Векторное управление (ВУ) основано на том, что контролируется не только величина (модуль) управляемой координаты, но и ее пространс-твенное положение (вектор) относительно выбранных осей координат.

Рис. 8.28.Схема частотного ЭП на основе АИТ (а) и зависимостьтока статора от частоты тока в роторе (б)

Для реализации ВУ осуществляется контроль мгновенных величин напряжения, тока и потокосцепления. Путем математических преоб-разований асинхронный двигательАД, характеризуемый большим количеством нелинейных перекрестных связей, можно представить линейной моделью с двумя каналами управления –- моментом и потоком. Подобное удобство управления требует многократных преобразований координат ЭП, что не является препятствием, учитывая современный уровень развития МП техники.

Для понимания сущности ВУ воспользуемся принципиальной схемой двухфазной двухполюсной обобщенной машины (рис. 8.29), к которой может быть приведена симметричная машина, имеющая m-фазную обмотку статора и я-фазную обмотку ротора.

Рис. 8.29. Принципиальная схема двухполюсной двухфазной обобщенной машины: 1 –- статор; 2 –- ротор

Допустим, что система координат вращается в пространстве с произвольными действительнаядействительной,и- мнимой осями, уравнения будут иметь следующий вид:

, (8.27)

где u S , Щ,i S , i 2 ,ψ S , ψ 2 \j7-s>V2 -– соответственно векторы напряжений, токов и потокосцеплений статора 1 и ротора 2; j –- обозначение мнимой оси; Z n - – число пар полюсов; L m –-взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора; / 2 - комплексно-со­пряженный вектор i-i; 1т- мнимая часть комплексной перемен­ной;ωю к –- угловая скорость ротора. Потокосцепления равны

, (8.29)

где L s (L sa +L m) и L 2 (L 2 <, +L m) – индуктивности фазных обмоток соответст-венно статора и ротора.

Рис. 8.30.Схема частотного ЭП на основе АИТ (а) и зависимостьтока статора от частоты тока в роторе (б)

Уравнения (8.27) можно записать, используя проекции обобщенных векторов на оси координат и, v, т.е. в скалярной форме:

В зависимости от используемых переменных состояния АД уравне-ния момента могут иметь различную форму. Кроме приведенного урав-нения (8.28), применяют следующие выражения электромагнитного момента:

Уравнения обобщенной машины для системы координат uv(8.27) могут быть записаны в любой системе координат. Выбор координатных осей зависит от типа машины (синхронная, асинхронная) и целей иссле-дования. Применение нашли следующие системы координат: непод-вижная система координат ар (©к = 0); синхронная система координат АУ (сок = соо) и система координатdq,вращающаяся вместе с ротором (со к = со). Взаимное расположение век-торов переменного АД приведено на рис. 8.30.

Переход от уравнений обобщенной машины (8.27), (8.28) к урав-нениям реального трехфазного АД осуществляется с помощью урав-нений координатных преобразованийе.9 М - угол момента, q> - угол между векторами тока и напряжения). О, = в м + ф - угол вектора напряжения (XY); 6« = 9„ + 8 V - угол вектора тока. Формулы координатных преобра-зований получены при условии постоянства мощности обеих машин. Они могут быть получены для любых переменных, записанных в любых осях.

Преобразования реальной машины к обобщенной называются пря-мыми, а преобразования обобщенной машины к реальной – -обратными. Например, формулы прямого преобразования фазных напря-жений ста-тора u sa , Щь, u sc к уравнениям и т, и$ в осях ар векторной диаграммы имеют вид:

Для рассмотрения векторного управления выбирается система координат XY, вращающаяся в пространстве со скоростью поля, т.е. о) к = соо, за последнюю принимается скорость вектора потокосцепления ротора. \j/2- Скорости вращения векторов напряжения, тока и потокосцепления одина­ковы лишь в установившихся режимах, а в переходных процессах они различны. Принцип векторного управления заключается в том, что

Рис. 8.30. Взаимное расположение векторов переменного АДВекторная диаграмма: % = 8 2 + в г - угол потока.

Формулы обратного преобразования

Usb =(~Usa+А/ЗU45)/ 2, U sc =(-М ю -л/ЗUф)/ 2. (8.33)

вектор переменной (тока, напряжения и т.д.) располагают в пространст-ве определенным образом. Наиболее эффективно расположить вектор потокосцепления vj7 2 вдоль вещественной оси Xсинхронной системы коор-динат, вращающейся со скоростью поля тогда . При этом уравнения АД с короткозамкнутым ротором имеют вид

0= -ω 2 + R 2 K 2 i sy ,

M э = 3/2 Z II K 2 ψ 2 i sy . (8.34)

где К 2 = L s - Кг L m ; Кг = Ь т /Ьг, сог = соо - со - частота скольжения или частота тока ротора.Анализируя уравнения (8.34), можно заметить их некоторое сходствос уравнениями ДПТ: момент в (8.34) пропорционален потоко-сцеплению ротора и составляющей вектора тока статора i sy , а потоко-сцепление пропорционально составляющей i sx /и. Это дает возможность, подобно ДПТ, раздельно управлять потоком и моментом, т.е. принцип ВУ приближает АД с его синусоидальными переменными к ДПТ. ВУ позволяет использовать при синтезе методы подчиненного регули-рования, широко распространенные в ЭПх постоянного тока. Различие (не в пользу ВУ) состоит в том, что независимое управление потоком, моментом и скоростью осуществляется не реальными переменными двигателя, а преобразованными к иной системе координат.

2. При частоте вращения 810 мин -1:

Функциональная схема векторного управления АД рис. 8.31: з –- задание; У –- управление; ОС –- обратная связь по скорости; с –- скорость; / I –- ток; х, у – -принадлежность переменных к синхронной системе координат; αа, β р–- принадлежность переменных к неподвижной системе координат; ф – потокосцепление; а, Ьb,с – индексы фаз.

Рис. 8.31.Функциональная схема векторного управления АД

Схема выполнена на основе принципа подчиненного регулирования и содержит три контура:

1) скорости (внешний); содержит датчик скорости BR и регулятор скорости вращения (момента) AR;

2) потокосцепления (магнитного потока) с регулятором потока Av|/Uψ и каналом ОС, имеющим выходную величину щ;

3) активной^и реактивной 4е составляющей вектора тока статора с регу-ляторами АА2 и АА1.

Сигнал ОС по току статора осуществляется датчиком тока UA, который измеряет фазные токи двигателя в двух фазах, например А и В, и вырабатывает сигналы u ia и ы,*. Для преобразования этих сигналов к неподвижной системе координат служит функциональный преобразователь U1, работающий в соответст­вии с формулами (8.32) прямых координатных преобразований cosф = U фо /U ф, которые в преобразователе А2 позволяют перейти от непод-вижных координат а р αβк координатам XYпо noследующим формулам:

u iβ =1/√3 (u iα +u ib).

Измерение потокосцепления может производиться с помощью различных устройств, например измерительной обмоткой укладываемой в теже пазы, что и силовая обмотка. Наибольшее распространение полу-чили датчики Холла, помещаемые в воздушный зазор двигателя. Сигна-лы датчика Uy преобразуются в функциональном преобразователе U2 по формулам (8.32) в сиг­налы и фа и Ыфр неподвижной системы координат. Полу-ченные величины необходимо преобразовать к системе координат XY вращающейся в пространстве со скоростью поля двигателя.

С этой целью в пореоброазователе D выделяется модуль потокосцеп-ления ротора

в виде соответствующего сигнала и ф

Сигналы напряжения и фа, « фр, Uix , u iy пропорциональны соответствующим физичес-ким величинам.

На вход регулятора потокосцепления UψАу подается разность сиг-налов задания потокосцепления м зф и ОС м ф, т.е. «у.Ф = "з.ф - м Ф, а на выходе Ау формируется сигнал задания тока статора по оси X, т.е. u 3 ix . Разность сигналов u 3 ix - Uix, проходя че­рез регулятор тока АА1, превращается в сигнал и* ы.Аналогичные преобразования имеют место в канале управления по оси Y, заза исключением того, что здесь установлен регулятор скорости (момента) AR, выходной сигнал которого делится на сигнал модуля потокосцепления Uψм ф для получения сигнала задания тока и по оси Y. На выходе регулятора АА2 составляющей тока статора по оси Г вырабатывается сигнал и! у, который вместе с сигналом и,* подается на входы Бблока А1, функционируетющего в соответствии с первыми двумя уравнениями (8.34). На выходе блока А1 получаем пре-образованные сигналыи х и щ, в которых отсутствует взаимное влияние кон-туров регулирования составляющих токов по осям XylY. Управляющие сигналы и х и и у, записанные во вращающейся системе координат XY, в координатном преобразователе A3 превращаются в сигналы управления ПЧ в неподвижной системе координат аВ αβпо уравнениям

U ix = u iα cosφ + u iβ sinφ,;

U yα = u x cosφ - u y sinφ,

U yβ = u x cosφ - u y sinφ. (8.36)

Для управления силовыми ключами ПЧ в трехфазной системе координат необходимо с помощью АЧ получить сигналы иу а U Уа, U У b иуь, U У c му с в соответствии с формулами обратного преобразования (8.33):

Благодаря координатным преобразованиям в системе векторного управления ЧЭП выделяют два канала регулирования: потокосцепления (магнитного потока) и скорости вращения (момента). В этом смысле система векторного управления аналогична ЭП постоянного тока с двухзонным регулированием скорости.

Для многократного преобразования координат ЭП в соответствии с приведенными выше формулами служат специализированные микро контроллеры класса DSP, работающие в режиме реального времени. Это позволяет получить глубокорегулируемые ЭП с высоким быстродейст-вием, используя асинхронный короткозамкнутый двигатель.

Существует множество структурных решений векторного управле-ния. Функциональная схема ВУ АД рис. 8.31 относится к классу прямого ВУ, при котором непосредственно измеряется по-токосцепление (магнит-ный поток). При косвенном ВУ измеряют положение ротора АД и электрические параметры (ток, напряжение). Такие системы получили большое распространение по двум причинам:

1) измерение потока трудоемко;

2) датчик положения необходим во многих промышленных ЭП (например,позиционный ЭП станков с ЧПУ и автоматиче­ских манипуляторов).

Если нет необходимости измерять положение ротора, применяют так называемое «бездатчиковое» ВУ (датчик положения ротора отсутст-вует),что требует более сложных вычислительных процедур.

Рис. 8.32.Схема подключения комплектного ЭП.

ЭП с ВУ обеспечивает широкий диапазон регулирования скорости (до 10 000) и во многих случаях заменяет широкорегулируемый ЭП с коллекторными ДПТ.

Схема комплектного ЭП рис. 8.32 изготавливаемого многими предприятями содержит: клеммы силовые: R, S, T (LI, L2, L3) –- клеммы питания; U, V, W (Tl, T2, ТЗ) –- выход преобразователя частоты; PD, Р –- подключение дросселя в промежуточном звене постоянного тока; Р, RB–- внешний тормозной резистор; Р, N –- внешний модуль торможения; G–- защитное заземление.

Клеммы управления: L –- клемма «общий» для аналоговых входов и выходов; Н –- питание потенциометра задания частоты; О –- клемма установки выходной частоты напряжением; 01, 02 –- дополнительная клемма установки выходной частоты соответственно током и напряже-нием; AM –- импульсный выход (напряжение); AMI –- аналоговый выход (ток); Р24 –- клемма питания; СМ1, ПС, 12С, AL0 –- клемма «общий»; PLC –- общая клемма для внешнего источника питания; FW–- прямое вращение; 1, 2, 3, 4, 5 –- программируемые дискретные входы; ПА –- клемма программируемого выхода 11; 12А –- клемма программируемого выхода 12; AL1, AL2 –- реле сигнализации; ТН –- вход термистора.

Клеммы управления: L - клемма «общий» для аналоговых входов и выходов; Н - питание потенциометра задания частоты; О - клемма установки выходной частоты напряжением; 01, 02 - дополнительная клемма установки выходной частоты соответст­венно током и напряжением; AM - импульсный выход (напря­жение); AMI - аналоговый выход (ток); Р24 - клемма питания; СМ1, ПС, 12С, AL0 - клемма «общий»; PLC - общая клемма для внешнего источника питания; FW - прямое вращение; 1, 2, 3, 4, 5 - программируемые дискретные входы; ПА - клемма программируемого выхода 11; 12А - клемма программируемого выхода 12; AL1, AL2 - реле сигнализации; ТН - вход термистора.

Контрольные вопросы

1. Покажите вращающееся магнитное поле при симметричном пи­тании при числе фаз, отличном от трех, например при т = 2, т = 6.

2. Каковы негативные последствия регулирования скорости напря­жением в цепи статора при длительном режиме работы?

3. Для каких механизмов предпочтительно регулирование скорости изменением напряжения?

4. По какой причине частотное регулирование скорости АД является наиболее экономичным?

5. Должно ли регулироваться напряжение при регулировании час­тоты и почему?

6. Какие ограничения имеются при регулировании частоты АД сверх- номинального значения?

7. Какие типы преобразователей частоты для питания АД вы знаете? Приведите формы напряжения на двигателе.

8. Какие способы коммутации тиристоров вы знаете?

9. Какими способами осуществляется регулирование напряжения статических преобразователей?

10. В чем существенное различие инверторов тока и напряжения?

11. Возможно ли рекуперативное торможение в системе частотного ЭП? Что для этого нужно в системе АИН-АД и системе НПЧ-АД?

12. Возможно ли получение частоты питания АД выше частоты сети в системе НПЧ-АД?

13. Какие комплектные частотные ЭП вы знаете?

14. Каково назначение конденсатора в звене постоянного тока в преобразователе частоты на основе автономного инвертора напряжения при работе на АД?

15. Сравните значение коэффициента мощности для частотного ЭП с АД при питании от автономного инвертора напряжения и для АД при питании от сети (при одинаковых значениях частоты и нагрузки).

16. Какие системы координат применяются при векторном управ-лении?

17. Для чего при векторном управлении необходимо преобразование переменных из одной системы координат в другую?

18. Возможно ли векторное управление без датчиков магнитного по­тока АД?

19. Нарисуйте схему системы тиристорный регулятор напряжения – -асинхронный электродвигатель (система ТРН- – АД).

20. Как будут изменяться механические характеристики АД при изменении угла управления ТРН?

21. В каких пределах может изменяться момент сопротивления на валу электродвигателя в системе ТРН- – АД? Нарисуйте примерную об-ласть его допустимых значений на графиках механических характерис-тик.

22. Нарисуйте схему включения дополнительного резистора в роторную цепь АД при импульсном регулировании.

23. Каким образом изменяются потери энергии в АД с импульсным регулированием добавочного резистора при регулировании скорости АД?

24. Нарисуйте примерный вид механических характеристик АД с импульсным регулированием добавочного резистора при разных значе-ниях скважности коммутации тиристоров.

25. Объясните принцип действия асинхронного вентильного каскада (АВК).

26. Покажите на графике, как будут изменяться механические харак-теристики АВК при изменении угла опережения инвертора.

27. Каким образом должно изменяться напряжение на статоре АД при изменении частоты в случае разных законов изменения момента сопротивления от скорости?

28. Покажите примерный вид механических характеристик при частотном регулировании скорости в случае, если момент сопро-тивления не зависит от скорости.

29. Назовите, какие типы ТПЧ применяются при частотном регули-ровании скорости АД. В случае какого ТПЧ возможно регулирование скорости только в области ее малых значений.

30. В чем заключается смысл «векторного управления» АД?

33.Трехфазный 4-полюсный АД, обмотка статора которого соединена в «звезду», имеет следующие номинальные данные: Р 2 =11,2 кВт, п= 1500 мин -1 , U=380 В,f=50 Гц. Заданы параметры двигателя:r=0,66 Ом,; r 2 ’ = 0,38 Ом, х= 1,14 Ом, х" 2= 1,71 Ом, х m = 33,2 Ом. Двигатель регулируется одновременным изменением напряжения и частоты. Отношение напряжения к частоте поддерживается постоянным и равным отношениюих номинальных значений.

34.Рассчитайте максимальный момент М max и соответствующую ему; скорость w m ах для частот 50 и 30 Гц.

35.Повторите п. 1, пренебрегая сопротивлением статора (r = 0).

В настоящее время, управление скоростью двигателей переменного тока с помощью преобразователей частоты широко применяется практически во всех отраслях промышленности.

На практике, применяются системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:
2. Векторное управление.

Методы регулирования, используемые в преобразователях частоты для управления двигателями переменного тока

В настоящее время, управление скоростью двигателей переменного тока с помощью преобразователей частоты широко применяется практически во всех отраслях промышленности. Это, прежде всего, связано с большими достижениями в области силовой электроники и микропроцессорной техники, на основе которых были разработаны частотные преобразователи. С другой стороны, унификация производства преобразователей частоты производителями, позволила достаточно сильно повлиять на их стоимость и сделала их окупаемыми в достаточно короткие промежутки времени. Экономия энергоресурсов при применении преобразователей для управления асинхронными двигателями в некоторых случаях может достигать 40% и более.
На практике, применяются системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:
1. U/f- регулирование (вольт-частотное или скалярное управление);
2. Векторное управление.

U/f- регулирование скорости асинхронного электропривода

Скалярное управление или U/f-регулирование асинхронным двигателем - это изменение скорости двигателя путем воздействия на частоту напряжения на статоре при одновременном изменении модуля этого напряжения. При U/f-регулировании частота и напряжение выступают как два управляющих воздействия, которые обычно регулируются совместно. При этом частота принимается за независимое воздействие, а значение напряжения при данной частоте определяется исходя из того, как должен изменяться вид механических характеристик привода при изменении частоты, т.е., из того, как должен меняться в зависимости от частоты критический момент. Для реализации такого закона регулирования необходимо обеспечить постоянство соотношения U/f=const, где U-напряжение на статоре, а f-частота напряжения статора.
При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.
К законам U/f-регулирования можно отнести законы, связывающие величины и частоты питающего двигатель напряжения (U/f=const, U/f2=const и другие). Их достоинством является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление используется для большинства практических случаев применения частотного электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя без использования датчика обратной связи до 1:40. Алгоритмы скалярного управления не позволяют реализовать контроль и управление вращающим моментом электродвигателя, а также режим позиционирования. Наиболее эффективная область применения данного способа управления: вентиляторы, насосы, конвейеры и т.д.

Векторное управление

Векторное управление – это метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующий гармонические токи и напряжения фаз (скалярное управление), но и обеспечивающий управление магнитным потоком двигателя. В основе векторного управления лежит представление о напряжениях, токах, потокосцеплениях, как о пространственных векторах.
Основные принципы были разработаны в 70-х годах 20 века. В результате фундаментальных теоретических исследований и успехов в области силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорных систем, на сегодняшний день, разработаны электроприводы с векторным управлением, которые серийно выпускаются производителями приводной техники всего мира.
При векторном управлении в асинхронном электроприводе в переходных процессах имеется возможность поддерживать постоянство потокосцепления ротора, в отличие от скалярного регулирования, где потокосцепление ротора в переходных процессах меняется при изменении токов статора и ротора, что приводит к снижению темпа изменения электромагнитного момента. В приводе с векторным управлением, где потокосцепление ротора можно поддерживать постоянным, электромагнитный момент изменяется так быстро, как быстро изменяется составляющая тока статора (аналогия с изменением момента при изменении тока якоря в машине постоянного тока).
При векторном управлении в звене управления подразумевается наличие математической модели регулируемого электропривода. Режимы векторного управления можно проклассифицировать следующим образом:
1. По точности математической модели электродвигателя, используемой в звене управления:
. Использование математической модели без дополнительных уточняющих измерений устройством управления параметров электродвигателя (используются лишь типовые данные двигателя, введенные пользователем);
Использование математической модели с дополнительными уточняющими измерениями устройством управления параметров электродвигателя, т.е. активных и реактивных сопротивлений статора/ротора, напряжения и тока двигателя.
2. По наличию или отсутствию обратной связи по скорости (датчика скорости) векторное управление можно разделить на:
Управление двигателем без обратной связи по скорости – при этом устройством управления используются данные математической модели двигателя и значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора;
Управление двигателем с обратной связью по скорости – при этом устройством используется не только значения, полученные при измерении тока статора и/или ротора электродвигателя (как в предыдущем случае), но и данные о скорости (положении) ротора от датчика, что в некоторых задачах управления позволяет повысить точность отработки электроприводом задания скорости (положения) .

К основным законам векторного управления можно отнести следующие:
а. Закон обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления статора ψ1 (соответствующее постоянству Евнеш /f).
б. Закон, обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления воздушного зазора ψ0 (постоянство Е/f);
в. Закон, обеспечивающий постоянство магнитного потокосцепления ротора ψ2 (постоянство Евнут/f).
Закон поддержания постоянства потокосцепления статора реализуется при поддержании постоянного отношения ЭДС статора к угловой частоте поля. Основной недостаток такого закона – пониженная перегрузочная способность двигателя при работе на высоких частотах. Обусловлено это увеличением индуктивного сопротивления статора и, следовательно, снижением потокосцепления в воздушном зазоре между статором и ротором при увеличении нагрузки.
Поддержание постоянства главного потока повышает перегрузочную способность двигателя, но усложняет аппаратную реализацию системы управления и требует либо изменений конструкции машины, либо наличия специальных датчиков.
При поддержании постоянного потокосцепления ротора, момент двигателя не имеет максимума, однако при увеличении нагрузки увеличивается главный магнитный поток, приводящий к насыщению магнитных цепей и, следовательно, к невозможности поддержания постоянства потокосцепления ротора.

Сравнительная оценка законов регулирования скорости асинхронным электроприводом изменением частоты напряжения на статоре

На рис.1 приведены результаты теоретических исследований энергетических показателей асинхронного двигателя мощностью Рн=18,5 кВт при различных законах частотного управления, которые проводились в работе В.С. Петрушина и к.т.н. А.А. Танькова «Энергетические показатели асинхронного двигателя в частотном электроприводе при различных законах управления». Там же даны результаты эксперимента, проведенного при испытании этого двигателя (закон частотного управления U/f = const). Двигатель работал на нагрузку с постоянным моментом 30,5 Нм в диапазоне скоростей 500 - 2930 об/мин.
Сопоставив полученные зависимости можно сделать вывод, что в зоне небольших скоростей при использовании законов управления второй группы КПД больше на 7-21%, а коэффициент мощности меньше на 3-7%. С увеличением скорости различия снижаются.

Рис.1. Изменение КПД (а) и cosφ (б) в диапазоне регулирования: 1 - экспериментальные зависимости; расчетные зависимости при разных законах управления: 2 - U/f = const, 3 - Евнеш /f = const, 4 - Е/f= const, 5 - Евнут /f= const.
Таким образом, законы векторного управления обеспечивают не только лучшее управление электроприводом в статических и динамических режимах, но и повышение КПД двигателя и, соответственно, всего привода. Однако все законы с поддержанием постоянства потокосцепления имеют свои определенные недостатки.
Общим недостатком законов с поддержанием постоянства потокосцепления являются: низкая надежность, обусловленная наличием датчиков, встраиваемых в двигатель, и потери в стали при работе двигателя с нагрузочным моментом меньше номинального. Эти потери вызваны необходимостью поддержания постоянного номинального потокосцепления в различных режимах работы.
Существенно повысить КПД двигателя можно путем регулирования магнитного потока статора (ротора) в зависимости от величины нагрузочного момента (скольжения). Недостатками такого управления являются низкие динамические характеристики привода, обусловленные большой величиной постоянной времени ротора, из-за чего магнитный поток машины восстанавливается с некоторой задержкой и сложность технической реализации системы управления.
На практике группа законов с постоянством магнитного потока получила распространение для динамичных электроприводов, работающих с постоянным моментом сопротивления на валу и с частыми ударными приложениями нагрузки. В то время как группа законов с регулированием магнитного потока в функции нагрузки на валу применяется для низкодинамичных электроприводов и для приводов с “вентиляторной” нагрузкой.

• Tutorial

- 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.

Принцип работы синхронной машины

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 I α и I β , создающие магнитные потоки по осям α и β соответственно. Суммарный вектор тока статора I s создает сонаправленый ему магнитный поток статора. Т.е. по сути I s 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 I s (положение ротора в этом случае показано пунктирной линией). Соответственно, если подать ток только в фазу α , скажем, I α = 1А, ротор встанет горизонтально, а если в β, вертикально, а если приложить I β = -1А то перевернется на 180 градусов. Если запитать ток I α по закону синуса, а I β 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 I s 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 М макс пропорциональна амплитуде приложенного вектора тока. Будет приложен 1А, получим, скажем, М макс = 1 Н∙м (ньютон*метр, единица измерения вращающего момента), если подадим 2А, получим М макс = 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.

Строим структуру векторного 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 α и 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 i α_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 U α . 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 U α . 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 i α_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 i α_зад и i β_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 объяснения «на пальцах» можно привести какую-нибудь аналогию.

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 ω взята из обработчика датчика положения ротора, так как ω это 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 I s , 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 I s 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

Виды датчиков положения

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.

Упрощение векторного управления

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 есть 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!

Заключение

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 .

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…

Теги: Добавить метки

Наиболее известный метод экономии энергии – сокращение частоты вращения электродвигателя переменного тока. Поскольку мощность пропорциональна кубу скорости вращения вала, то небольшое снижение скорости может привести к значительной экономии электричества. Насколько это актуально для производства, понимает каждый. Но как этого достичь? На этот и другие вопросы мы ответим, но прежде, поговорим о видах управления асинхронными двигателями.

Электрический привод переменного тока – это электромеханическая система, которая служит основой большинству технологических процессов. Важная роль в ней принадлежит преобразователю частоты (ПЧ), отвечающему заглавную «игру главной скрипки дуэта»–асинхронного двигателя (АД).

Немного элементарной физики

Со школьной скамьи мы имеем ясное представление о том, что напряжение – это разность потенциалов между двумя точками, а частота – это величина, равная количеству периодов, которые ток успевает пройти буквально за секунду.

В рамках технологического процесса часто приходится изменять рабочие параметры сети. Для этой цели существуют преобразователи частоты: скалярный и векторный. Почему их так называют? Начнём с того, что особенные черты каждого типа становятся понятными из их названия. Вспомним основы элементарной физики и позволим себе называть ПЧ для упрощения короче. «Векторник» имеет определённое направление и подчиняется правилам векторов. «Скалярник» ничего этого не имеет, поэтому алгоритм метода управления им, естественно, очень простой. С названиями, кажется, определились. Теперь о том, как различные физические величины из математических формул связаны между собой.

Помните, что как только скорость уменьшается, вращающий момент увеличивается и наоборот? Значит, чем больше вращение ротора, тем больший поток пойдет через статор, и, следовательно,будет наводиться большее напряжение.

Тоже самое лежит в принципе действия в рассматриваемых нами системах, только в«скалярнике» управляется магнитное поле статора, а в «векторнике»играет роль взаимодействие магнитных полей статора и ротора.В последнем случае технология позволяет улучшать технические параметры работы двигательной установки.

Технические различия преобразователей

Отличий существует много, выделим самые основные, и без научной паутины слов. У скалярного (бездатчикового) частотника зависимость U/F – линейная и диапазон скоростного регулирования довольно небольшой. Кстати сказать, поэтому на низких частотах недостаёт напряжения для поддержания крутящего момента, и приходится порой настраивать вольт-частотную характеристику (ВЧХ) под рабочие условия, то же самое происходит при максимальной частоте выше 50 Гц.

При вращении вала в широком скоростном и низкочастотном диапазоне, а также выполнении требований авторегулирования момента, используют метод векторного управления с обратной связью. В этом проявляется еще одно различие: у «скалярника» обычно такой обратной связи нет.

Какие же выбрать ЧП? В применении того или другого устройства, главным образом, руководствуются сферой использования электрического привода. Однако в особых случаях выбор типа преобразователя частоты становится безвариантным. Во-первых: есть явная, заметная разница в цене (скалярные стоят намного дешевле, нет надобности в дорогостоящих вычислительных ядрах). Поэтому удешевление производства порой перевешивает в принятии решения по выбору. Во-вторых: есть сферы применения, в которых возможно только их использование, к примеру, в конвейерных линиях, где несколько электродвигателей синхронно управляются от одного (ЧРП).

Скалярный метод

Асинхронный электропривод со скалярным управлением скоростью (т. е. по ВЧХ) так и остаётся по сегодняшнее время самым распространенным. В основе метода лежит то, что скорость двигателя является функцией выходной частоты.

Скалярное управление двигателями – оптимальный выбор для случаев, когда нет переменной нагрузки, и в хорошей динамике нет также потребности. Для работы «скалярника» не требуются какие-либо датчики. При использовании рассматриваемого метода, нет необходимости в дорогостоящем цифровом процессоре, как в случае с векторным управлением.

Метод часто применяется для автоуправления , вентиляторными, компрессорными и иными агрегатами.Здесь требуется, чтобы поддерживалась или скорость вращения вала движка с применением датчика, или иной заданный показатель (к примеру, температура жидкости, контролируемая по соответствующему прибору слежения).

При скалярном управлении частотно-амплитудное изменение напряжения питания определяется по формуле U/fn = const. Это позволяет обеспечить постоянный магнитный поток в двигателе. Способ достаточно простой, легко реализуется, но не без некоторых существенных недостатков:

• не представляется возможным одновременное регулирование моментом и скоростью, поэтому выбирается та величина, которая с технологической точки зрения самая значимая;
• узкий диапазон скоростного регулирования и низкий момент на малых скоростях;
• плохая работа с динамически изменяющейся нагрузкой.

А что собой представляет векторный метод?

Векторный метод

Он возник в процессе усовершенствования, и применяется при требовании реализовать максимальное быстродействие, регулирование в широком скоростном диапазоне и управляемость момента на валу.

В новейших моделях электрических приводов в систему управления (СУ) по этому типу внедряется математическая модель двигателя, которая способна рассчитать момент движка и скорость вращения вала. При этом требуется лишь установка датчиков тока фаз статора.

Сегодня обладают достаточным числом достоинств:

• высокая точность;
• без рывков, плавное вращение АД;
• широкий диапазон регулирования;
• быстрое реагирование на изменение нагрузки;
• обеспечение рабочего режима двигателя, при коем уменьшаются потери на нагрев и намагничивание, а это ведёт к заветному увеличению КПД!

Плюсы, безусловно, очевидны, но метод векторного управления не лишён и недостатков, таких, как вычислительная многосложность и потребность в знании технических показателей АД. Помимо этого, наблюдаются большие, чем у «скалярника», амплитуды скоростных колебаний при постоянной нагрузке. Главная задача при изготовлении частотного преобразователя(«векторника») – обеспечение высокого момента при небольшой скорости вращения.

Схема векторного СУ с блоком широтно-импульсной модуляции (АИН ШИМ) выглядит примерно так:

На изображённой схеме контролируемым объектом является асинхронный двигатель, имеющий связь с датчиком (ДС) на валу. Изображённые блоки – это в действительности звенья цепи СУ, реализуемой на контроллере. Блок БЗП задаёт значения переменных. Логические блоки (БРП) и (БВП) регулируют и вычисляют переменные уравнения. Сам контроллер и другая механическая часть системы находится в электрическом шкафу.

Вариант с частотным микроконтроллером

Частотный преобразователь тока/напряжения предназначен для плавного регулирования основных величин, а также других показателей работы оборудования. Он функционирует как «скалярник» и «векторник» одновременно, используя математические модели, запрограммированные во встроенном микроконтроллере. Последний монтируется в специальный щиток и является одним из узлов информационной сети системы автоматизации.

Блочный контроллер/преобразователь частоты последнее слово техники, в схеме с ними используют дросселя и , уменьшающие интенсивность входных помех. Надо отметить, что за рубежом данному вопросу уделяется особое внимание.В отечественной же практике использование ЕМС фильтров пока остаётся слабым звеном, так как даже не существует толковой нормативной базы. Сами фильтры у нас применяются чаще там, где они не нужны, и где они действительно необходимы, про них почему-то забывают.

Заключение

Дело в том, что электродвигателю в обычном режиме работы от сети свойственно иметь стандартные параметры, это не всегда приемлемо. Устраняется сей факт путём ввода различных редукторных механизмов для снижения частоты до необходимой. На сегодня сформировались две СУ: бездатчиковая и датчиковая система с обратной связью. Их основное отличие в точности контроля. Наиболее точная, конечно, вторая.

Существующие рамки расширяются с помощью использования разных современных СУ АД, обеспечивающих повышенное качество регулирования, высокую перегрузочную способность. Для рентабельного производства, продолжительности срока службы оборудования и экономичного расхода энергии эти факторы имеют большое значение.

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

Вопрос: На рынке представлены векторные и скалярные частотные преобразователи, причем

векторные ощутимо дороже. Каковы технические различия между ними?

Вопрос не так прост, чтобы ответить на него односложным образом. Сами по себе термины

"векторный" и "скалярный" являются неточными применительно к характеристике

частотных преобразователей. Поскольку речь идет по существу о параметре переменного

тока, то использование термина "скалярный" вообще недопустимо. Из курса элементарной

физики хорошо известно, что скалярная величина - это такая величина, каждое значение которой (в отличие от вектора) может быть выражено одним (действительным) числом,

вследствие чего совокупность значений скаляра можно изобразить на линейной шкале (скале - отсюда название). Длина, площадь, время, температура и т. д. - скалярные величины. Векторными величинами, или векторами, называют величины, имеющие и численное

значение, и направление. В этой связи разделение частотных преобразователей на скалярные

и векторные в принципе некорректно, и отражает стремление менеджеров торговых

компаний обосновать более высокие цены на один из типов преобразователей, якобы имеющий превосходство над другим.

Что касается технической стороны дела, она заключается в следующем.

Основным способом корректировки вращающего момента на валу электродвигателя является

изменение частоты и величины тока обмоток статора, что приводит к изменению силы его

вращающегося магнитного поля. Большинство частотных преобразователей устроены таким

образом, что дают возможность пользователю настроить характеристику выходных

электрических параметров под конкретный вид оборудования. Например, в зависимости от

величины момента инерции приводимого в движение оборудования можно придать

характеристике выходного тока преобразователя линейный, параболический или гиперболический вид.

Так, если необходимо стронуть с места тяжелую массу на приводимом в движение

транспортере, характеристике выходного тока следует придать гиперболический вид. Водяные насосы и вентиляторы желательно приводить в движение по параболической

кривой, что дает экономию электроэнергии. По этому алгоритму работают практически все

частотные преобразователи, называемые неправильным термином "скалярные", более точным названием которых было бы: "частотные преобразователи с предварительной настройкой частоты и величины выходного тока".

Другим эффективным средством повышения момента на валу электродвигателя является

использование 3-й гармоники выходного тока, вектор которой, как и кратных ей более

высоких гармоник, вращается в ту же сторону, что и вектор тока основной гармоники (50

Гц), т.е., имеет прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении

и имеют обратную последовательность. Общий ток нейтрали, вычисляемый по формуле:

управления параметрами выходного тока, а именно:

1) Преобразователи с предварительной настройкой параметров выходного тока .

Используются в большинстве общепромышленных приводов как с обратной связью по

контролю технологического параметра так и без нее, включая приводы насосов,

вентиляторов, конвейеров, транспортеров, экструдеров, в том числе одно- и многодвигательные системы.

2) Преобразователи с динамической настройкой параметров выходного тока . Используются в однодвигательных приводах высокоточного технологического

оборудования. Могут быть с обратной связью по контролю положения ротора двигателя и без нее. По точности и глубине регулирования скорости вращения несколько превосходят преобразователи первого типа, но значительно уступают сервоприводам.

Что касается проблемы в целом, следует иметь ввиду, что для решения конкретных задач в области управляемого привода применяются соответствующие электродвигатели со своими

системами управления - шаговые моторы с контроллерами, серводвигатели с контроллерами,

двигатели постоянного тока с контроллерами и, наконец, асинхронные и синхронные

электродвигатели с частотными преобразователями. Попытки создать универсальный привод

заведомо обречены на провал, поскольку конструктивные различия между приводами

слишком велики, а решаемые приводами задачи просто несопоставимы. Невозможно создать из асинхронного двигателя серводвигатель, а из синхронного шаговый, даже если встроить в него полсотни полюсов.

Что же делать? Все гениальное просто - достаточно правильно спроектировать привод с

учетом необходимого момента на валу в самом неблагоприятном диапазоне частот

вращения, а управление технологическим параметром поручить ПИД-регулятору, который имеется в большинстве скалярных преобразователей. автор статьи

большинстве современных т.н. "скалярных" преобразователей.