тем по результатам можно предположить, что Ethernet TCP/IP (сейчас 67%) в скором времени станет самой широко распространенной сетью. DeviceNet вышла на третье место с 61%. Более широкое использование в следующие 12 месяцев также предсказывается для Ethernet Powerlink, которой в настоящее время отдают предпочтение 19% респондентов.
Покупки ASD также на подъеме. Пятьдесят шесть процентов сообщают, что их покупки приводов ПТ увеличатся в 2006 г. — по сравнению с 42 % в 2003 г.(24% в 2002 г.) — и только 3% (6% в 2003 г.) предвидят снижение покупок. Результаты опроса показывают, что за прошедшие 12 месяцев каждый из респондентов купил 25 ASD, затратив в среднем 46500 долларов.
Изменение приоритетов
Чарльз Мэннинг, руководитель отдела маркетинга продукции в Omron Electronics LLC, предполагает, что изменения в предпочтениях пользователей относительно характеристик приводов — защита, программирование скоростей и сертификация — могут говорить о заинтересованности OEM и интеграторов. По его мнению, еще более важно, что CE-сертификация, по-видимому, говорит о том, что национальные компании экспортируют свою продукцию за границу. В предыдущих опросах отмечался низкий уровень комфорта при эксплуатации приводов, поэтому ответы респондентов, возможно, отражают возросший уровень доверия, поскольку приводы стали более простыми в применении.
Мэннинг также отмечает, что, несмотря на высокий уровень предлагаемой технологии, покупатели стали воспринимать приводы ПТ как товары повседневного спроса. Это значительно усложняет задачу производителей, так как им приходится создавать такие изделия, которые должны отличаться от изделий конкурентов. «Я ожидаю, что вскоре появятся приводы, которые будут подключаться к промышленным сетям по принципу «plug and play» и которые смогут обращаться к заводскому специалисту при возникновении проблем”,- поясняет он.
Изменение потребностей рынка ASD также отмечают в Schneider Electric. В то время как OEM-производители выигрывают от современных, простых в использовании изделий, приносящих неплохую прибыль, потребители выбирают приводы с другими характеристиками, которые позволяют максимально использовать их потенциал и расширить географию рынка, как считает Иван Спронк, менеджер сегмента приводов ПТ. По его мнению, отметка о сертификации изделий становится все более важной по мере того, как промышленность все больше превращается в глобальный рынок, а OEM-производители ищут новые рынки за пределами США. Например, отметка CE становится решающим фактором для продажи оборудования в Европе, а другие отметки (NOM и CCC) выполняют аналогичную роль для таких развивающихся рынков, как Мексика и Китай.
По мере того, как приводы ПТ все чаще используются в запыленной среде и в применениях, связанных с наличием брызг, класс защиты (NEMA 12 и 4) (IP65 и IP66 соответственно — прим. ред.) приобретает особую важность. «Приводы ПТ могут найти применение в таких производственных процессах, в которых прежде они не использовались, — отмечает Спронк. — Кроме того, среди OEM-производителей отмечается постоянная тенденция устанавливать все средства управления, связанные с определенной частью оборудования, непосредственно на механизме, а не рядом или в отдельном помещении», — продолжает он.
Обзор требований, предъявляемых к приводам переменного тока, и их возможностей
Как отмечают в московском представительстве Schneider Electric, стремительно растущий интерес к рынку приводной техники вызван прежде всего тем, что частотный преобразователь является мощным средством энергосбережения. Рост цен на электроэнергию и снижение цен на сами преобразователи снижают сроки окупаемости и делают инвестиции в данное оборудование еще более привлекательными.
Парк приводной техники, предлагаемой на мировом рынке, за последние два года существенно обновился. Практически все фирмы-производители обновили свои модельные ряды. Так, компания Schneider Electric завершит 100% обновление своего предложения к середине 2006 года. Благодаря разработке новых полупроводниковых компонентов, качественные и функциональные характеристики преобразователей шагнули далеко вперед. Теперь уже никого не удивишь функцией автонастройки, встроенным осциллографом и регистратором событий. Новое поколение Altivar 71 общается с компьютером по интерфейсу Bluetooth и может иметь встроенный WEB-сервер. Благодаря встроенной карте контроллер Altivar 71 может стать «мастером» в промышленной сети и сам управлять контроллерами нижнего уровня. Если в прошлом году меню преобразователя с 1000 параметров было пределом функциональных возможностей, то для нового поколения и 3000 параметров — не предел.
Качественные характеристики преобразователей также существенно улучшились, отмечает менеджер сегмента приводной техники ЗАО «Шнейдер Электрик» Александр Мосин. Наметилась тенденция применения преобразователей общего назначения в высокоточных станочных приводах и системах позиционирования. Стало возможным управление синхронными двигателями в разомкнутой и замкнутой системе. Так, уже упоминавшийся Altivar 71 может сам выбрать интенсивность разгона механизма в зависимости от нагрузки на валу двигателя или по показаниям тензодатчика.
По словам Александра Мосина, новейшее поколение приводов для насосов и вентиляторов ATV61/21 теперь имеет новые энергосберегающие алгоритмы управления двигателем, обеспечивает защиту насосного оборудования при прорыве трубы или отсутствии воды. Благодаря повышенной номинальной частоте коммутации 12 кГц двигатели насосов и вентиляторов будут работать практически бесшумно.
Простота и надежность
Рич Минц, менеджер продукции в SEW-Eurodrive, отметил большой интерес к прочным корпусам и возможности программирования скоростей, которые предлагает высокоэффективный привод Movidrive их компании. Исходя из своего опыта Минц утверждает, что простота и надежность все еще высоко ценятся среди потребителей, особенно при установке и обслуживании. Минц согласен с результатами опроса в том, что многие установки приводов ПТ остаются автономными. Он считает: «На данный момент небольшим производителям скорее всего не нужен усложненный привод, соединенный с полевой шиной. Пользователям нужна простота и совместимость изделий. Им также удобнее применять одни и те же инструментальные программные средства для приводов разной мощности, особенно для решения задач диагностики оборудования и поддержки операторского интерфейса»
По данным AutomationDirect современные пользователи приводов с регулируемой частотой стремятся получить улучшенные характеристики в отношении минимальной скорости, точное регулирование крутящего момента/скорости и повышенную надежность. «Если такие характеристики будут обеспечены, тогда решающим фактором для пользователей станет требование стабильного интегрированного четырехквадрант-ного режима работы», — утверждает Том Мэтиас, менеджер продукции приводов, двигателей и движения. При четырехк-вадрантном режиме часто используются громоздкие внешние рекуперативные блоки или неэффективные схемы динамического торможения. Вот почему ASD, выполняющий действительно линейную рекуперацию в рамках единого модуля — это исключительно полезное изделие. К числу его преимуществ относятся эффективность использования энергии, экономия места и уменьшение стоимости в разных применениях от подъемных кранов и прессов до управления HVAC.
Что касается тенденций, то здесь AutomationDirect видит применение ASD в таких областях, где до недавнего времени единственным подходящим решением были более дорогие сервосистемы. «В то время как ASD в основном использовались для точного регулирования скорости, приводы с векторным управлением в настоящее время могут также применяться для решения задач позиционирования, не требующих высокой производительности, таких, например, как резка по длине или устройства смены инструментов в станках», — замечает Мэтиас. Между тем экономичность и производительность приводов с регулируемой частотой стимулируют движение в направлении замены контроллеров «с управлением по проводам» в рамках всего производства. «Такие проблемы, как пусковые броски крутящего момента, можно уменьшить или устранить, что поможет продлить срок эксплуатации управляемого оборудования», — добавляет он.
ИЗДЕЛИЯ ASD
Интегрированные или автономные приводыПривод переменного тока Allen-Bradley PowerFlex 700S предназначен для эффективного управления и подходит как для интегрированных, так и для автономных применений. Передовая технология привода обеспечивает эффективность двигателя и возможность его защиты, а также безопасность и различные варианты обратной связи, что дает пользователю такие преимущества, как простота установки, программирования, поиска неисправностей и диагностики. PowerFlex 700S отличается усовершенствованными алгоритмами управления двигателем, которые, как сообщается, обеспечивают такие исключительные возможности как Force Technology (точная регулировка скорости и крутящего момента при нагруженном или холостом двигателе), SynchLink обеспечивает синхронизацию и связь между приводами и усовершенствованное регулирование скорости. Кроме того, имеется встроенный контроллер DriveLogic.
www.rockwellautomation.ru
Rockwell Automation
Рекуперативный привод серий ACS800-11/17, охватывающий диапазон мощностей от 90кВт до 1120 кВт, дополняет линию приводов компании ABB. Его также называют четырехквадрантным приводом. При работе привода как в двигательном, так и в генераторном режиме, коэффициент мощности. Он включает в себя активный выпрямитель вместо пассивного диодного выпрямителя, применяющегося в обычных приводах, и поставляется со встроенным LCL фильтром для подавления гармоник. Управляющая часть привода построена на методе прямого управления моментом (DTC), который существенно улучшает точность регулирования и не требует использования датчиков скорости на валу двигателя. Также достоинствам привода ACS800 является его компактная конструкция, что облегчает задачу установки и ввода привода в эксплуатацию.
www.abb.ru/ibs
ООО «АББ Индустри и Стройтехника»
Семейство приводов Sinamics G130, G150, S150 — это мощные приводы переменного тока со звеном постоянного напряжения, охватывающие диапазон мощностей от 75 кВт до 1500 кВт при напряжениях 380-480В, 500-600В, 600-690В. Приводы предназначены для самых разных применений, таких как насосы, вентиляторы, смесители, экс-трудеры, мельницы (дробилки), конвейеры и д.р. Для наиболее требовательных задач используются Sinamics S150, поддерживающие рекуперацию энергии и компенсацию реактивной мощности. Приводы поставляются во встраиваемом исполнении (G130), комплектном шкафном исполнении с коммутационными устройствами (G150 версия А, S150), шкафном исполнении без коммутационных устройств (G150 версия С), со степенями защиты вплоть до IP54. Интерфейс Profibus DP и разнообразие входов и выходов в стандартной комплектации предлагает богатые коммуникационные возможности. Современное программное обеспечение с автонастройкой и богатый набор дополнительных опций обеспечивает готовое к подключению решение по принципу < ->. Конструкция преобразователей включает запатентованные решения и компоненты, обеспечивающие компактность, высокий КПД, низкий уровень шума и эффективное охлаждение.
www.siemens.ru/ad
Siemens
Приводы Decentral Drive отличаются прочной конструкцией и особенно пригодны для применения в конвейерных линиях автозаводов, при изготовлении продуктов питания/напитков и в отраслях, связанных с транспортировкой материалов. Мощность приводов может изменяться в диапазоне 0,4-7,5 кВт при 3-фазном напряжении 380-480 В. Они поддерживают такие шинные протоколы связи, как RS-485, Profibus, Device-Net или AS-i. Универсальный привод VTL Decentral можно использовать с любым стандартным двигателем переменного тока, его можно устанавливать на стене или непосредственно на применяемом оборудовании.
www.danfoss.ru
Danfoss Drives
Относительно недавно компания Control Techniques (Великобритания) поразила всех еще более интересным электроприводом Commander SK, который по-новому определил значимость небольших (до 132 кВт) универсальных приводов переменного тока. Огромный выигрыш в производительности и экономичности достигается за счет многообразия внутренних функций и удивительной простоты настройки, при этом необходимая конфигурация создается с помощью простой светодиодной панели или наглядного ПО СТ Soft. Существенным преимуществом электроприводов Commander SK является встроенный ПЛК с развитой математикой, открытая структура привода и функция управления тормозами для подъемно-транспортных механизмов. ПЛК активируется с помощью введения «LogicStick», программирование которого выполняется свободно распространяемым бесплатным ПО IEC 61131-3 с лестничной логикой. Использование модулей расширения входов/выходов или сетевых модулей (Profibus DP, Ethernet TCP/IP и др.) позволяет разрабатывать экономичные и удобные в эксплуатации системы. Свободно распространяемое программное обеспечение, в том числе высокоскоростной осциллограф, предоставляет дополнительные возможности для пользователей.
www.controltechniques.com
Emerson Control Techniques
FR-A700 — это высокопроизводительный интеллектуальный привод, предназначенный для управления двигателями переменного тока в широком диапазоне мощностей от 0,4 до 500 кВт. Он поставляется со встроенным ПЛК и отличается специальными технологиями, такими, например, как адаптивная автонастройка, которая компенсирует изменения инерции нагрузки. Первоначально такие технологии были разработаны для сервоприводов, выпускаемых компанией. Результатом применения этих технологий является более плавная работа, меньшее время простоя и низкие эксплуатационные расходы. Используя обратную связь через энкодер в режиме векторного управления, привод A700 может создавать крутящий момент при нулевой скорости, что позволяет регулировать положение. С заявленной скоростью отклика 300 рад/с новый привод может быстро реагировать на внезапные изменения нагрузки. Благодаря недавно разработанному алгоритму «Real Sensor-less Vector ”, который обеспечивает диапазон скорости 200:1, A700 можно также использовать и без датчика. Способность регулировать момент и скорость делает его идеальным для таких применений, где должно поддерживаться постоянное натяжение, например при управлении намоткой/разматыванием.
www.mitsubishi-automation.ru
Mitsubishi Electric
Привод G7 для диапазона напряжений от 380 до 480 В отличается » трехуровневой» архитектурой, ставшей удачным решением для применений, в которых необходимы высокие показатели управления скоростью, моментом и положением в сочетании с низким шумом двигателя. По данным компании, улучшенные характеристики скорости и крутящего момента достигаются благодаря более быстрому и точному измерению выходного сигнала; а модернизированный метод управления ШИМ обеспечивает превосходное управление крутящим моментом на низких скоростях — 150% при 0,3 Гц без датчика обратной связи. Трехуровневая архитектура значительно продлевает срок службы двигателя за счет уменьшения пиковых величин напряжения и утечек тока через изоляцию и подшипники, одновременно предоставляя возможность использовать длинные кабели (до 300м). Низкий уровень создаваемых радиочастотных помех позволяет отказаться от RF- и dV/dt фильтров в большинстве случаев, где такие фильтры потребовались бы при использовании инверторов с традиционной архитектурой.
www.yaskawa.de
Yaskawa Electric Europe
Частотно-регулируемые приводы SVX9000 под торговой маркой Cutler-Hammer были расширены за счет новых «редакций», приспособленных для специфических областей применения. Сейчас серия изделий включает в себя SPX9000 — высокоэффективный привод с 32-разрядным процессором и увеличенным объемом памяти; LCX9000 — привод с жидкостным охлаждением и привод с высококачественным питанием CPX9000 — 18-пульсный привод с низким уровнем гармоник, который без дополнительного оборудования соответствует всем требованиям стандарта IEEE-519 на гармоники. Эти модели используют общую архитектуру управления и имеют одинаковую компактную модульную конструкцию.
www.cutler-hammer.eaton.com
Eaton Corp.
В компании Schneider Electric утверждают, что разработанный для применения в новых и модернизированных насосах и вентиляторах защищенный привод переменного тока Square D S-Flex с мощностью 0,75-15 кВт при 460 В может служить альтернативой многофункциональному защищенному приводу, позволяя проще приспосабливаться к последним изменениям проекта, а также к требованиям модернизации после выхода изделия на рынок. Заслуживают внимания такие характеристики привода S-Flex, как совместимость с NEC2005 Article 409 (соответствует всем новым требованиям для промышленных панелей управления с номинальными параметрами 100000 AIC без плавких предохранителей) и взаимодействие всех устройств управления через специальные межсоединения, что сводит к минимуму вероятность неправильного монтажа. Сюда же относятся восстанавливаемая защита от недопустимых перегрузок по току и шунтирующая цепь, а также встроенный стабилизатор тока сети, установленный по перегреву на 150% для экономичного ослабления гармоник и защиты от скачков напряжения. S-Flex входит в перечень UL508A, поставляется в собранном и смонтированном виде и включает в себя привод Altivar 31 (торговая марка Telemecanique) для обеспечения гибкости управления.
www.schneider-electric.ru
Schneider Electric
Movidrive B — инвертор с большим числом базовых функций, расширенным диапазоном низких скоростей и повышенной перегрузочной способностью. Стандартное исполнение Movidrive B включает в себя фирменную интегрированную систему управления позиционированием и циклом работы IPOSplus и может быть расширено с помощью всех имеющихся вариантов. В прикладном исполнении добавлены такие возможности, как электронный редуктор и электронный шаблон, а также руководства по быстрому запуску таких приложений, как «позиционирование поворотного стола» (32 дискретных точки или позиция через полевую шину), «летающий нож» и «контроль намотки»
www.sew-eurodrive.ru
SEW-EURODRIVE
Расширение серии приводов переменного тока GS2 включает в себя три модели мощностью 200, 400 и 750 Вт. Все они имеют 115 В однофазный вход и 230 В трехфазный выход. Эти приводы предназначены для работы в таких условиях, где нет 230 В источника питания, и для таких применений, как вентиляторы, насосы и обычное управление двигателями. Новые модели предлагают все возможности существующих приводов серии GS2, включая интегрированное ПИД-регулирование, съемную клавиатуру с потенциометром, установленные на плате соединения RS-232/485 и Mod-bus, плюс возможность подключения интерфейса Ethernet.
www.automationdirect.com
AutomationDirect
Плата P10CDT устанавливается непосредственно в корпус инвертора переменного тока 3G3MV или CIMR-V7, предоставляя ему не только 6 дополнительных входов и 3 выхода, но и такие функции ПЛК Omron CPM2C, как календарь и часы реального времени, 2 порта связи RS232C и RS422/485 cо свободно настраиваемыми протоколами, обработку прерываний и сигналов с внешних энкодеров. Объединение функциональных возможностей в одном изделии снижает объем монтажных соединений и увеличивает гибкость управления. Это устройство было разработано для уменьшения пространства установки, стоимости и времени, а также с целью создания встроенного управления для новых или уже существующих применений инверторов. ПЛК встраивается в привод, что обеспечивает доступ из программы ПЛК ко всем функциям и параметрам инвертора и добавляет ему новые интеллектуальные возможности,
www.omron-industrial.com
Omron Europe
Вконтакте
Google+
Управление электродвигателем | Электронмаш
Электродвигатели промышленного оборудования являются основными потребителями электрической энергии. Доля силовых установок в общем потреблении производственным оборудованием энергии достигает 60%. Большинство современных установок подключается к сетям питания напрямую, без применения пускорегулирующих устройств.
Область применения регуляторов пуска
Подключение электродвигателя напрямую к сети электропитания несет несколько недостатков – негативное воздействие на сам двигатель и его механизмы пуска, отрицательное влияние на линию электроснабжения и производственные процессы. Кроме того, отсутствие управления мощностью ведет за собой повышенное потребление электроэнергии и снижает общую энергетическую эффективность промышленного комплекса.
Для решения данной проблемы на производственных и промышленных объектах применяют пускорегулирующие устройства (ПРУ), что является наиболее эффективным способом. Наибольшее распространение имеют два основных вида ПРУ: преобразователи частоты и устройства плавного пуска. Управление электродвигателем с помощью этого оборудования позволяет обеспечить:
- Управление характеристиками пуска электродвигателя – плавность, безопасный пуск, реверс, торможение и остановка в сетях с ограниченной мощностью;
- Управление нагрузкой – изменение рабочих режимов в зависимости от потребностей производственного цикла;
- Повышение плавности моментов пуска и остановки электродвигателей, что обеспечивает увеличение срока службы деталей и частей механизмов;
- Распределение суточных нагрузок в сетях электропитания за счет рационального управления потреблением энергии;
- Предотвращение работы установок в аварийных режимах;
- Рационализация и повышение экономичности эксплуатационного процесса.
ПРУ плавного пуска
Устройства плавного пуска (УПП) представляют собой электротехнический механизм, выполняющий плавный пуск и остановку электродвигателя (ЭД), а также регулирующие режимы коммутации при этих действиях.
В основе УПП заложен тиристорный регулятор напряжения (ТНР), который является электронным устройством со статическим режимом работы. Принцип действия заключается в ограничении нарастания значений напряжения и силы тока при старте ЭД путем регулирования углов открытия тиристоров. ТНР использует фазовый способ управления, на каждой из которых используется встречно-параллельная активация тиристоров.
ПРУ частотно-регулируемые
Приводы управления двигателем основанные на частотно-регулируемом принципе принимая электроэнергию преобразуют ее передают потребляющим промышленным механизмам и оборудованию. В своей работе они обеспечивают защиту от коротких замыканий и перегрузок. Частотно регулируемые приводы (ЧРП) также позволяют управлять электродвигателями: позволяют осуществлять безударный пуск и остановку, бесступенчатый разгон и торможение, а также подержание определенного режима работы.
Векторное управление электродвигателем «на пальцах» / Хабр
— Что такое векторное управление?— Держать ток под 90 градусов.
Термин «векторное управление» электродвигателями знаком всем, кто хоть как-то интересовался вопросом, как с помощью микроконтроллера управлять двигателем переменного тока. Однако обычно в любой книге по электроприводу глава про векторное управление находится где-нибудь ближе к концу, состоит из кучи волосатых формул с отсылками ко всем остальным главам книги. Отчего разбираться в этом вопросе совсем не хочется. И даже самые простые объяснения всё равно держат путь через дифференциальные уравнения равновесия, векторные диаграммы и кучу другой математики. Из-за чего появляются примерно вот такие вот попытки как-то закрутить двигатель без использования мат.части. Но на самом деле векторное управление – это очень просто, если понимать принцип его работы «на пальцах». А там уже и с формулами разбираться в случае надобности будет веселее.
Рассмотрим принцип работы самого простого двигателя переменного тока – синхронной машины с постоянными магнитами. Удобный пример – компас: его магнитная стрелка представляет из себя ротор синхронной машины, а магнитное поле Земли – магнитное поле статора. Без внешней нагрузки (а в компасе её нет, если не считать трение и жидкость, гасящую колебания стрелки) ротор всегда ориентируется по полю статора. Если мы будем держать компас и вращать под ним Землю, то стрелка будет крутиться вслед, совершая работу по перемешиванию жидкости внутри компаса. Но есть и чуть более простой способ – можно взять внешний магнит, например, в виде стержня с полюсами на концах, поле которого значительно сильнее магнитного поля Земли, поднести его к компасу сверху и вращать магнит. Стрелка будет двигаться вслед за вращающимся магнитным полем. В настоящем синхронном двигателе поле статора создается электромагнитами – катушками с током. Схемы обмоток там сложные, но принцип один – они создают статором магнитное поле, направленное в нужную сторону и имеющее нужную амплитуду. Посмотрим на следующий рисунок (Рисунок 1). В центре изображен магнит – ротор синхронного двигателя («стрелка» компаса), а по бокам два электромагнита – катушки, создающие каждая свое магнитное поле, одна в вертикальной оси, другая в горизонтальной.
Рисунок 1. Принцип действия синхронной электрической машины
Магнитный поток катушки пропорционален току в ней (в первом приближении). Нас будет интересовать магнитный поток от статора в том месте, где расположен ротор, т.е. в центре рисунка (краевыми эффектами, рассеянием и всем прочим пренебрегаем). Магнитные потоки двух перпендикулярно расположенных катушек векторно складываются, образуя для взаимодействия с ротором один общий поток. Но так как поток пропорционален току в катушке, удобно рисовать непосредственно вектора токов, сонаправив их с потоком. На рисунке показаны некоторые токи Iα и Iβ, создающие магнитные потоки по осям α и β соответственно. Суммарный вектор тока статора Is создает сонаправленый ему магнитный поток статора. Т.е. по сути Is символизирует внешний магнит, который мы подносили к компасу, но созданный электромагнитами – катушками с током.
На рисунке ротор расположен в произвольном положении, но из этого положения ротор будет стремиться повернуться согласно магнитному потоку статора, т.е. по вектору Is (положение ротора в этом случае показано пунктирной линией). Соответственно, если подать ток только в фазу α, скажем, Iα = 1А, ротор встанет горизонтально, а если в β, вертикально, а если приложить Iβ = -1А то перевернется на 180 градусов. Если запитать ток Iα по закону синуса, а Iβ по закону косинуса от времени, то будет создано вращающееся магнитное поле. Ротор будет следовать за ним и крутиться (как стрелка компаса следует за вращением магнита руками). Это базовый принцип работы синхронной машины, в данном случае двухфазной с одной парой плюсов.
Давайте нарисуем график момента двигателя в зависимости от углового положения вала ротора и вектора тока Is статора – угловую характеристику синхронного двигателя. Эта зависимость синусоидальная (Рисунок 2).
Рисунок 2. Угловая характеристика синхронной машины (здесь есть некоторая историческая путаница со знаками момента и угла, из-за чего часто рисуют характеристику перевернутой относительно горизонтальной оси).
Чтобы получить этот график на практике, можно поставить на вал ротора датчик вращающего момента, затем включить любой вектор тока, например, просто подать ток в фазу α. Ротор повернется в соответствующее положение, которое нужно принять за ноль. Потом через датчик момента «руками» нужно поворачивать ротор, фиксируя на графике в каждой точке угол θ, на который повернули, и момент, который показал датчик. Т.е. нужно растягивать «магнитную пружину» двигателя через датчик момента. Самый большой момент окажется при угле в 90 градусов от вектора тока (от начала). Амплитуда получившегося максимального момента Ммакс пропорциональна амплитуде приложенного вектора тока. Будет приложен 1А, получим, скажем, Ммакс = 1 Н∙м (ньютон*метр, единица измерения вращающего момента), если подадим 2А, получим Ммакс = 2 Н∙м.
Из этой характеристики следует, что двигатель развивает наибольший момент, когда ротор находится под 90° к вектору тока. Так как мы при создании системы управления на микроконтроллере хотим получить от двигателя наибольший момент при минимуме потерь, а потери, в первую очередь, это ток в обмотках, то рациональнее всего ставить вектор тока всегда под 90° к магнитному полю ротора, т.е. перпендикулярно магниту на рисунке 1. Нужно поменять всё наоборот – не ротор едет к задаваемому нами вектору тока, а мы задаем вектор тока всегда под 90° к ротору, как бы он там не вращался, т.е. «прибить» вектор тока к ротору. Регулировать же момент двигателя будем амплитудой тока. Чем больше амплитуда – тем выше момент. А частота вращения, частота тока в обмотках это уже «не наше» дело – какая получится, как ротор будет вращаться, так и будет – мы управляем моментом на валу. Как ни странно, именно это и называется векторным управлением – когда мы управляем вектором тока статора так, чтобы он был под 90° к магнитному полю ротора. Хотя некоторые учебники дают более широкие определения, вплоть до такого, что векторным управлением называют вообще любые законы управления, где задействованы «вектора», но обычно под векторным управлением понимается именно приведенный выше способ управления.
Но как векторное управления достигается на практике? Очевидно, для начала понадобится знать положение ротора, чтобы было относительно чего отмерять 90°. Это проще всего сделать установив, собственно, датчик положения на вал ротора. Потом нужно разобраться, как создать вектор тока, поддерживая желаемые токи в фазах
αи
β. На двигатель-то мы прикладываем напряжение, а не ток… Но раз мы хотим что-то поддерживать, то нужно это измерять. Поэтому для векторного управления понадобятся датчики токов фаз. Далее нужно собрать структуру векторного управления в виде программы на микроконтроллере, которая будет делать всё остальное. Чтобы такое объяснение не было похоже на инструкцию «как нарисовать сову», давайте продолжим погружение.
Поддерживать ток микроконтроллером можно использовав программный ПИ (пропорционально-интегральный) регулятор тока и ШИМ. Например, структура с регулятором тока для одной фазы α показана ниже (Рисунок 3).
Рисунок 3. Замкнутая по току структура управления для одной фазы
Здесь задание тока iα_зад – некая константа, тот ток, который мы хотим поддерживать для этой фазы, например 1А. Задание поступает на сумматор регулятора тока, раскрытая структура которого показана выше. Если читатель не знает, как работает ПИ-регулятор – то увы и ах. Могу лишь посоветовать что-то из этого. Регулятор тока на выходе задает напряжение фазы Uα. Напряжение поступает на блок ШИМ, который рассчитывает задания скважностей (уставок сравнения) для таймеров ШИМ микроконтроллера, формирующих ШИМ на мостовом инверторе из четырех ключей, чтобы сформировать это Uα. Алгоритм может быть разный, например, для положительного напряжения ШИМим правой стойкой пропорционально заданию напряжения, на левой замкнут нижний ключ, для отрицательного ШИМим левой, на правой замкнут нижний. Не забываем добавить мёртвое время! В итоге такая структура делает программный «источник тока» за счет источника напряжения: мы задаем нужное нам значение iα_зад, а данная структура с определенным быстродействием его реализует.
Дальше, возможно, некоторые читатели уже подумали, что до векторной структуры управления осталось дело за малым – нужно поставить два регулятора тока, на каждую фазу по регулятору, и формировать на них задание в зависимости от угла с датчика положения ротора (ДПР), т.е. сделать что-то типа такой структуры (Рисунок 4):
Рисунок 4. Неправильная (наивная) структура векторного управления
Так делать нельзя. При вращении ротора переменные iα_зад и iβ_зад будут синусоидальными, т.е. задание на регуляторы тока будет всё время меняться. Быстродействие регулятора не бесконечно, поэтому при изменении задания он не мгновенно его отрабатывает. Если задание постоянно менять, то регулятор будет всё время его догонять, никогда не достигая. И с ростом скорости вращения двигателя отставание реального тока от заданного будет всё больше и больше, пока желаемый угол в 90° между током и магнитом ротора совсем не перестанет на него быть похожим, а векторное управление не перестанет быть таковым. Поэтому делают по-другому. Правильная структура следующая (Рисунок 5):
Рисунок 5. Структура векторного датчикового управления для двухфазной синхронной машины
Здесь добавились два блока – БКП_1 и БКП_2: блоки координатных преобразований. Они делают очень простую вещь: поворачивают вектор на входе на заданный угол. Причем БПК_1 поворачивает на +ϴ, а БКП_2 на —ϴ. Это вся разница между ними. В иностранной литературе их называют преобразованиями Парка (Park transformation). БКП_2 делает преобразование координат для токов: от неподвижных осей α и β, привязанных к статору двигателя, к вращающимся осям d и q, привязанных к ротору двигателя (используя для этого угол положения ротора ϴ). А БКП_1 делает обратное преобразование, от задания напряжения по осям d и q делает переход к осям α и β. Формул для преобразования координат не привожу, но они простые и очень легко ищутся. Собственно, в них нет ничего сложнее школьной геометрии (Рисунок 6):
Рисунок 6. Координатные преобразования из неподвижных осей α и β, привязанных к статору двигателя, к вращающимся осям осям d и q, привязанных к ротору
То есть вместо «вращения» задания регуляторов (как было в прошлой структуре), вращаются их входы и выходы, а сами регуляторы работают в статическом режиме: токи d, q и выходы регуляторов в установившемся режиме постоянны. Оси d и q вращаются вместе с ротором (так их вращает сигнал с датчика положения ротора), при этом регулятор оси q регулирует как раз тот ток, который в начале статьи я называл «перпендикулярным полю ротора», то есть это моментообразующий ток, а ток d сонаправлен с «магнитом ротора», поэтому он нам не нужен и мы задаём его равным нулю. Такая структура избавлена от недостатка первой структуры – регуляторы токов даже не знают, что что-то где-то крутится. Они работают в статическом режиме: отрегулировали каждый свой ток, вышли на заданное напряжение – и всё, как ротор от них не убегай, они про это даже не узнают: всю работу по повороту делают блоки координатных преобразований.
Для линейного движения пусть это будет, например, городской автобус. Он всё время то разгоняется, то тормозит, то едет назад и вообще ведёт себя как хочет: это ротор двигателя. Также есть вы на автомобиле рядом, едете параллельно: ваша задача быть ровно посредине автобуса: «держать 90°», вы – это регуляторы тока. Если автобус все время меняет скорость – вы тоже должны соответственно менять скорость и всё время её отслеживать. Но теперь сделаем для вас «векторное управление». Вы залезли внутрь автобуса, встали посередине и держитесь за поручень – как автобус не убегай, вы легко справляетесь с задачей «быть посередине автобуса». Аналогично и регуляторы токов, «катаясь» во вращающихся осях d, q ротора, живут легкой жизнью.
Приведенная выше структура действительно работает и используется в современных электроприводах. Только в ней не хватает целой кучи мелких «улучшалок», без которых её уже не принято делать, типа компенсации перекрестных связей, разных ограничений, ослабления поля и т.п. Но базовый принцип именно такой.
А если нужно регулировать не момент привода, а всё-таки скорость (по правильному угловую скорость, частоту вращения)? Ну тогда ставим еще один ПИ-регулятор – регулятор скорости (РС). На вход подаем задание скорости, а на выходе имеем задание момента. Так как ток оси q пропорционален моменту, то можно для упрощения выход регулятора скорости подать сразу на вход регулятора тока оси q, вот так (Рисунок 7):
Рисунок 7. Регулятор скорости для векторного управления
Здесь ЗИ – задатчик интенсивности, плавно изменяет свой выход, чтобы двигатель разгонялся с нужным темпом, а не гнал на полном токе до задания скорости. Текущая частота вращения
ωвзята из обработчика датчика положения ротора, так как
ωэто производная от углового положения
ϴ. Ну или можно просто время между импульсами датчика засекать…
Как сделать тоже самое для трехфазного двигателя? Ну, собственно, ничего особенного, добавляем еще один блок и меняем модуль ШИМ (Рисунок 8).
Рисунок 8. Структура векторного датчикового управления для трехфазной синхронной машины
Трехфазные токи, точно так же как и двухфазные, служат для одной цели – создать вектор тока статора Is, направленный в нужную сторону и имеющий нужную амплитуду. Поэтому трехфазные токи можно просто пересчитать в двухфазные, а дальше оставить ту же систему управления, что уже была собрана для двухфазной машины. В англоязычной литературе такой «пересчёт» называют преобразованиями Кларк – Clarke transformation (Эдит Кларк – это она), у нас — фазными преобразованиями. В структуре на рисунке 8, соответственно, эта операция производится блоком фазных преобразований. Делаются они опять при помощи курса школьной геометрии (Рисунок 9):
Рисунок 9. Фазные преобразования – из трех фаз к двум. Для удобства принимаем равенство амплитуды вектора Is амплитуде тока в фазе
Думаю, комментарии не нужны. Немного слов про ток фазы C. Туда можно не ставить датчик тока, так как три фазы двигателя соединены в звезду, и по закону Кирхгофа всё, что втекло через две фазы, должно вытечь из третьей (если, конечно, у вас в двигателе не пробита изоляция, и половина не утекла куда-то на корпус), поэтому ток фазы C вычисляют как скалярную сумму токов фаз A и B со знаком минус. Хотя третий датчик иногда ставят чтобы снизить погрешность измерений.
Также нужна полная переделка модуля ШИМ. Обычно для трехфазных двигателей используют трехфазный шестиключевой инвертор. На рисунке задание напряжения поступает всё ещё в двухфазных осях. Внутри модуля ШИМ с помощью обратных фазных преобразований можно пересчитать это в напряжения фаз A, B, C, которые надо приложить в этот момент к двигателю. А вот что делать дальше… Возможны варианты. Наивный метод – это задать на каждую стойку инвертора скважность, пропорциональную желаемому напряжению плюс 0.5. Это называется синусоидальной ШИМ. Именно такой метод применил автор в habrahabr.ru/post/128407. В этом методе всё хорошо, кроме того, что таким методом будет недоиспользован инвертор по напряжению – т.е. максимальное напряжение, которое будет получено, окажется меньше, чем вы могли бы получить, если бы использовали более совершенный метод ШИМ.
Посчитаем. Пусть у вас есть классический преобразователь частоты, питающийся от промышленной трехфазной сети 380В 50Гц. Здесь 380В это линейное (между фазами) действующее напряжение. Так как в преобразователе стоит выпрямитель, он выпрямит это напряжение и на шине постоянного тока окажется напряжение, равное амплитудному линейному напряжению, т.е. 380∙√2=540В постоянного напряжения (по крайней мере без нагрузки). Если мы применим синусоидальный алгоритм расчета в модуле ШИМ, то амплитуда максимального фазного напряжения, которое получится у нас сделать, окажется равной половине от напряжения на шине постоянного тока, т.е. 540/2=270В. Пересчитаем в действующее фазное: 270/√2=191В. А теперь в действующее линейное: 191∙√3=330В. Теперь можем сравнить: вошло нам 380В, а вышло 330В… И больше с этим типом ШИМ никак нельзя. Для исправления этой проблемы используется так называемый векторный тип ШИМ. В нем на выходе будут снова 380В (в идеальном случае без учета всех падений напряжения). Метод векторной ШИМ никакого отношения к векторному управлению электродвигателем не имеет. Просто в его обосновании снова используется немного школьной геометрии, поэтому он и называется векторным. Однако его работу на пальцах не объяснить, поэтому отправлю читателя к книжкам (в конце статьи) или к википедии. Могу еще привести картинку, которая немного намекает на разницу в работе синусоидальной и векторной ШИМ (Рисунок 10):
Рисунок 10. Изменение потенциалов фаз для скалярной и векторной ШИМ
Кстати, а какие датчики положения используются для векторного управления? Чаще всего используются четыре типа датчиков. Это квадратурный инкрементальный энкодер, датчик на основе элементов Холла, абсолютный датчик положения и сельсинный датчик.
Квадратурный энкодер
не выдает абсолютного положения ротора – по своим импульсам он позволяет лишь определить, сколько вы проехали, но не куда и откуда (как начало и конец связаны с расположением магнита ротора). Поэтому для векторного управления синхронной машиной сам по себе он не подходит. Немного спасает ситуацию его реперная метка (индекс) – она одна на механический оборот, если до неё доехать, то абсолютное положение становится известно, а от неё можно уже отсчитывать сколько проехали квадратурным сигналом. Но как до этой метки доехать в начале работы? В общем, это не всегда удобно.
Датчик на основе элементов Холла
– это грубый датчик. Он выдает всего несколько импульсов на оборот (в зависимости от кол-ва элементов Холла, для трехфазных двигателей их обычно три, т.е. шесть импульсов), позволяя знать положение в абсолютной величине, но с низкой точностью. Точности обычно хватает, чтобы держать угол вектора тока так, чтобы двигатель по крайней мере ехал вперед, а не назад, но момент и токи будут пульсировать. Если двигатель разогнался, то можно начать программно экстраполировать сигнал с датчика по времени – т.е. строить из грубого дискретного угла линейно изменяющийся угол. Это делается на основе предположения, что двигатель вращается с примерно постоянной скоростью, как-то так (Рисунок 11):
Рисунок 11. Работа датчика положения на элементах Холла для трехфазной машины и экстраполяция его сигнала
Часто для серводвигателей используется сочетание энкодера и датчика Холла. В этом случае можно сделать единый программный модуль их обработки, убирая недостатки обоих: делать экстраполяцию угла, приведенную выше, но не по времени, а по меткам с энкодера. Т.е. внутри от фронта до фронта датчика Холла работает энкодер, а каждый фронт Холла чётко инициализирует текущее абсолютное угловое положение. В этом случае неоптимальным (не под 90°) окажется лишь первое движение привода, пока он не доехал до какого-нибудь фронта датчика Холла. Отдельную проблему в этом случае представляет обработка неидеальности и того и другого датчика — симметрично и равномерно элементы Холла редко кто располагает…
В еще более дорогих применениях используют абсолютный датчик положения с цифровым интерфейсом (абсолютный энкодер), который сразу выдает абсолютное положение и позволяет не испытывать описанных выше проблем.
Если в электродвигателе очень жарко, а также когда требуется повышенная точность измерения угла, используют «аналоговый» сельсинный датчик (резольвер, вращающийся трансформатор). Это маленькая электрическая машина, используемая как датчик. Представьте, что в рассмотренной нами синхронной машине на рисунке 1 вместо магнитов стоит еще одна катушка, на которую мы подаем высокочастотный сигнал. Если ротор стоит горизонтально, то сигнал наведется только в катушку статора фазы α, если вертикально – то только в β, если перевернуть его на 180 – то изменится фаза сигнала, а в промежуточных положениях наводится и туда и сюда по закону синуса/косинуса. Соответственно, измеряя амплитуду сигнала в двух катушках, по соотношению этой амплитуды и по фазовому сдвигу можно также определять положение. Установив такую машину как датчик к основной, можно узнавать положение ротора.
Есть еще много экзотических датчиков положения, особенно для сверхвысокоточных применений, например, для изготовления электронных чипов. Там в ход идут уже любые физические явления, чтобы только узнать положение наиболее точно. Их рассматривать не будем.
Как вы поняли, векторное управление достаточно требовательное – и датчиков положения ему наставь, и датчиков тока, и ШИМ ему векторную, и микроконтроллер не абы какой, чтобы всю эту математику обсчитывать. Поэтому для простых применений его упрощают. Для начала можно исключить датчик положения, сделав бездатчиковое векторное управление. Для этого используют немного больше математической магии, находящейся в желтом прямоугольнике (Рисунок 12):
Рисунок 12. Структура бездатчикового векторного управления
Наблюдатель – это такой блок, на который подается информация о приложенном к двигателю напряжении (например, из задания на модуль ШИМ) и о токах в двигателе с датчиков. Внутри наблюдателя работает модель электродвигателя, которая, грубо говоря, пытается подстроить свои токи в статоре под измеренные с реального двигателя. Если у неё это получилось, то можно считать, что и положение моделируемого внутри вала ротора тоже совпадает с реальным и им можно пользоваться для нужд векторного управления. Ну это, конечно, совсем упрощённо. Видов наблюдателей таких – не пересчитать. Каждый аспирант по специальности «электропривод» пытается изобрести именно свой, который чем-то лучше других. Основной принцип – отслеживание ЭДС электродвигателя. Поэтому чаще всего бездатчиковая система управления работоспособна только на относительно высокой частоте вращения, где ЭДС большая. А также имеет еще ряд недостатков по сравнению с наличием датчика: нужно знать параметры двигателя, быстродействие привода ограничено (если частота вращения резко меняется, наблюдатель может не успеть её отследить и какое-то время «врать», а то и «развалиться» совсем), настройка наблюдателя – это целая процедура, для его качественной работы нужно точно знать напряжение на двигателе, точно измерять его токи и т.п.
Есть и другой вариант упрощения. Например, можно сделать так называемую «автокоммутацию». В этом случае для трехфазного двигателя отказываются от сложного метода ШИМ, отказываются от сложной векторной структуры и начинают просто включать фазы двигателя по датчику положения на элементах Холла, даже иногда без всякого токоограничения. Ток в фазах получается не синусоидальный, а трапецеидальный, прямоугольный или еще более искаженный. Но стараются сделать так, чтобы средний вектор тока был всё равно под 90 градусов к «магниту ротора» выбором момента включения фаз. При этом, включая фазу под напряжение, неизвестно, когда же в фазе двигателя нарастет ток. На низкой частоте вращения он это делает быстрее, на высокой, где мешает ЭДС машины, медленнее, еще темп нарастания тока зависит от индуктивности двигателя и т.п. Поэтому, даже включая фазы точно в нужный момент времени, совсем не факт, что средний вектор тока окажется в нужном месте и с нужной фазой – он может как опережать, так и запаздывать относительно оптимальных 90 градусов. Поэтому в таких системах вводят настройку «опережения коммутации» – по сути просто время, насколько раньше нужно на фазу двигателя подавать напряжение, чтобы в итоге фаза вектора тока получилась более близка к 90 градусам. По-простому это называют «настройка таймингов». Так как ток в электродвигателе при автокоммутации не синусоидальный, то, если взять рассмотренную выше синусоидальную машину и управлять ей таким вот образом, момент на валу будет пульсировать. Поэтому в двигателях, предназначенных для автокоммутации, часто специальным образом меняют магнитную геометрию ротора и статора, чтобы они стали более подходящими к такому типу управления: ЭДС таких машин делают трапецеидальной, благодаря чему в режиме автокоммутации они работают лучше. Синхронные машины, оптимизированные для автокоммутации, получили название бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) или по-английски BLDC (Brushless Direct Current Motor). Режим автокоммутации также часто называют вентильным режимом, а двигатели с ним работающие – вентильные. Но это всё просто разные названия, ничем не влияющие на суть (но матёрые электроприводчики часто страдают СПГС в вопросах, связанных с этими названиями). Есть неплохое видео, иллюстрирующее принцип работы таких машин. На нем показан обращенный двигатель, где ротор снаружи, а статор внутри:
А вот
здесьесть курс статей по таким двигателям и аппаратной части системы управления.
Можно пойти даже на еще большее упрощение. Коммутировать обмотки так, чтобы одна фаза всё время оказывалась «свободна» и к ней не прикладывался ШИМ. Тогда в ней можно измерять ЭДС (наведенное в катушке фазы напряжение), и, когда это напряжение переходит через ноль, использовать это как сигнал датчика положения ротора, потому что фаза этого наведенного напряжения зависит как раз от положения ротора. Получается бездатчиковая автокоммутация, что широко используется в различных простеньких приводах, например, в «регуляторах» для пропеллеров авиамоделей. При этом надо помнить, что ЭДС машины появляется только на относительно высокой частоте вращения, поэтому для старта такие системы управления просто не спеша перебирают фазы, надеясь, что ротор двигателя будет следовать за подаваемым током. Как только ЭДС появилась, включается режим автокоммутации. Поэтому бездатчиковая система (такая простая, да и сложная чаще всего тоже) не подходит для задач, где двигатель должен уметь развивать момент на околонулевых частотах вращения, например, для тягового привода автомобиля (или его модели), сервопривода какого-то механизма и т.п. Зато бездатчиковая система с успехом подходит для насосов и вентиляторов, где как раз и применяется.
Но иногда делают даже и еще большее упрощение. Можно совсем отказаться от микроконтроллера, ключей, датчиков положения и прочего, осуществляя переключение фаз специальным механическим коммутатором (Рисунок 13):
Рисунок 13. Механический коммутатор для переключения обмоток
При вращении ротор сам переключает свои части обмоток, меняя приложенное к ним напряжение, при этом ток в роторе протекает переменный. Коммутатор располагают таким образом, чтобы магнитный поток ротора и статора снова оказывался близким к 90 градусам, дабы достичь максимума момента. Такие двигатели по наивности называют двигателями постоянного тока, но совершенно незаслуженно: внутри-то, после коллектора, ток всё равно переменный!
Все электрические машины работают схожим образом. В теории электропривода даже существует понятие «обобщенная электрическая машина», к которой сводят работу других. Показанные в статье объяснения «на пальцах» никоим образом не могут служить практическим руководством к написанию кода микроконтроллера. В статье рассмотрен хорошо если один процент информации, которая требуется для реализации настоящего векторного управления. Чтобы сделать что-то на практике, нужно, во-первых,
знать ТАУ, хотя бы на уровне понимания, как работает ПИ-регулятор. Потом нужно всё-таки изучить математическое описание как синхронной машины, так и синтеза векторного управления. Также изучить векторную ШИМ, узнать, что такое пары полюсов, познакомиться с типами обмоток машин и прочее. Это можно сделать в свежей книге «
Анучин А. С. Системы управления электроприводов. МЭИ, 2015», а также в «Калачев Ю. Н.
Векторное регулирование (заметки практика)». Следует предостеречь читателя от погружения в формулы «старых» учебников по приводу, где основной упор сделан на рассмотрение характеристик электродвигателей при питании напрямую от трехфазной промышленной сети, без всяких микроконтроллеров и датчиков положения. Поведение двигателей в этом случае описывается сложными формулами и зависимостями, но для задачи векторного управления они почти никакой пользы не несут (если только изучить для саморазвития). Особенно следует с осторожностью относиться к рекомендациям старых учебников, где, например, сказано, что синхронная машина не должна работать на максимуме своего момента, так как там работа неустойчива и грозит опрокидыванием – для векторного управления всё это «вредные советы».
На каком микроконтроллере можно сделать полноценное векторное управление, читайте, например, в нашей статье Новый отечественный motor-control микроконтроллер К1921ВК01Т ОАО «НИИЭТ», а как это отлаживать в статье Способы отладки ПО микроконтроллеров в электроприводе. Также заходите на наш сайт: там, в частности, выложено два занудных видео, где показано на практике, как настроить ПИ-регулятор тока, а также как работает замкнутая по току и векторная бездатчиковая структура управления. Кроме того, можно приобрести отладочный комплект с готовой датчиковой векторной структурой управления на отечественном микроконтроллере.
Продолжение статьи, где рассказано про асинхронные двигатели здесь.
P.S.
У специалистов прошу прощения за не совсем корректное обращение с некоторыми терминами, в частности с терминами «поток», «потокосцепление», «магнитное поле» и другими – простота требует жертв…
Векторное управление электродвигателем для «чайников»
Понятие векторное управление электродвигателями уже известно многим кто связывался с или интересовался вопросом c помощью какого контроллера можно поддерживать момент двигателя переменного тока. Во многих пособиях по электроприводу глава про векторное управление приходится в заключительной главе, и состоит из множества формул с ссылками к предыдущем статьям пособия. И самые простые понятия всё равно идут через дифференциальные уравнения равновесия, векторные диаграммы с неизбежностью искать в голове знания по тематике электропривода. Поэтому не зная понятия многие пытаются запустить асинхронный двигатель, не разобравшись в «векторе». А векторное управление – это просто, если понимать функциональность его работы буквально. А уже с расчётом можно разобраться еще проще.
Давайте разберем работу двигателя переменного тока – синхронной машины с постоянными магнитами. Самый близкий в быту предмет – компас: его магнитная стрелка является ротором синхронной машины, а магнитное поле нашей планеты – магнитное поле статора. Без внешней нагрузки (а в компасе её нет) ротор всегда стремится к полю статора. Попробуем держать компас и вращать под ним Землю, тогда стрелка будет крутиться за ней, производя работу по перемешиванию жидкости внутри прибора. Но более верный метод это взять еще один магнит длинный на длину стрелки и поле которого сильнее магнитного поля Земли, подержать его у компаса сверху и покрутить магнит. И что мы увидем? Стрелка ходит за магнитом, а точнее за магнитным полем.
А в синхронном двигателе поле статора получается электромагнитами – медными катушками с протекающем по ним током. Их назначение – создавать статором электромагнитное поле, которое идет в нужную сторону и с определённой амплитудой.
Взглянем на рисунок (Рисунок 1). В центре показан магнит – ротор синхронного электродвигателя («стрелка» компаса), а по бокам два электромагнита – намагниченные катушки током, и каждая катушка создает магнитное поле, одна в вертикальной, а другая в горизонтальной оси.
(продолжение следует)
| ВВЕДЕНИЕ | 3 |
1. | Понятие результирующего вектора и его представление в различных системах координат | 4 |
2. | Координатные преобразования | 8 |
3. | Математическое описание асинхронной машины | 15 |
| 3.1. Математическая модель асинхронного двигателя в естественных координатах | 16 |
| 3.2. Преобразование уравнений асинхронного двигателя | 23 |
| 3.3. Запись уравнений относительно потокосцеплений статора и ротора | 30 |
| 3.4. Запись уравнений относительно тока статора и потокосцепления ротора | 33 |
| 3.5. Уравнения в преобразованных координатах для частных случаев | 34 |
| 3.6. Математическое описание АД с учетом насыщения цепи намагничивания | 35 |
| 3.7. Математическое описание АД при частотном управлении | 39 |
| 3.8. Математическое описание АД с учетом потерь в стали, поверхностного эффекта, насыщения магнитной системы основным потоком и потоками рассеяния | 44 |
4. | Математическое описание синхронного двигателя | 53 |
| 4.1. Математическое описание синхронного двигателя без демпферной обмотки | 54 |
| 4.2. Статические характеристики электропривода с синхронным двигателем | 59 |
| 4.3. Математическое описание синхронного двигателя с демпферной обмоткой | 63 |
| 4.4. Математическое описание синхронного двигателя с постоянными магнитами | 66 |
5. | Математическое описание вентильно-индукторного привода | 70 |
| 5.1. Структурная схема вентильно-индукторного привода | 70 |
| 5.2. Особенности конструкции индукторной машины | 71 |
| 5.3. Принцип действия ВИП | 73 |
| 5.4. Математическое описание m- фазного ИД с независимым управлением фазами | 76 |
| 5.5. Математическое описание 6-фазного ИД с общей точкой | 79 |
6. | Силовые преобразователи, широко применяемые в электроприводе переменного тока | 81 |
| 6.1. Непосредственные преобразователи частоты | 81 |
| 6.2. Двухзвенные ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока | 83 |
| 6.3. Двухзвенный ПЧ с неуправляемым выпрямителем и автономным инвертором напряжения | 88 |
| 6.4. Двухзвенный ПЧ с рекуперативным выпрямителем и автономным инвертором | 91 |
7. | Широтно-импульсная модуляция сигналов управления автономным инвертором напряжения | 91 |
| 7.1. ШИМ на основе сравнения сигналов управления с опорным сигналом | 92 |
| 7.2. Принципы построения векторных широтно-импульсных модуляторов | 95 |
| 7.3. Понятие об асинхронных и синхронных ШИМ | 102 |
| 7.4. Компенсация влияния «мертвого» времени | 104 |
| 7.5. Релейно-векторное формирование алгоритмов управления инвертором напряжения в замкнутом контуре тока статора | 108 |
8. | Алгоритмы пространственно-векторного управления матричным преобразователем частоты | 118 |
| 8.1. Векторное описание состояний матричного преобразователя частоты | 119 |
| 8.2. Синтез алгоритма управления | 123 |
| 8.3. Результаты моделирования | 134 |
9. | Построение тепловой защиты преобразователя частоты на основе динамической тепловой модели IGBT-модуля | 137 |
| 9.1. Тепловая модель IGBT-модуля | 139 |
| 9.2. Перегрузочная способность преобразователя с защитой по динамической тепловой модели IGBT-модуля | 148 |
| 9.3. Экспериментальные результаты и промышленная реализация | 150 |
10. | Асинхронный электропривод при частотном управлении | 155 |
| 10.1. Механические характеристики | 155 |
| 10.2. U/f–регулирование скорости | 159 |
| 10.3. Пример реализации принципов векторной ориентации переменных в асинхронном электроприводе с частотным управлением | 167 |
11. | Системы векторного управления асинхронным электроприводом | 178 |
| 11.1. Принцип ориентации переменных по полю | 178 |
| 11.2. Система векторного управления асинхронным двигателем с непосредственным измерением потокосцепления | 183 |
| 11.3. Система векторного управления асинхронным двигателем с моделью роторной цепи | 187 |
| 11.4. Пример построения системы векторного управления в асинхронном электроприводе серии ЭПВ | 196 |
| 11.4.1. Синтез регуляторов тока | 200 |
| 11.4.2. Синтез регулятора скорости | 202 |
| 11.4.3. Формирование заданного тока статора по оси d | 204 |
| 11.5. Пример построения цифровой релейно-векторной системы управления асинхронным электроприводом | 206 |
| 11.6. Пример построения системы прямого управления моментом асинхронного двигателя | 208 |
| 11.7. Пример системы частотно-токового управления | 219 |
12. | Идентификация переменных и параметров в асинхронном электроприводе | 220 |
| 12.1. Автоматическая настройка параметров системы управления на параметры силового канала электропривода | 221 |
| 12.2. Адаптация к изменению постоянной времени ротора | 226 |
| 12.3. Адаптация к изменению параметров механической части привода | 230 |
| 12.4. Пример построения наблюдателя состояния асинхронного электропривода с адаптивно-векторным управлением без датчика на валу двигателя | 234 |
| 12.5. Бездатчиковое определение скорости в асинхронном электроприводе | 240 |
13. | Специальные режимы работы асинхронных электроприводов с частотным и векторным управлением | 244 |
| 13.1. Режим управления за счет энергии торможения | 244 |
| 13.2. Режим безударного переключения двигателя между ПЧ и питающей сетью | 248 |
| 13.3. Режим плавного пуска на вращающийся двигатель | 249 |
14. | Системы управления электроприводами на основе синхронного электродвигателя | 251 |
| 14.1. Пример построения системы векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами | 252 |
| 14.2. Принцип действия электропривода с бесконтактным двигателем постоянного тока | 257 |
| 14.3. Принцип построения и математическое описание электропривода с вентильным двигателем на основе двухфазной синхронной машины | 260 |
| 14.4. Математическое описание электропривода с вентильным двигателем на основе трехфазной синхронной машины | 266 |
| 14.5. Системы управления электроприводом с вентильным двигателем | 272 |
15. | Векторное управление рекуперативным выпрямителем напряжения | 277 |
16. | Система управления вентильно-индукторным двигателем | 285 |
| ЗАКЛЮЧЕНИЕ | 289 |
| БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК | 291 |
Достижение точного контроля скорости с помощью двигателей переменного тока
| Двигатели переменного тока | используются во множестве приложений, особенно в промышленных условиях, где двигатели необходимы для питания тяжелого оборудования. На предприятиях, где точность и своевременность чрезвычайно важны для работы, необходимо контролировать действующие двигатели переменного тока. Следовательно, можно использовать различные методы и / или продукты для управления скоростью и частотой двигателя. Существует несколько способов управления скоростью, например, изменение количества полюсов с очень маленькими приращениями, изменение скольжения двигателя и изменение частоты сигнала переменного тока.Метод смены полюсов используется редко, потому что он неэффективен для постоянного контроля в сложных операциях. Метод изменения скольжения ротора двигателя переменного тока лучше всего использовать, когда двигатель рассчитан на высокое скольжение. При использовании этого метода двигатель должен быть согласован с нагрузкой, и необходимо убедиться, что изменение мощности приводит к правильному изменению скорости нагрузки. Кроме того, нагрузка должна иметь существенные инерционные составляющие. |
Самый распространенный способ управления скоростью двигателя переменного тока — это изменение частоты двигателя.При использовании этого метода для регулировки скорости используются приводы переменного тока с регулируемой скоростью. Их часто называют частотно-регулируемыми приводами (VFD), инверторами переменного тока или приводами с регулируемой скоростью (ASD). Частоту переменного тока можно регулировать с помощью шестиступенчатого инвертора, векторного потока или широтно-импульсной модуляции. Шестиступенчатый инвертор или инвертор переменного напряжения преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока, а затем переключается, чтобы имитировать синусоидальную волну. При широтно-импульсной модуляции напряжение постоянного тока быстро изменяется, чтобы соответствовать «площади под кривой».”
Рассмотрите эти методы управления скоростью двигателя переменного тока, если вы эксплуатируете завод или объект, где двигатели переменного тока используются для приведения в действие насосов, вентиляторов и т. Д. Эти приложения требуют точности для обеспечения бесперебойной работы. Самый простой способ — установить надежные приводы переменного тока, предназначенные для точного регулирования скорости. Они поставляются с различными настройками управления, вариантами монтажа и многим другим, поэтому вы можете легко найти элементы управления, соответствующие потребностям вашего приложения. Преимущества включают контроль ускорения, наиболее плавную работу машин, возможность регулировки производительности, возможности контроля натяжения и экономию энергии.
ПОЗВОНИТЕ КАРОТРОН, мы можем помочь! Свяжитесь с представителем заказчика или инженером Carotron, Inc. по телефону 1-888-286-8614, , и мы рассмотрим ваше приложение и предложим подходящие компоненты для выполнения работы.
Ресурс / Информация об авторских правах: Эта статья о точном регулировании скорости для двигателей переменного тока находится под © Авторские права Carotron, Inc., вашего источника высококачественных приводов для двигателей постоянного и переменного тока и других промышленных устройств управления движением для обеспечения бесперебойной работы.Прочтите другие статьи здесь…Управление двигателем — Контроллеры двигателей постоянного и переменного тока
Электродвигатель — это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, оно использует электричество и магнитное поле для создания крутящего момента для вращения ротора и, следовательно, создания механической работы.
В зависимости от приложения, в котором используется двигатель, двигатели управляются компьютеризированными системами управления, такими как твердотельные логические элементы управления или программируемые логические контроллеры (ПЛК), для контроля и управления их крутящим моментом, скоростью, работой или передаваемой энергией.Контроллеры двигателей могут иметь множество функций управления двигателем, которые могут включать, помимо прочего, запуск, остановку, защиту от перегрузки по току, защиту от перегрузки, реверсирование, изменение скорости, толчковый режим, блокировку, а также управление последовательностью. Контроллеры двигателей варьируются от простых до сложных и могут обеспечивать управление одним двигателем или группами двигателей.
Двигатели в целом делятся на две категории; Двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока, в зависимости от используемого источника электроэнергии.
Типы двигателей постоянного тока: серия , параллельный / параллельный и составной в зависимости от способа подключения катушек возбуждения и цепей катушек якоря. Другими типами двигателей постоянного тока являются двигатели с постоянным магнитом (PMDC) и двигатели с отдельным возбуждением.
Типы двигателей переменного тока: Асинхронные двигатели переменного тока (также известные как асинхронные двигатели) и синхронные двигатели. Кроме того, они классифицируются по сферам применения: однофазные, трехфазные, индукционные с короткозамкнутым ротором, двойное напряжение и т. Д.
Существуют также другие типы двигателей, такие как бесщеточный двигатель постоянного тока, шаговый двигатель, двигатель сопротивления, двигатель с гистерезисом и универсальный двигатель.
Вот популярные типы двигателей, используемых в коммерческих целях, и их применение:
- Щеточные двигатели постоянного тока — широко используются в бытовых приборах и автомобилях, и их легко контролировать, поскольку скорость и крутящий момент пропорциональны приложенное напряжение / ток.
- Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) — Идеально подходят для приложений, требующих высокой надежности, высокой эффективности и высокого отношения мощности к объему, а также обеспечения большого крутящего момента в широком диапазоне скоростей.
- Синхронный двигатель с постоянными магнитами — Подходит для самых сложных приложений в промышленном сегменте.Модули PMSM идеально подходят для высокоточных приводов с фиксированной скоростью. Он также обладает высокой перегрузочной способностью, высокой удельной мощностью, очень высоким КПД и быстрым откликом.
- Асинхронный двигатель переменного тока (асинхронный) — ACIM — самый популярный двигатель, используемый для промышленных и бытовых применений. Поскольку в нем отсутствует коммутатор / щетки, он демонстрирует высокую надежность, высокую эффективность при высоких нагрузках и возможность прямого подключения к линии переменного тока.
- Шаговый двигатель — Шаговые двигатели — это универсальные бесщеточные синхронные двигатели, которые широко используются в различных областях. Они могут перемещаться с точными дискретными угловыми приращениями (шагами) в ответ на электрические входные импульсы, они идеально подходят для приложений, требующих контролируемых и точных перемещений.
- Серводвигатель — Серводвигатели небольшие и эффективные, но критически важны для использования в приложениях, включающих точное управление положением, управление скоростью и управление крутящим моментом.
Как управлять скоростью электродвигателя переменного тока
Электродвигатель переменного тока — это электродвигатель, приводимый в действие переменным током (AC), и состоит из двух основных частей: внешнего статора с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитное поле и внутренний ротор, прикрепленный к выходному валу, создающий второе вращающееся магнитное поле. Возможность управлять скоростью двигателя имеет множество преимуществ, и в этом руководстве будут рассмотрены несколько способов управления скоростью двигателя.
Как отмечалось выше, управление скоростью электродвигателя переменного тока имеет ряд преимуществ, включая снижение слышимого шума, энергоэффективность и улучшенное управление приложением двигателя. Несмотря на то, что они являются устройствами с постоянной скоростью, скорость двигателя переменного тока может изменяться при изменении частоты, входного напряжения или обмоток, которые заставляют двигатель вращаться.
Распространенным и эффективным средством изменения скорости двигателя является изменение частоты с помощью инвертора в качестве источника питания.Благодаря технологическому прогрессу и снижению стоимости силовых инверторов, это часто используемый и популярный вариант. Способы снижения напряжения на обмотках двигателя с помощью трансформаторов, резисторов или отводов обмоток двигателя также все еще используются.
Если вы планируете использовать инвертор для питания электродвигателя переменного тока, важно выбрать такой, который может обеспечивать не только напряжение и рабочий ток двигателя, но и пусковой ток. Используйте диапазон изменения скорости, необходимый для выбора диапазона частоты, которую инвертор должен обеспечивать.Элементы управления инвертора могут использоваться для изменения частоты, подаваемой на двигатель, и скорость двигателя будет соответственно изменяться.
Если полностью точное регулирование скорости не критично для двигателя, можно также добавить переменное сопротивление в цепь двигателя для снижения напряжения на основной обмотке. «Проскальзывание» двигателя — разница между синхронной скоростью магнитного поля электродвигателя и скоростью вращения вала — которая обычно близка к нулю, будет увеличиваться, поскольку на двигатель подается уменьшенная мощность.Кроме того, полюса двигателя не получают достаточной мощности для создания силы, необходимой для поддержания нормальной скорости, и в этом методе двигатель должен быть рассчитан на высокое скольжение.
Более эффективным вариантом является использование трансформатора переменного напряжения. Этот метод изменит напряжение, подаваемое на главную обмотку, что приведет к большому скольжению и уменьшению напряжения управления скоростью. Трансформатор переменного напряжения имеет низкие потери по сравнению с переменным резистором. Использование трансформатора может иметь серию ответвлений, которые изменяют соотношение напряжений для управления скоростью двигателя.Эти ответвления можно менять вручную, или трансформатор может иметь устройство переключения ответвлений с электроприводом. В любом случае скорость двигателя изменяется дискретно, и конкретная конструкция зависит от установки, в которой используется трансформатор.
Другой метод управления скоростью двигателя переменного тока — это использование двигателя переменного тока с ответвленными обмотками для изменения скорости. Это метод, который чаще всего встречается в домашних вентиляторах с переключателями высокой, средней и низкой скорости. Эти двигатели имеют заданное количество ответвлений на основной обмотке, что позволяет им работать с различными напряжениями, приложенными к его магнитному полю.Количество ступеней и скоростей, доступных для двигателя, обычно не превышает четырех. Точная скорость в этих типах приложений не является критичной, и регулирование скорости с помощью этой опции очень экономично.
Частотно-регулируемый привод (VFD) — это еще один вариант, представляющий собой контроллер двигателя переменного тока, который управляет двигателем, изменяя подаваемую на него частоту и напряжение. Частота (или герц) напрямую связана со скоростью двигателя (об / мин), поэтому чем выше частота, тем выше частота вращения. Если приложение двигателя не требует, чтобы он работал на полной скорости, можно использовать частотно-регулируемый привод для уменьшения частоты и напряжения в соответствии с требованиями к нагрузке двигателя.Когда требования к скорости двигателя в приложении меняются, частотно-регулируемый привод будет эффективно уменьшать или увеличивать скорость двигателя, удовлетворяя требованиям к скорости. Использование частотно-регулируемого привода может обеспечить снижение энергопотребления и затрат, увеличение производства за счет более жесткого контроля процесса и продление срока службы оборудования при одновременном снижении требований к техническому обслуживанию.
Наконец, регулирование величины напряжения на клеммах двигателя с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) также может управлять скоростью двигателя. Как следует из этого термина, ШИМ-регулирование скорости работает путем управления двигателем с помощью быстрой серии импульсов «ВКЛ» и «ВЫКЛ» и изменения рабочего цикла.Мощность, подаваемая на двигатель, регулируется путем изменения ширины этих приложенных импульсов, что, в свою очередь, изменяет среднее напряжение, подаваемое на клеммы двигателя. Модулируя или изменяя синхронизацию этих импульсов, можно управлять скоростью двигателя. Таким образом, чем дольше импульс «включен», двигатель будет вращаться быстрее, и, наоборот, чем короче время, в течение которого импульс «включен», тем медленнее будет вращаться двигатель.
С помощью нескольких простых регулировок или изменений можно управлять скоростью электродвигателя переменного тока.Посетите Zoro.com, где представлен широкий спектр регуляторов скорости переменного тока от ведущих поставщиков.
Алгоритмы управления двигателем переменного тока | Renesas
Скалярный элемент управления
Скалярное управление (или управление В / Гц) — это простой метод управления скоростью асинхронного двигателя.
Стационарная модель асинхронного двигателя в основном используется для разработки метода, поэтому переходные характеристики невозможны. Система не имеет токовой петли. Для управления двигателем трехфазное питание варьируется только по величине и частоте.
Векторное управление или управление ориентацией поля
Крутящий момент в электродвигателе изменяется в зависимости от полей статора и ротора и достигает своего пика, когда два поля ортогональны друг другу. В скалярном управлении угол между двумя полями значительно различается.
Векторное управление направлено на воссоздание ортогональных отношений в двигателе переменного тока. Для управления током, создающим крутящий момент, отдельно от тока, создающего магнитный поток, чтобы обеспечить чувствительность машины постоянного тока.
Векторное управление асинхронным двигателем переменного тока аналогично управлению двигателем постоянного тока с независимым возбуждением. В двигателе постоянного тока поток поля Φ F , создаваемый током возбуждения I F , перпендикулярен потоку якоря Φ A , создаваемому током якоря I A . Эти поля не связаны друг с другом и стационарны. Следовательно, когда ток якоря регулируется для управления крутящим моментом, магнитный поток поля остается неизменным, обеспечивая быструю переходную реакцию.
Полевое управление (FOC) трехфазного двигателя переменного тока включает имитацию работы двигателей постоянного тока. Все контролируемые переменные преобразуются в постоянный ток, а не в переменный, посредством математического преобразования. Целью является независимое управление крутящим моментом и магнитным потоком.
Существует два метода полевого управления (FOC):
- Прямой FOC: Угол потока ротора вычисляется непосредственно на основе оценки или измерения потока.
- Indirect FOC: Угол потока ротора косвенно вычисляется из доступных вычислений скорости и скольжения.
Векторное управление требует знания положения магнитного потока ротора и может быть вычислено с использованием передовых алгоритмов на основе знания тока и напряжений на клеммах с использованием динамической модели асинхронного двигателя переменного тока. Однако с точки зрения реализации критически важна потребность в вычислительных ресурсах.
Для реализации алгоритма векторного управления можно использовать разные методы. Для улучшения отклика и стабильности можно использовать методы прямой связи, модели оценки и методы адаптивного управления.
Векторное управление асинхронными двигателями: подробный обзор
В основе алгоритма векторного управления лежат два важных математических преобразования: преобразование Кларка, преобразования Парка и их обратные. Использование преобразователей Кларка и Парка переносит токи статора, которыми можно управлять, в область ротора. Это позволяет системе управления двигателем определять напряжения, которые должны подаваться на статор, чтобы максимизировать крутящий момент при динамически изменяющихся нагрузках.
Преобразование Кларка: Математическое преобразование Кларка преобразует трехфазную систему в двухкоординатную.
, где I a и I b — компоненты ортогональной базовой плоскости, а I o — гомопланарный компонент, который не имеет большого значения
Рисунок 4 : Связь трехфазных токов статора с вращающейся системой отсчетаПреобразование Парка: Математическое преобразование Парка преобразует двухфазные стационарные системные векторы во вращающиеся системные векторы
Представление двух фаз α, β кадра, вычисленное с помощью преобразования Кларка, затем подается в блок вращения вектора, где он поворачивается на угол θ, чтобы следовать кадру d, q , прикрепленному к потоку ротора.Поворот на угол θ осуществляется по приведенным выше формулам.
Базовая схема ориентированного на поле векторного управления двигателем переменного тока:
На рис. 2 показана базовая схема ориентированного на поле векторного управления двигателем переменного тока.
Преобразование Кларка использует трехфазные токи I A , I B и I C для расчета токов в двухфазной ортогональной оси статора: I α и; I β .Эти два тока в фазе статора с фиксированной координатой преобразуются в составляющие токов I sd и I sq в кадре d , q с преобразованием Парка. Токи I sd , I sq и мгновенный угол магнитного потока θ, вычисленный с помощью модели магнитного потока двигателя, используются для расчета электрического момента асинхронного двигателя переменного тока.
Рисунок 2 : Базовая схема векторного управления асинхронными двигателямиЭти полученные значения сравниваются с заданием и обновляются ПИ-регулятором.
Сравнение скалярного и векторного управления двигателями
| Параметры управления | Управление В / Гц | Векторное управление | Бездатчиковое векторное управление |
| Регулировка скорости | 1% | 0,001% | 0,05% |
| Регулировка крутящего момента | Плохо | +/- 2% | +/- 5% |
| Модель двигателя | Не требуется | Обязательно | Требуется точная модель |
| Мощность обработки MCU | Низкий | Высокая | высокий + DSP |
Неотъемлемым преимуществом векторного управления двигателем является то, что одну и ту же схему можно использовать для управления различными типами двигателей переменного, постоянного-переменного тока или BLDC путем выбора соответствующих математических моделей для соответствующих двигателей.
Векторное управление двигателями BLDC
ДвигателиBLDC также являются первыми кандидатами для векторного управления с ориентацией поля. Бесщеточные двигатели, использующие подход FOC, могут достигать еще более высокого КПД, до 95 процентов, и эффективны в самом высоком диапазоне скоростей двигателя.
| Методы контроля | Требования к MCU | Предлагаемые микроконтроллеры | ||||
| RL78 Семья | RX Семейство | RH850 Семья | RZ / T1 Группа | |||
| Управление двигателем переменного тока | Управление V / F | Таймер захвата входа, прерывания, ШИМ для управления трехфазным двигателем | ● | |||
| Упрощенное векторное управление | Таймер захвата входа, прерывания, ШИМ с мертвым временем для управления трехфазным двигателем | ● | ● | ● | ||
| Векторное управление (FOC) | Высокопроизводительный микроконтроллер + MAC, высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь, входной захват, прерывание, ШИМ-таймер с мертвым временем для управления трехфазным двигателем | ● | ● | ● | ||
| Бездатчиковое векторное управление | Высокопроизводительный микроконтроллер + MAC, высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь, прерывание, таймер PWM с запаздыванием для управления трехфазным двигателем | ● | ● | ● | ||
Тестирование и диагностика контроллеров двигателей переменного тока
В статье 430 Национального электротехнического кодекса указано, что все электродвигатели должны иметь подходящие контроллеры.Когда двигатель работает с постоянной скоростью, контроллер может быть относительно простым. Часто это не более чем переключатель включения / выключения, хотя существуют более сложные версии, которые включают в себя приспособления для обработки различных типов перегрузок двигателя и которые снижают нагрузку на двигатель во время запуска.
Для стационарного двигателя мощностью 1⁄8 л.с. или менее, который остается работающим и не может быть поврежден из-за перегрузки или отказа при запуске, они могут быть такими же простыми, как средства отключения параллельной цепи.Примером могут служить настенные часы, которые защищены автоматом или предохранителем на входной панели. Следующий шаг — портативный мотор мощностью не более 1⁄3 л.с. Контроллер для этого двигателя может быть вилкой и розеткой или кабельным соединителем.
Автоматический выключатель параллельной цепи с обратнозависимой выдержкой времени, номинальный ток в амперах, разрешен для всех двигателей. Автоматические выключатели с обратнозависимой выдержкой времени имеют как тепловое, так и мгновенное срабатывание. Они являются наиболее распространенным типом автоматических выключателей, используемых в жилых, коммерческих и тяжелых строительных целях.Их тепловое действие реагирует на тепло. В случае короткого замыкания магнитное действие автоматического выключателя определяет мгновенные значения тока и отключает выключатель. Национальный электрический кодекс требует, чтобы автоматические выключатели с обратнозависимой выдержкой времени были рассчитаны максимум на 250% от силы тока полной нагрузки двигателя (FLA).
Более простой тип выключателя — это выключатель с мгновенным срабатыванием, который реагирует на немедленные (почти мгновенные) значения тока от короткого замыкания, замыкания на землю или тока блокировки ротора.Этот тип не сработает из-за медленного накопления тепла. Национальный электротехнический кодекс позволяет устанавливать автоматические выключатели с мгновенным срабатыванием не более 800% от номинального значения номинальной мощности двигателя. Некоторые автоматические выключатели с мгновенным срабатыванием имеют регулируемые параметры отключения, которые можно регулировать выше тока заторможенного ротора двигателя, чтобы двигатель мог запуститься и набрать свою рабочую скорость.
Для стационарных двигателей с номинальной мощностью менее двух лошадиных сил и напряжением 300 В контроллер может быть переключателем общего назначения, номинальный ток которого не менее чем в два раза превышает ток полной нагрузки двигателя.В цепях переменного тока в качестве контроллера разрешается использовать универсальный мгновенный переключатель, подходящий только для переменного тока (не универсальные мгновенные переключатели постоянного и переменного тока), где номинальный ток полной нагрузки двигателя не превышает 80% от ампера. рейтинг переключателя.
Контроллер не обязан размыкать все провода к двигателю, если только контроллер не служит также средством отключения двигателя. Таким образом, для однофазного двигателя на 240 В, в отличие от внутрисхемного переключателя, контроллер может разомкнуть только одну ногу, и это остановит двигатель, хотя одна из клемм останется под напряжением.Для трехфазного двигателя необходимо открыть две ноги, чтобы двигатель не продолжал работать на двух фазах. За исключением случаев, каждый двигатель должен быть снабжен индивидуальным контроллером.
В отличие от контроллеров двигателей этих типов, устройства плавного пуска регулируют напряжение двигателя при запуске как средство управления током и крутящим моментом двигателя. Обычно они делают это за счет использования твердотельных устройств, таких как SCR. Основной принцип плавного пуска заключается в том, что управление углом проводимости тиристоров контролирует приложение напряжения питания.В пускателе используется тот факт, что крутящий момент пропорционален квадрату пускового тока, который, в свою очередь, пропорционален приложенному напряжению. Устройства плавного пускамогут быть как разомкнутыми, так и замкнутыми. Пускатели с разомкнутым контуром подают пусковое напряжение независимо от тока или скорости двигателя. Для каждой фазы двигателя два SCR подключаются друг к другу, и SCR сначала проводят с задержкой 180 ° в течение соответствующих полуволновых циклов (для которых проводит каждый SCR). Эта задержка постепенно уменьшается со временем, пока подаваемое напряжение не возрастет до полного напряжения питания.
Устройства плавного пускас обратной связью контролируют любые характеристики выхода двигателя, такие как потребляемый ток или скорость, а затем соответствующим образом изменяют пусковое напряжение. Если ток в каждой фазе превышает определенную уставку, изменение напряжения по времени останавливается.
Поиск и устранение неисправностей и проверки органов управления двигателем обычно включают в себя испытательное оборудование, которое включает мегомметр (минимум на выходе 500 В), токоизмерительные клещи с несколькими размерами губок, магнитный компас (для определения полярности катушки возбуждения двигателя) и цифровой мультиметр (минимум 600 V, CAT III истинное среднеквадратичное значение, с низким сопротивлением (0.01 Ом или ниже) с функцией цикла и проверкой емкости.
Хотя это может показаться очевидным, часть устранения неисправностей, связанных с управлением двигателем, включает определение того, связана ли проблема с управлением двигателем или самим двигателем. Вот почему при выключенном питании первым делом нужно повернуть вал двигателя, чтобы определить, вращается ли он свободно, прислушиваясь к необычным шумам, таким как царапание, запах сгоревшей изоляции и ощущение избыточного тепла. Осмотрите стартер двигателя на предмет ослабленных соединений и обесцвеченных горячих точек.Все крепежи и монтажное оборудование следует проверить и подтянуть.
Далее вручную включите стартер и измерьте сопротивление через его контакты. Показание 0,09 Ом или меньше — это хорошо. Отключите стартер, а затем с помощью мегомметра проверьте заземление цепи и цепи нагрузки на стартере. Этот тест позволит эффективно определить сопротивление заземления стартера, линейные цепи к разъединителю и нагрузочные линии к обмоткам двигателя и стартера.
Как правило, устройства переменного тока могут безопасно работать при сопротивлении не менее 2 МОм относительно земли, а устройства постоянного тока могут безопасно работать при сопротивлении не менее 1 МОм относительно земли.Но учтите, что перед наземными испытаниями все электронные элементы управления отключаются. Они могут быть разрушены неправильно установленным высоковольтным испытательным оборудованием.
Значение сопротивления зависит от мощности двигателя. Например, двигатель мощностью 50 л.с. в идеале должен показывать сопротивление 0,05 Ом. Измерения между фазами должны быть примерно эквивалентными. Точное значение измерения менее важно, чем баланс между фазами. Хотя показания не будут идентичными, они должны быть близкими. Измерения сопротивления также полезны в однофазных двигателях и двигателях постоянного тока, где они могут определять обрыв цепи.
Также проверьте каждый предохранитель на непрерывность (по одному предохранителю на фазу). Перегоревший предохранитель — это симптом, а не причина, поэтому замена предохранителя не исправит двигатель. Проверьте патроны предохранителей на натяжение пружины — повторная замена предохранителя может снизить натяжение пружины, необходимое для хорошего контакта. Признаки того, что держатель предохранителя потерял натяжение, включают повреждение дуги размером с булавочную головку в любом месте зажима, предохранителя или окружающих областей. Также проверьте выключатели и шины на предмет перегрева и повреждения дуги, а также разъемы.
Проверьте значение напряжения и баланс на линии (питании) держателя предохранителей.Поскольку это проверка между линиями, рабочее напряжение не имеет выхода на землю. Но неоправданный дисбаланс напряжения между любыми двумя фазами является проблемой. Несимметрия напряжения 5% — это нормально.
Затем следует проверка соединений внутри распределительной коробки электродвигателя. Многие отказы двигателя возникают из-за плохо установленных гаек для проводов или недостаточно изолированных соединений, которые заземляются внутри распределительной коробки, или из-за короткого замыкания.
Проверки, выявляющие низкие показания заземления или открытые показания на стороне нагрузки пускателя, указывают на необходимость проверки фазного сопротивления обмотки статора и сопротивления заземления.Этот тест помогает определить, в двигателе ли проблема или в цепи питания. Процедура начинается с разрыва соединений двигателя, а затем тестирования сначала в одном направлении (двигатель), а затем в другом (питание).
На двигателе проверить сопротивление обмотки статора между фазой и фазой относительно земли. Короткое замыкание между фазами указывает на то, что двигатель нуждается в капитальном ремонте или замене. Иногда моторы можно отремонтировать при замыкании фазы на землю.
Сначала питание тестируется с отключенным и заблокированным выключателем двигателя.Затем с помощью мегомметра можно проверить сопротивление изоляции относительно земли. Если проводка не проходит проверку, могут быть проблемы в соединениях или повреждение изоляции проводника.
В случае устройств плавного пуска эти контроллеры часто выдают сообщения об ошибках в случае возникновения проблемы. Если сообщение об ошибке меньше освещает источник проблемы, факторы, которые необходимо проверить, включают отсутствие фазы и короткое замыкание в одном из тиристоров в самом устройстве плавного пуска. Также проверьте, нет ли аномальных напряжений двигателя и сети.
После того, как проблемы обнаружены, пора выполнить тестовый запуск. Подайте питание на двигатель, отметьте рабочее напряжение и ток, проверьте баланс и убедитесь, что результаты измерений соответствуют техническим характеристикам, указанным на паспортной табличке. Не должно быть необычных шумов, запаха дыма или горячей изоляции, двигатель должен работать холодно и не должен сильно вибрировать. Затем включите нагрузку и проведите окончательную оценку шума / запаха / тепла / вибрации. Надеюсь, все идет гладко.
Основы приводов и контроллеров двигателей переменного тока
Приводы переменного токаиспользуются для улучшения процесса и качества в промышленных и коммерческих приложениях, таких как ускорение, поток, мониторинг, давление, скорость, температура, напряжение и крутящий момент.Большинство основных приводов переменного тока включают в себя секцию выпрямителя, звено постоянного тока, инвертор и секцию управления, обычно основанную на микроконтроллере или микропроцессоре. Существует несколько топологий приводов и механизмов управления, используемых для реализации приводов и контроллеров двигателей переменного тока.
Нагрузки с фиксированной скоростью подвергают двигатель воздействию высокого пускового момента и скачков тока, которые до восьми раз превышают ток полной нагрузки. Приводы переменного тока используются для постепенного увеличения скорости двигателя до рабочей скорости, чтобы уменьшить механические и электрические нагрузки, снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт и продлить срок службы двигателя и приводимого в действие оборудования.
Приводыс регулируемой скоростью также могут запускать двигатель по специальным схемам, чтобы дополнительно минимизировать механические и электрические нагрузки. Например, шаблон S-образной кривой может быть применен к конвейерному приложению для более плавного управления замедлением и ускорением, что снижает люфт, который может возникнуть, когда конвейер ускоряется или замедляется.
Приводы переменного тока могут быть сложными системами. Основными элементами являются блок управления и силовой каскад. Тем не менее, несколько дополнительных элементов включают датчики положения, HMI, возможности подключения, управление питанием, защиту от электростатических разрядов, а также мониторинг состояния и профилактическое обслуживание.(Изображение: STMicroelectronics) Приложения для приводов двигателей переменного токаможно разделить на одноквадрантные, двухквадрантные или четырехквадрантные, при этом четыре квадранта определены следующим образом:
- Квадрант I — Движение или движение, ускорение вперед с положительной скоростью и крутящим моментом.
- Квадрант II — Генерация или торможение, торможение вперед или замедление с положительной скоростью и отрицательным крутящим моментом
- Квадрант III — Движение или движение, обратное ускорение с отрицательной скоростью и крутящим моментом
- Квадрант IV — Генерация или торможение, обратное торможение или замедление с отрицательной скоростью и положительным крутящим моментом.
В большинстве приложений используются одноквадрантные нагрузки, работающие в квадранте I, такие как нагрузки с переменным крутящим моментом (например, центробежные насосы или вентиляторы) и определенные нагрузки с постоянным крутящим моментом (например, экструдеры).
В некоторых приложениях используются двухквадрантные нагрузки, работающие в квадрантах I и II, где скорость положительна. Тем не менее, крутящий момент меняет полярность, как в случае замедления вентилятора быстрее, чем естественные механические потери.Некоторые источники определяют двухквадрантные приводы как нагрузки, работающие в квадрантах I и III, где скорость и крутящий момент имеют одинаковую (положительную или отрицательную) полярность в обоих направлениях.
Высокопроизводительные приложения могут включать четырехквадрантные нагрузки (квадранты с I по IV). Скорость и крутящий момент могут быть в любом направлении, например, в подъемниках, лифтах и некоторых конструкциях конвейеров. Регенерация может происходить только в шине промежуточного контура привода, когда напряжение инвертора меньше по величине, чем обратная ЭДС двигателя, а напряжение инвертора и обратная ЭДС имеют одинаковую полярность.
Топологии приводов переменного тока
Приводы переменного токаможно классифицировать в соответствии со следующими общими топологиями:
- Топологии привода инвертора с источником напряжения (VSI) : используйте шину конденсаторов для хранения выходного постоянного тока диодно-мостового преобразователя для подачи жесткого входного напряжения на инвертор. Подавляющее большинство приводов относятся к типу VSI с выходным напряжением ШИМ.
- Топологии привода инвертора с источником тока (CSI) : используйте последовательный дроссель для хранения выходного постоянного тока мостового преобразователя SCR для подачи жесткого входного тока на инвертор.Приводы CSI могут работать как с ШИМ, так и с шестиступенчатым выходным сигналом.
- Топологии привода инвертора с коммутацией нагрузки (LCI) : это подмножество CSI, в котором на выходе постоянного тока мостового преобразователя SCR накапливается энергия через цепь индуктивности промежуточного звена постоянного тока для обеспечения жесткого квазисинусоидального шестиступенчатого токового выхода второго SCR -мостовой инвертор и возбужденная синхронная машина.
- Топологии циклоконвертера или матричного преобразователя (MC) — это преобразователи переменного тока в переменный без промежуточного звена постоянного тока для хранения энергии.Циклоконвертер работает как источник трехфазного тока через три встречно-параллельно соединенных SCR-моста в шестиимпульсной конфигурации. Каждая фаза циклоконвертера действует избирательно, преобразуя переменное напряжение с фиксированной частотой сети в переменное напряжение с переменной частотой нагрузки. Приводы MC основаны на IGBT.
- Топология системы восстановления проскальзывания с двойным питанием : подача выпрямленной энергии проскальзывания в сглаживающий реактор для подачи энергии в сеть переменного тока через инвертор; скорость двигателя регулируется путем регулировки постоянного тока.
Способы управления приводом
Прямое преобразование включает в себя циклоконвертеры и другие матричные топологии, в которых входная мощность переменного тока напрямую преобразуется в переменную мощность переменного тока за один этап. Эти частотно-регулируемые приводы используются там, где скорость вращения относительно низкая, а требования к крутящему моменту высоки. Частотно-частотные преобразователи прямого преобразования генерируют большие гармонические токи и используются в двигательных установках судов, металлопрокатных станах, мельницах для измельчения руды и других подобных устройствах.
При управлении В / Гц с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) скорость асинхронного двигателя регулируется регулируемой величиной напряжения и частоты статора таким образом, чтобы поток в воздушном зазоре всегда поддерживался на желаемом значении в установившемся режиме. -штат.Иногда эту схему называют скалярным управлением, потому что она ориентирована только на установившуюся динамику.
Скалярное управление — это более простая форма управления двигателем, использующая схемы привода без векторного управления. Асинхронный двигатель переменного тока может быть переведен в установившееся состояние с помощью простых схем с питанием по напряжению, током или скоростью. Скалярной переменной можно управлять после получения ее значения путем прямого измерения или вычисления, и ее можно использовать как в форматах обратной связи с открытым, так и с обратной связью.Хотя ее переходное поведение не является идеальным, скалярная система может давать удовлетворительный установившийся отклик.
Для достижения лучших динамических характеристик необходимо применить более сложную схему управления для управления двигателем. Благодаря мощности математической обработки микроконтроллеров могут быть реализованы передовые стратегии управления, которые используют математические преобразования для управления машинами переменного тока, такими как машины постоянного тока, обеспечивая независимое управление потоками и токами, создающими крутящий момент.Такое независимое управление крутящим моментом и намагничиванием обычно называется ШИМ-управлением, ориентированным на поле (FOC), или векторным управлением.
Неотъемлемым преимуществом векторного управления двигателем является то, что одна и та же схема может управлять различными типами двигателей переменного тока, PM-AC или BLDC путем выбора соответствующих математических моделей для соответствующих двигателей. (Изображение: Renesas Electronics)Прямое управление крутящим моментом (DTC) — это третий метод, используемый в частотно-регулируемых приводах для управления крутящим моментом (и, следовательно, скоростью) трехфазных двигателей переменного тока.DTC включает в себя расчет оценки магнитного потока и крутящего момента двигателя на основе измеренных значений напряжения и тока двигателя. Потоковая связь статора оценивается путем интегрирования напряжений статора. Крутящий момент оценивается как перекрестное произведение оцененного вектора потокосцепления статора и измеренного вектора тока двигателя. Затем расчетная величина магнитного потока и крутящий момент сравниваются с их справочными значениями. Если расчетный магнитный поток или крутящий момент отклоняются слишком далеко от эталонного значения, частотно-регулируемый привод выключается и / или включается таким образом, чтобы погрешности магнитного потока и крутящего момента возвращались в допустимые пределы как можно быстрее.
На этом мы завершаем серию часто задаваемых вопросов об электродвигателях. Он начался с «Основы двигателей и двигателей постоянного тока», затем перешел к «управлению щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока», а затем перешел к «Двигателям переменного тока и их применениям», прежде чем закончить с этим часто задаваемым вопросом.
Артикул:
Приводы переменного тока, STMicroelectronics
Алгоритмы управления двигателями переменного тока, Renesas Electronics
Скалярное (V / f) управление трехфазными асинхронными двигателями, Texas Instruments
Частотно-регулируемый привод, Википедия
Контроллер однофазного двигателя переменного тока серии 55AC
Регулировка скорости двигателя переменного тока с симистором 55AC
Надежный, экономичный и компактный симисторный источник переменного напряжения переменного тока, специально изготовленный для вибропитателей, вентиляторов, насосов, систем отопления и освещения.Все модели оснащены однофазным входом переменного тока и полностью регулируемым выходом переменного тока. Закрытая версия имеет прочный корпус, переключатель включения / выключения, индикаторную лампу включения, предохранитель с передним доступом, а также удобные входные и выходные кабели и вилки. В основе системы управления лежит симистор, срабатывающий для регулировки фазы и, таким образом, изменения скорости. Серия 55 предназначена для работы с экранированными полюсами, постоянными разделенными конденсаторами, постоянными разделенными фазами, универсальными двигателями или любой резистивной нагрузкой. Он не предназначен для двигателей с конденсаторным пуском.
СЕРИЯ 55AC НЕ ЭКВИВАЛЕНТ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ / ПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Если у вас есть какие-либо вопросы о совместимости этого продукта с вашим двигателем / приложением, позвоните в службу технической поддержки Dart по телефону 317-873-5211.
- Управляет большинством однофазных двигателей переменного тока и резистивными нагрузками, не предназначенными для двигателей с конденсаторным пуском.
- Для вибропитателей, вентиляторов, насосов, отопления и освещения.Все модели имеют однофазный вход переменного тока и полностью регулируемый выход переменного тока.
- Закрытая версия включает переключатель включения / выключения, индикаторную лампу включения и передний предохранитель.
- Переключение симистора для изменения выходной фазы и, следовательно, скорости (совместимой)
| МОДЕЛЬ ШАССИ | ЗАКРЫТАЯ МОДЕЛЬ | ВХОД / ВЫХОД (В переменного тока) | РЕЙТИНГ AMP |
|---|---|---|---|
| 55AC10C | 55AC10E | 120 / 0-120 | 10А |
| 55AC15C | 55AC15E | 120 / 0-120 | 15А |
| 57AC10C | 57AC10E | 240 / 0-240 | 10А |
| 57AC15C | 57AC15E | 240 / 0-240 | 15А |