Применение частотных преобразователей в вентиляционных и насосных системах позволяет
Векторное и скалярное управление преобразователями частоты
Большая часть производимой в мире электрической энергии потребляется двигателями переменного тока. Управление частотой питающего напряжения и тока может снизить потребление энергии на 40-70% и повысить эффективность и производительность оборудования.
Выбор правильного метода управления – одна из основных задач проектировщика, правильное решение обеспечивает максимальный технический и экономический эффект. Давайте рассмотрим преимущества и недостатки скалярного управления.
Управление
Преобразователи частоты звена постоянного тока чаще всего используются в приводах двигателей до 1 кВ. Регулирование частоты напряжения в таких устройствах достигается за счет изменения циклов открытия/закрытия транзисторных ключей путем изменения длительности управляющих импульсов широтно-импульсного модулятора ШИМ.
Различают два типа контроля:
- Вектор.
- Скаляр.
Первый метод основан на взаимосвязи между величиной, частотой и фазой напряжения питания двигателя. Этот метод позволяет регулировать частоту вращения вала в широком диапазоне, контролировать крутящий момент, обеспечивать жесткость механических характеристик во всем диапазоне частот, осуществлять пуск при значительной нагрузке.
Однако этот метод имеет свои недостатки. Основным недостатком является высокая вычислительная сложность. Векторные преобразователи частоты оснащаются высокопроизводительными контроллерами, что приводит к значительному увеличению стоимости преобразователя частоты. Такие устройства используются в приводах динамически нагруженных механизмов, подъемных устройств, прецизионных станков и т.д.
Принцип скалярного или вольт-частотного регулирования заключается в поддержании постоянного значения U/f (скалярной величины и частоты напряжения питания) при любой угловой скорости вращения вала. Контролируется только величина и фаза напряжения на выходе преобразователя частоты. Давайте подробнее рассмотрим принцип работы и типы скалярного управления.
Типы скалярного управления
Поддержание постоянного значения U/f обеспечивает относительно постоянный магнитный поток в зазоре двигателя. Если отношение напряжение/частота увеличивается, двигатель переходит в перевозбужденное состояние, если уменьшается, электрическая машина переходит в невозбужденное состояние.
Отношение U/f рассчитывается на основе номинального напряжения и частоты двигателя, фаза не учитывается, поэтому вычислительная сложность для ШИМ-контроллера невелика. Скалярные инверторы оснащены простыми контроллерами.
Существует 2 метода скалярного управления:
- Без обратной связи.
- С обратной связью по скорости вращения вала.
Вольт-частотный метод без обратной связи широко используется в системах управления асинхронными двигателями, в приводах с постоянной нагрузкой.
Благодаря простой конструкции без преобразователей обратной связи, низким требованиям к вычислительным возможностям блока управления, относительно низкой стоимости, такие преобразователи частоты широко используются в простых приводах. Скалярный метод позволяет реализовать групповое управление электродвигателями одного типа с одновременным запуском и остановкой.
Вольт-частотное управление с энкодером (датчиком скорости или вращения) значительно расширяет возможности этого метода. В этом случае значение U/f сохраняется на разных скоростях.
При увеличении угловой скорости вращения вала напряжение на обмотке статора двигателя также должно увеличиваться. Однако в асинхронных машинах скорость вращения магнитного поля статора не совпадает со скоростью вращения вала. Скольжение в этом случае зависит от нагрузки. Чтобы компенсировать проскальзывание, в цепь привода добавляется датчик скорости или энкодер. Обратная связь позволяет увеличить точность измерения скорости до 0,03%. Поэтому скалярное управление с помощью энкодера может устранить недостаточную точность регулирования угловой частоты вала.
Недостатками этого метода являются сложность системы и необходимость установки и настройки энкодера.
Преимущества и недостатки метода скалярного управления
Основным преимуществом вольтовых преобразователей частоты является их простота и низкая стоимость. Цена таких устройств значительно ниже, чем у векторных инверторов. Нет необходимости устанавливать датчик частоты вращения вала в цепях управления. Конфигурирование скалярного преобразователя частоты также намного проще. Такие устройства также позволяют управлять несколькими электродвигателями.
Недостатком вольт-частотного регулирования является зависимость скорости вращения вала от нагрузки. Без обратной скорости невозможно компенсировать проскальзывание ротора. Также невозможно одновременно контролировать скорость вращения вала и крутящий момент. Скалярные инверторы также не обладают высокой перегрузочной способностью. Другим существенным недостатком является потеря жесткости механических характеристик на низких скоростях.
Сфера применения
Несмотря на усовершенствования в области векторного управления, скалярные преобразователи частоты все еще широко используются. Они используются в электроприводах различного назначения с постоянной или изменяющейся по известному закону нагрузкой.
Использование ЧРП в вентиляционном и насосном оборудовании позволяет:
- Для регулирования потока воздуха или давления и потока жидкости без необходимости использования механических демпферов и задвижек.
- Плавный пуск и остановка без риска гидравлического удара по системе.
- Автоматическое исключение резонансных частот при управлении вентиляционными установками.
Скалярные преобразователи могут использоваться для задания режимов работы насосного оборудования или воздуходувок в соответствии с известными законами управления.
Установка преобразователей частоты в приводах машин:
- Кинематическая схема значительно упрощена, частотное управление позволяет обойтись без приводных передаточных механизмов.
- Это повышает точность обработки и, благодаря точной настройке скорости, значительно снижает количество дефектов.
Преобразователи частоты снижают производственные затраты за счет снижения затрат на электроэнергию.
Преобразователи частоты также устанавливаются на двигатели конвейеров и других питателей. Это позволяет:
- Точная настройка скорости движения, адаптированная к конкретному процессу.
- Остановитесь в случае аварии.
- Устраняет толчки и рывки при старте, движении и остановке.
Преобразователи частоты снижают износ механических компонентов транспортирующего оборудования и позволяют устанавливать автоматические режимы управления в соответствии с особенностями производственного процесса.
Векторное управление позволяет значительно увеличить диапазон регулирования, точность управления, повысить скорость работы электропривода. Этот метод обеспечивает прямое управление крутящим моментом двигателя.
Методы управления асинхронным двигателем.
Компания “Русэлком” производит и поставляет преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями. Поэтому, чтобы понять принцип частотного регулирования, давайте подробнее рассмотрим работу асинхронного двигателя и методы частотного регулирования.
Структура асинхронного двигателя схематично показана на рис. 2. Двигатель состоит из неподвижной части, называемой статором, и подвижной (вращающейся) части, называемой ротором.
Три группы обмоток A-B-C размещаются в пазах статора. Обмотки статора смещены друг относительно друга в пространстве на угол 120°. Это одно из двух условий, необходимых для создания вращающегося магнитного поля статора.
Ротор двигателя выполнен в виде сплошного цилиндра из специальной электротехнической стали, с закороченными обмотками.
Рис.2: Схематическое сечение асинхронного двигателя.
Обмотки статора питаются трехфазным напряжением qa, qc, qs от сети с частотой
Напряжения ua, tsv, tsc сдвинуты по фазе относительно друг друга на 120°. Это второе условие, необходимое для создания вращающегося магнитного поля статора.
Когда на обмотки статора электродвигателя подается трехфазное напряжение с определенной частотой, возникает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля в радианах дается известной формулой
– число пар полюсов статора.
Преобразование скорости вращения поля, измеряемой в радианах, в скорость вращения, выраженную в оборотах в минуту, производится по следующей формуле
где 60 – коэффициент пересчета размеров.
Подставляя в это уравнение скорость вращения поля, получаем
Из формулы видно, что скорость вращения магнитного поля статора зависит от частоты питающего напряжения и количества пар полюсов.
Например, в однополюсном двигателе с частотой питающего напряжения 50 Гц скорость вращения магнитного поля составляет 3000 об/мин.
В синхронном электродвигателе скорость вращения ротора в установившемся режиме равна скорости вращения магнитного поля статора
В асинхронном электродвигателе скорость вращения ротора в установившемся режиме отличается от скорости вращения статора на величину скольжения. В примере однополюсного асинхронного двигателя скорость вращения ротора при напряжении питания 50 Гц и скольжении 5% составляет 2850 об/мин.
Поэтому скорость вращения ротора синхронных и асинхронных двигателей зависит от частоты питающего напряжения.
На этом основан принцип регулирования частоты.
Изменение частоты с помощью преобразователя частоты