Każda zmiana lub utrzymanie stałej prędkości obrotowej napędu elektrycznego zapewnia ukierunkowaną regulację momentu obrotowego wytwarzanego przez silnik. Moment powstaje w wyniku oddziaływania strumienia (sprzężenia strumieniowego) wytwarzanego przez jedną część silnika z prądem w drugiej części i jest określony przez iloczyn wektorowy tych dwóch przestrzennych wektorów generujących moment. Dlatego wielkość momentu rozwijanego przez silnik jest określona przez moduły każdego wektora i kąt przestrzenny między nimi.
Podczas budowania Skalarne systemy sterowania kontrolowano i regulowano jedynie wartości liczbowe (moduły) wektorów tworzących momenty, ale nie kontrolowano ich położenia przestrzennego. Zasada sterowania wektorowego polega na tym, że układ sterowania steruje wartością liczbową i położeniem w przestrzeni względem siebie wektorów tworzących momenty. Stąd zadaniem sterowania wektorowego jest wyznaczenie i wymuszenie chwilowych wartości prądów w uzwojeniach silnika w taki sposób, aby uogólnione wektory prądów i strumieni strumieniowych zajmowały pozycję w przestrzeni zapewniającą wytworzenie wymaganego momentu elektromagnetycznego .
Moment elektromagnetyczny generowany przez silnik:
gdzie m jest współczynnikiem projektowym; , 2 - przestrzenny
wektory prądów lub połączeń strumieniowych tworzących moment; X- kąt przestrzenny między wektorami generującymi momenty.
Jak wynika z (6.53), minimalne wartości prądów (połączeń strumienia), które tworzą moment, będą dla wymaganej wartości momentu, jeśli wektory X i 2 są do siebie prostopadłe, tj. X = °.
W układach sterowania wektorowego nie ma potrzeby wyznaczania bezwzględnego położenia przestrzennego wektorów i 2 względem osi stojana lub wirnika. Konieczne jest określenie położenia jednego wektora względem drugiego. Dlatego jeden z wektorów jest traktowany jako baza, a pozycja drugiego kontroluje kąt X.
Na tej podstawie przy konstruowaniu układów sterowania wektorowego wskazane jest przejście od opisu matematycznego procesów elektromagnetycznych i elektromechanicznych wyrażonych we współrzędnych powiązanych z wektorem bazowym (współrzędne I- v). Taki opis matematyczny podany jest w § 1.6.
Jeśli weźmiemy jako wektor bazowy i skierujemy oś współrzędnych I wzdłuż tego wektora, to na podstawie (1.46) otrzymujemy następujący układ równań:
w tych równaniach? v = , ponieważ wektor pokrywa się z osią współrzędnych I.
na ryc. 6.31 przedstawia diagram wektorowy prądów i strumieni w osiach I- v ^ orientacja współrzędnych I zgodnie z wektorem strumienia wirnika. Z diagramu wektorowego wynika, że
Ryż. B.31. Schemat wektorowy połączeń strumienia i prądów w osiach u-v Na M
Ze stałością (lub powolną zmianą) n wirnik otosprzęgający d "V u / dt \u003d w wyniku ja i = I Г = yji u + ja v = ja w
W tym przypadku wektor prądu wirnika G prostopadle do połączenia strumienia wirnika. Ponieważ strumień wycieku wirnika 0 jest znacznie mniejszy niż strumień w szczelinie maszyny H, t wtedy przy stałym sprzężeniu strumienia wirnika możemy założyć, że rzut wektora prądu stojana na oś współrzędnych v ja w jest równe |/"| lub /
Zaletą przyjętego układu współrzędnych u-v do zbudowania układu sterowania wektorowego momentem obrotowym i prędkością silnika indukcyjnego polega na tym, że moment obrotowy silnika (6.54) definiuje się jako iloczyn skalarny dwóch wzajemnie prostopadłych wektorów: sprzężenia strumienia wirnika * P i składowej czynnej prądu stojana Taka definicja momentu obrotowego, typowa np. dla silników prądu stałego o wzbudzeniu niezależnym, jest najwygodniejsza do budowy układu automatyki.
System sterowania wektorowego. Schemat blokowy takiego zarządzania jest zbudowany w oparciu o następujące zasady:
- ? dwukanałowy układ sterowania składa się z kanału do stabilizacji powiązania strumienia wirnika oraz kanału do sterowania prędkością (momentem obrotowym);
- ? oba kanały muszą być niezależne, tj. zmiana regulowanych wartości jednego kanału nie powinna wpływać na drugi;
- ? kanał sterowania prędkością (momentem obrotowym) steruje składową prądu stojana / v . Algorytm działania pętli sterowania momentem obrotowym jest taki sam jak w układach podrzędnej regulacji prędkości silników prądu stałego (patrz § 5.6) – sygnał wyjściowy regulatora prędkości jest sygnałem odniesienia dla momentu silnika. Dzieląc wartość tego zadania przez moduł sprzężenia strumienia wirnika I otrzymujemy zadanie dla składowej prądu stojana I v (ryc. 6.32);
- ? każdy kanał zawiera wewnętrzną pętlę prądów / v i ja i z obecnymi organami regulacyjnymi, które zapewniają niezbędną jakość regulacji;
- ? otrzymane aktualne wartości I v i ja i poprzez przekształcenia współrzędnych są przekładane na wartości ja i / p dwufazowego stałego układu współrzędnych a - (3 a następnie przy ustawianiu rzeczywistych prądów w uzwojeniach stojana w trójfazowym układzie współrzędnych ABC;
- ? sygnały prędkości, kąta obrotu wirnika, prądów w uzwojeniach stojana niezbędne do obliczeń i tworzenia sprzężeń zwrotnych są mierzone przez odpowiednie czujniki, a następnie za pomocą odwrotnych przekształceń współrzędnych są przekształcane na wartości tych wielkości odpowiadające osiom współrzędnych u-v.
Ryż.
Taki układ sterowania zapewnia szybkie sterowanie momentem obrotowym, a co za tym idzie prędkością w możliwie najszerszym zakresie (ponad 10 000:1). W takim przypadku chwilowe wartości momentu silnika asynchronicznego mogą znacznie przekroczyć wartość paszportową momentu krytycznego.
Aby kanały sterujące były od siebie niezależne, konieczne jest wprowadzenie na wejście każdego kanału sygnałów kompensacji krzyżowej e K0MPU i e compm (patrz rys. 6.32). Wartość tych sygnałów można znaleźć z równań obwodu stojana (6.54). Wyrażając i CHK 1y w kategoriach odpowiednich prądów i indukcyjności (1.4) i biorąc pod uwagę, że gdy oś jest zorientowana I wzdłuż wektora sprzężenia strumienia wirnika H / |y = 0 otrzymujemy:
Gdzie znajdziemy
Gdzie współczynnik rozpraszania.
Podstawiając (6.55) do (6.54) i uwzględniając to w rozważanym układzie sterowania re x V 2u /dt = 0, otrzymujemy
Lub 
nowe stałe czasowe; e ja ja e v - EMF obrotu wzdłuż osi u-w
Aby ustawić niezależne ilości ja i i /v musi być przesunięty ei I e v wprowadzając naprężenia kompensacyjne:
Do realizacji zasad sterowania wektorowego niezbędny jest bezpośredni pomiar lub obliczenie (oszacowanie) modułu i położenia kątowego wektora sprzężenia strumienia wirnika z wykorzystaniem modelu matematycznego. Schemat funkcjonalny sterowania wektorowego silnika asynchronicznego z bezpośrednim pomiarem przepływu w szczelinie powietrznej maszyny za pomocą czujników Halla przedstawiono na rys. 6.33.
Ryż. B.33. Schemat funkcjonalny bezpośredniego sterowania wektorowego silnika indukcyjnego
Schemat zawiera dwa kanały sterujące: kanał sterujący (stabilizacyjny) sprzężenia strumienia wirnika *P 2 oraz kanał sterujący prędkością. Pierwszy kanał zawiera zewnętrzną pętlę sprzężenia strumienia wirnika, zawierającą regulator strumienia RP PI oraz sprzężenie zwrotne strumienia, którego sygnał jest tworzony za pomocą czujników Halla mierzących przepływ w szczelinie maszyny X? T wzdłuż osi ai(3. Rzeczywiste wartości przepływu są następnie przeliczane w bloku PP na wartości sprzężenia strumienia wirnika wzdłuż osi a i p i za pomocą filtra wektorowego VF moduł zostaje znaleziony wektor strumienia wirnika, który jest podawany jako ujemny sygnał sprzężenia zwrotnego do kontrolera sprzężenia strumienia RP i jest używany jako dzielnik w kanale sterowania prędkością.
W pierwszym kanale wewnętrzny obwód prądowy podporządkowany jest obwodowi sprzężenia strumienia ja i, zawierający regulator prądu PI RT1 i sprzężenie zwrotne o rzeczywistej wartości prądu / 1i, wyliczonej z rzeczywistych wartości prądów faz stojana za pomocą przetwornika faz PF2 i przetwornika współrzędnych KP1. Wyjście regulatora prądu RT1 jest napięciem odniesienia Ulu, do którego dodawany jest sygnał kompensacji drugiego kanału e kshpi(6,57). Wynikowy sygnał napięcia odniesienia jest przetwarzany za pomocą przetwornic współrzędnych KP2 i faz PF2 na określone wartości i fazy napięcia na wyjściu przetwornicy częstotliwości.
Kanał sterowania sprzężeniem strumienia wirnika zapewnia, że sprzężenie strumienia H* 2 pozostaje stałe we wszystkich trybach pracy napędu na poziomie wartości zadanej x P 2set. Jeśli konieczne jest osłabienie pola, F*^ może zmieniać się w pewnych granicach z niewielką szybkością zmian.
Drugi kanał przeznaczony jest do sterowania prędkością (momentem obrotowym) silnika. Zawiera zewnętrzny obwód prędkości i podporządkowany mu wewnętrzny obwód prądu /y. Wartość zadana prędkości pochodzi z generatora intensywności RFG, który określa przyspieszenie i wymaganą wartość prędkości. Sprzężenie zwrotne prędkości jest realizowane za pomocą czujnika prędkości DS lub czujnika położenia kątowego wirnika.
Sterownik prędkości PC przyjmuje proporcjonalną lub proporcjonalno-całkową w zależności od wymagań dla napędu elektrycznego. Wyjście regulatora obrotów jest zadaniem na chwilę obecną opracowanym przez silnik L/as. Ponieważ moment jest równy iloczynowi prądu i sprzężenia strumienia wirnika H / 2, to dzieląc wartość momentu obrotowego ustawionego w bloku podziału DB M tył na H / 2 otrzymujemy wartość bieżącego odniesienia, która jest podawana na wejście regulatora prądu RT2. Dalsza obróbka sygnału przebiega podobnie jak w przypadku pierwszego kanału. W rezultacie otrzymujemy zadanie dla napięcia zasilania silnika według faz, które określa wartość i położenie przestrzenne w każdym momencie czasu uogólnionego wektora napięcia stojana!? Należy zauważyć, że sygnały związane ze zmiennymi we współrzędnych - są sygnałami prądu stałego, a sygnały odzwierciedlające prądy i napięcia we współrzędnych powietrznych są sygnałami prądu przemiennego, które określają nie tylko moduł, ale także częstotliwość i fazę odpowiedniego napięcia i prądu.
Rozważany układ sterowania wektorowego realizowany jest obecnie w postaci cyfrowej w oparciu o mikroprocesory. Opracowano i szeroko stosuje się różne schematy blokowe sterowania wektorowego, różniące się szczegółami od rozważanego. Tak więc obecnie rzeczywiste wartości sprzężeń strumienia nie są mierzone przez czujniki strumienia magnetycznego, ale są obliczane za pomocą modelu matematycznego silnika, na podstawie zmierzonych prądów i napięć fazowych.
Ogólnie sterowanie wektorowe można ocenić jako najbardziej efektywny sposób sterowania silnikami prądu przemiennego, zapewniający dużą dokładność i szybkość sterowania.
sterowanie wektorowe
sterowanie wektorowe jest metodą sterowania silnikami synchronicznymi asynchronicznymi, która nie tylko generuje prądy harmoniczne (napięcia) faz (sterowanie skalarne), ale także zapewnia sterowanie strumieniem magnetycznym wirnika. Pierwsze implementacje zasady sterowania wektorowego i algorytmów o zwiększonej dokładności wymagają zastosowania czujników położenia (prędkości) wirnika.
Ogólnie pod sterowanie wektorowe„ rozumiana jest jako oddziaływanie urządzenia sterującego z tzw. „wektorem przestrzennym”, który wiruje z częstotliwością pola motorycznego.
Aparat matematyczny sterowania wektorowego
Fundacja Wikimedia. 2010 .
Zobacz, czym jest „Kontrola wektorowa” w innych słownikach:
Kalka z nim. regelung wektora. Sposób sterowania prędkością obrotową i/lub momentem obrotowym silnika elektrycznego poprzez oddziaływanie przekształtnika napędu elektrycznego na składowe wektorowe prądu stojana silnika elektrycznego. W literaturze rosyjskojęzycznej w ... Wikipedii
Rozwiązanie problemu sterowania optymalnego z teorii matematycznej, w którym działanie sterujące u=u(t) tworzy się w funkcji czasu (zakłada się tym samym, że w trakcie procesu nie ma żadnej informacji poza tą podaną na samym początku , wchodzi do systemu ... ... Encyklopedia matematyczna
- (napęd sterowany częstotliwością, VFD, napęd o zmiennej częstotliwości, VFD) układ sterowania prędkością obrotową wirnika asynchronicznego (lub synchronicznego) silnika elektrycznego. Składa się z właściwego silnika i przetwornicy częstotliwości... Wikipedia
Ten termin ma inne znaczenie, patrz CNC (znaczenia). Proponuje się połączenie tej strony z CNC. Wyjaśnienie przyczyn i dyskusja na stronie Wikipedii: Do zjednoczenia / 25 f ... Wikipedia
Stojan i wirnik maszyny indukcyjnej 0,75 kW, 1420 obr./min, 50 Hz, 230 400 V, 3,4 2,0 A Maszyna indukcyjna to maszyna elektryczna prądu przemiennego ... Wikipedia
- (DPR) część silnika elektrycznego. W kolektorowych silnikach elektrycznych czujnikiem położenia wirnika jest zespół szczotka-kolektor, który jest jednocześnie wyłącznikiem prądu. W silnikach bezszczotkowych czujnik położenia wirnika może być różnego typu... Wikipedia
DS3 DS3 010 Podstawowe dane Kraj budowy ... Wikipedia
Maszyna asynchroniczna to maszyna elektryczna prądu przemiennego, której prędkość wirnika nie jest równa (mniej niż) prędkości obrotowej pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd uzwojenia stojana. Maszyny asynchroniczne to najczęstsze elektryczne ... ... Wikipedia
- Co to jest sterowanie wektorowe?
- Utrzymuj prąd pod kątem 90 stopni.
Termin „sterowanie wektorowe” silników elektrycznych jest znany każdemu, kto przynajmniej w jakiś sposób interesuje się pytaniem, jak sterować silnikiem prądu przemiennego za pomocą mikrokontrolera. Jednak zwykle w każdej książce o napędach elektrycznych rozdział o sterowaniu wektorowym znajduje się gdzieś pod koniec i składa się z kilku włochatych formuł z odniesieniami do wszystkich innych rozdziałów książki. Dlaczego w ogóle nie chcą zrozumieć tego problemu. I nawet najprostsze wyjaśnienia wciąż znajdują drogę przez równania równowagi różniczkowej, diagramy wektorowe i kilka innych matematyki. Z jakiego powodu są w przybliżeniu takie próby obrócenia silnika bez użycia mat.chasti. Ale w rzeczywistości sterowanie wektorowe jest bardzo proste, jeśli rozumiesz zasadę jego działania „na palcach”. I tam będzie fajniej radzić sobie z formułami, jeśli to konieczne.
Zasada działania maszyny synchronicznej
Rozważ zasadę działania najprostszego silnika prądu przemiennego - maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi. Wygodnym przykładem jest kompas: jego igła magnetyczna jest wirnikiem maszyny synchronicznej, a pole magnetyczne Ziemi jest polem magnetycznym stojana. Bez zewnętrznego obciążenia (a nie ma go w kompasie, z wyjątkiem tarcia i cieczy tłumiącej drgania strzały), wirnik jest zawsze zorientowany wzdłuż pola stojana. Jeśli trzymamy kompas i obracamy pod nim Ziemię, strzała zakręci się za nim, wykonując pracę polegającą na mieszaniu cieczy wewnątrz kompasu. Ale jest nieco prostszy sposób - możesz wziąć magnes zewnętrzny, na przykład w postaci pręta z biegunami na końcach, którego pole jest znacznie silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi, przynieś go do kompasu z góry i obróć magnes. Strzałka będzie podążać za wirującym polem magnetycznym. W prawdziwym silniku synchronicznym pole stojana jest tworzone przez elektromagnesy - cewki przewodzące prąd. Schematy uzwojeń są tam złożone, ale zasada jest ta sama - tworzą ze stojanem pole magnetyczne skierowane we właściwym kierunku i mające odpowiednią amplitudę. Spójrzmy na poniższy rysunek (Rysunek 1). W środku znajduje się magnes – wirnik silnika synchronicznego („igła” kompasu), a po bokach dwa elektromagnesy – cewki, z których każdy wytwarza własne pole magnetyczne, jeden w osi pionowej, drugi w poziomy.
Rysunek 1. Zasada działania synchronicznej maszyny elektrycznej
Strumień magnetyczny cewki jest proporcjonalny do prądu w niej (w pierwszym przybliżeniu). Interesować nas będzie strumień magnetyczny ze stojana w miejscu, w którym znajduje się wirnik, tj. w środku figury (pomijamy efekty krawędziowe, rozpraszanie i wszystko inne). Strumienie magnetyczne dwóch prostopadłych cewek są dodawane wektorowo, tworząc jeden wspólny strumień do interakcji z wirnikiem. Ale ponieważ strumień jest proporcjonalny do prądu w cewce, wygodnie jest narysować wektory prądu bezpośrednio, dopasowując je do strumienia. Rysunek pokazuje niektóre prądy Iα I Iβ, które wytwarzają strumienie magnetyczne wzdłuż odpowiednio osi α i β. Całkowity wektor prądu stojana Jest tworzy współkierunkowy strumień magnetyczny stojana. Te. W rzeczywistości Jest symbolizuje zewnętrzny magnes, który przynieśliśmy do kompasu, ale stworzony przez elektromagnesy - cewki z prądem.
Na rysunku wirnik znajduje się w dowolnym położeniu, ale z tego położenia wirnik będzie miał tendencję do obracania się zgodnie ze strumieniem magnetycznym stojana, tj. według wektora Jest(położenie wirnika w tym przypadku jest pokazane linią przerywaną). Odpowiednio, jeśli prąd jest stosowany tylko do fazy α
, mowić Iα\u003d 1A, wirnik będzie stał poziomo, a jeśli w β, pionowo, a jeśli zastosujesz Iβ= -1A to obróci się o 180 stopni. Jeśli dostarczasz prąd Iα zgodnie z prawem sinusa i Iβ zgodnie z cosinusowym prawem czasu powstanie wirujące pole magnetyczne. Wirnik będzie podążał za nim i obracał się (podobnie jak igła kompasu podąża za obrotem magnesu ręką). Jest to podstawowa zasada działania maszyny synchronicznej, w tym przypadku dwufazowej z jedną parą plusów.
Narysujmy wykres momentu obrotowego silnika w zależności od położenia kątowego wału wirnika i wektora prądu Jest stojan - charakterystyka kątowa silnika synchronicznego. Zależność ta ma charakter sinusoidalny (Rysunek 2).
Rysunek 2. Charakterystyka kątowa maszyny synchronicznej (w przeszłości istnieje pewne zamieszanie ze znakami momentu i kąta, dlatego często rysuje się charakterystykę odwróconą względem osi poziomej).
Aby uzyskać ten wykres w praktyce, możesz umieścić czujnik momentu obrotowego na wale wirnika, a następnie włączyć dowolny wektor prądu, na przykład po prostu przyłożyć prąd do fazy α. Wirnik obróci się do odpowiedniej pozycji, którą należy przyjąć jako zero. Następnie za pomocą czujnika momentu obrotowego „rękami” należy obrócić wirnik, ustalając kąt na wykresie w każdym punkcie θ , którą obrócili, i moment, który pokazał czujnik. Te. musisz rozciągnąć "sprężynę magnetyczną" silnika przez czujnik momentu obrotowego. Największy moment będzie pod kątem 90 stopni od bieżącego wektora (od początku). Amplituda wypadkowego maksymalnego momentu obrotowego Mmax jest proporcjonalna do amplitudy przyłożonego wektora prądu. Jeśli zastosujemy 1A, otrzymamy, powiedzmy, Mmax = 1 N∙m (niuton * metr, jednostka momentu obrotowego), jeśli zastosujemy 2A, otrzymamy Mmax = 2 N∙m.
Z tej charakterystyki wynika, że silnik rozwija największy moment obrotowy, gdy wirnik jest ustawiony pod kątem 90° do wektora prądu. Ponieważ tworząc układ sterowania na mikrokontrolerze, chcemy uzyskać maksymalny moment obrotowy z silnika przy minimalnych stratach, a straty to przede wszystkim prąd w uzwojeniach, najbardziej racjonalne jest ustawienie wektora prądu zawsze pod kątem 90° do pola magnetycznego wirnika, tj. prostopadle do magnesu na rysunku 1. Trzeba zmienić wszystko na odwrót - nie wirnik idzie do ustawionego przez nas wektora prądu, ale zawsze ustawiamy wektor prądu pod kątem 90 ° do wirnika, bez względu na to, jak się tam obraca , tj. „przybić” bieżący wektor do wirnika. Za pomocą amplitudy prądu będziemy regulować moment silnika. Im większa amplituda, tym wyższy moment. A częstotliwość obrotów, częstotliwość prądu w uzwojeniach nie jest już „naszą” sprawą - co się stanie, jak wirnik będzie się obracał, tak będzie - kontrolujemy moment na wale. Co dziwne, nazywa się to sterowaniem wektorowym - kiedy sterujemy wektorem prądu stojana tak, aby znajdował się pod kątem 90 ° do pola magnetycznego wirnika. Chociaż niektóre podręczniki podają szersze definicje, aż do takich, że sterowanie wektorowe jest ogólnie nazywane dowolnymi prawami sterowania, w których występują „wektory”, ale zwykle sterowanie wektorowe jest rozumiane jako powyższa metoda sterowania.
Budowa struktury sterowania wektorowego
Ale jak w praktyce osiąga się sterowanie wektorowe? Oczywiście najpierw musisz znać położenie wirnika, aby było coś do pomiaru 90 ° względem. Najłatwiej to zrobić, instalując czujnik położenia na wale wirnika. Następnie musisz dowiedzieć się, jak utworzyć wektor prądu, zachowując pożądane prądy w fazach α
I β
. Do silnika przykładamy napięcie, a nie prąd... Ale skoro chcemy coś podtrzymać to musimy to zmierzyć. Dlatego do sterowania wektorowego potrzebne są czujniki prądu fazowego. Następnie musisz złożyć strukturę sterowania wektorowego w postaci programu na mikrokontrolerze, który zrobi wszystko inne. Aby to wyjaśnienie nie wyglądało jak instrukcja „jak narysować sowę”, kontynuujmy nurkowanie.
Możesz utrzymywać prąd przez mikrokontroler za pomocą programowego regulatora prądu PI (proporcjonalno-całkującego) i PWM. Na przykład struktura regulatora prądu dla jednej fazy α jest pokazana poniżej (Rysunek 3).
Rysunek 3. Struktura sterowania pętlą prądową dla jednej fazy
Tutaj aktualne ustawienie i α_set- pewna stała, prąd jaki chcemy utrzymać dla tej fazy, np. 1A. Zadanie trafia do sumatora regulatora prądu, którego ujawnioną strukturę pokazano powyżej. Jeśli czytelnik nie wie, jak działa kontroler PI, to niestety, ah. Mogę polecić tylko niektóre z nich. Regulator prądu wyjściowego ustawia napięcie fazowe Uα. Napięcie jest dostarczane do bloku PWM, który oblicza cykle pracy (ustawienia porównawcze) dla timerów PWM mikrokontrolera, tworząc PWM na czteroklawiszowym falowniku mostkowym, aby utworzyć ten Uα. Algorytm może być inny np. dla dodatniego napięcia PWM prawy rack jest proporcjonalny do ustawionego napięcia, dolny przełącznik jest zamknięty po lewej, dla ujemnego PWM lewy, a dolny jest zamknięty na prawo. Nie zapomnij dodać martwego czasu! W rezultacie taka konstrukcja sprawia, że oprogramowanie jest „źródłem prądu” ze względu na źródło napięcia: ustawiamy potrzebną nam wartość i α_set, a dana struktura implementuje ją z określoną szybkością.
Dalej być może niektórzy czytelnicy już myśleli, że przed strukturą sterowania wektorowego sprawa jest błaha - trzeba umieścić po dwa regulatory prądu, dla każdej fazy regulatora i ułożyć na nich zadanie w zależności od kąta położenia wirnika czujnik (RPS), tj. m.in. zrób coś takiego jak ta struktura (Rysunek 4):
Rysunek 4. Niepoprawna (naiwna) struktura sterowania wektorowego
Nie możesz tego zrobić. Kiedy wirnik się obraca, zmienne i α_set I i β_set będzie sinusoidalny, tj. bieżące ustawienie regulatora będzie się cały czas zmieniać. Szybkość kontrolera nie jest nieskończona, dlatego po zmianie zadania nie od razu je realizuje. Jeśli zadanie ciągle się zmienia, to regulator będzie je cały czas doganiał, nigdy go nie osiągając. A wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika opóźnienie rzeczywistego prądu od zadanego będzie coraz większe, aż pożądany kąt 90 ° między prądem a magnesem wirnika przestanie być podobny do niego przy wszystko, a sterowanie wektorowe przestaje być takie. Dlatego robią to inaczej. Prawidłowa struktura jest następująca (Rysunek 5):
Rysunek 5. Struktura sterowania czujnikiem wektorowym dla dwufazowej maszyny synchronicznej
Dodano tu dwa bloki - BKP_1 i BKP_2: bloki przekształceń współrzędnych. Robią bardzo prostą rzecz: obracają wektor wejściowy o zadany kąt. Ponadto BPK_1 zmienia się na + ϴ i BKP_2 na - ϴ . Na tym polega cała różnica między nimi. W literaturze zagranicznej nazywane są przemianami parkowymi. BKP_2 dokonuje przekształceń współrzędnych dla prądów: od ustalonych osi α I β , przywiązany do stojana silnika, do osi obrotowych D I Q przywiązany do wirnika silnika (za pomocą kąta położenia wirnika ϴ ). A BKP_1 robi odwrotną transformację, od ustawienia napięcia wzdłuż osi D I Q dokonuje przejścia do osi α I β . Nie podaję wzorów do przekształcania współrzędnych, ale są one proste i bardzo łatwe do znalezienia. Właściwie nie ma nic bardziej skomplikowanego niż szkolna geometria (Rysunek 6):
Rysunek 6. Transformacje współrzędnych z osi stałych α i β, związanych ze stojanem silnika, na osie obrotowe D I Q przymocowany do rotora
Oznacza to, że zamiast „obracać” zadanie regulatorów (jak to było w poprzedniej konstrukcji), obracają się ich wejścia i wyjścia, a same regulatory działają w trybie statycznym: prądy D, Q a wyjścia regulatorów w stanie ustalonym są stałe. osie D I Q obracają się razem z wirnikiem (tak obraca je sygnał z czujnika położenia wirnika), natomiast kontroler osi Q reguluje dokładnie prąd, który na początku artykułu nazwałem „prostopadłym do pola wirnika”, czyli jest to prąd generujący moment obrotowy, a prąd D współkierowany z „magnesem wirnika”, więc go nie potrzebujemy i ustawiamy go na zero. Taka konstrukcja jest oszczędzona od wady pierwszej struktury - obecne regulatory nawet nie wiedzą, że coś gdzieś się kręci. Pracują w trybie statycznym: dostosowali każdy ze swoich prądów, osiągnęli określone napięcie - i tyle, nie uciekaj od nich jak wirnik, nawet o tym nie wiedzą: całą pracę wykonują jednostki transformacji współrzędnych na skręcaniu.
Aby wyjaśnić „na palcach”, możesz podać pewną analogię.
Dla ruchu liniowego niech to będzie np. autobus miejski. Cały czas przyspiesza, potem zwalnia, potem cofa się i ogólnie zachowuje się tak, jak chce: to jest wirnik silnika. Jesteście też w pobliskim samochodzie jadącym równolegle: waszym zadaniem jest być dokładnie na środku autobusu: „zachowajcie 90°”, jesteście obecnymi regulatorami. Jeśli autobus cały czas zmienia prędkość, ty również musisz odpowiednio zmieniać prędkość i cały czas ją śledzić. Ale teraz zróbmy dla ciebie „kontrolę wektorową”. Weszłaś do autobusu, stanęłaś na środku i chwyciłaś się poręczy – tak jak autobus, nie uciekaj, spokojnie poradzisz sobie z zadaniem „bycia w środku autobusu”. Podobnie regulatory prądu, „toczące się” w osiach obrotowych d, q wirnika, mają łatwe życie.
Powyższa struktura naprawdę działa i jest stosowana w nowoczesnych napędach elektrycznych. Tylko brakuje mu całej masy drobnych „ulepszeń”, bez których już się tego nie robi, takich jak kompensacja sprzężenia krzyżowego, różne ograniczenia, osłabienie pola itp. Ale podstawowa zasada jest taka.
A jeśli potrzebujesz regulować nie moment napędowy, ale nadal prędkość (według prawidłowej prędkości kątowej, prędkości obrotowej)? Cóż, potem wstawiliśmy kolejny kontroler PI - kontroler prędkości (RS). Na wejściu podajemy odniesienie prędkości, a na wyjściu odniesienie momentu obrotowego. Od prądu osi Q jest proporcjonalna do momentu obrotowego, można uprościć wyjście regulatora prędkości bezpośrednio na wejście regulatora prądu osi Q, w ten sposób (Rysunek 7):
Rysunek 7. Kontroler prędkości do sterowania wektorowego
Tutaj ZI jest regulatorem intensywności, płynnie zmienia swoją moc wyjściową, dzięki czemu silnik przyspiesza w żądanym tempie i nie jedzie z pełną mocą, dopóki prędkość nie zostanie ustawiona. Obecna prędkość ω
jest pobierany z uchwytu czujnika położenia wirnika, ponieważ ω
jest pochodną położenia kątowego ϴ
. Cóż, albo możesz po prostu wykryć czas między impulsami czujnika ...
Jak zrobić to samo dla silnika trójfazowego? Cóż, właściwie nic specjalnego, dokładamy kolejny blok i zmieniamy moduł PWM (rysunek 8).
Rysunek 8. Struktura sterowania czujnikiem wektorowym dla trójfazowej maszyny synchronicznej
Prądy trójfazowe, podobnie jak dwufazowe, służą jednemu celowi - stworzeniu wektora prądu stojana Jest, skierowany w pożądanym kierunku i mający pożądaną amplitudę. Dlatego prądy trójfazowe można po prostu przekształcić w dwufazowe, a następnie pozostawić ten sam układ sterowania, który został już zmontowany dla maszyny dwufazowej. W literaturze anglojęzycznej takie „przeliczenie” nazywa się transformacją Clarke'a (Edith Clarke to ona), w naszym przypadku - przemianami fazowymi. W strukturze na rysunku 8, odpowiednio, odbywa się to za pomocą bloku przemian fazowych. Wykonuje się je ponownie za pomocą szkolnego kursu geometrii (ryc. 9):
Rysunek 9. Przemiany fazowe – z trzech faz na dwie. Dla wygody przyjmujemy równość amplitudy wektora I s do amplitudy prądu w fazie
Myślę, że komentarze nie są potrzebne. Kilka słów o prądzie fazy C. Czujnika prądu tam nie trzeba stawiać, skoro trzy fazy silnika są połączone w gwiazdę, a zgodnie z prawem Kirchhoffa wszystko, co przepłynęło przez dwie fazy, musi płynąć z trzeciego (o ile oczywiście twój silnik ma pękniętą izolację, a połowa nie wyciekła gdzieś na karoserii), więc prąd fazy C jest obliczany jako skalarna suma prądów faz A i B z minus. Chociaż czasami instaluje się trzeci czujnik, aby zmniejszyć błąd pomiaru.
Potrzebujesz również kompletnej przeróbki modułu PWM. Zwykle w przypadku silników trójfazowych stosuje się trójfazowy falownik z sześcioma przełącznikami. Na rysunku napięcie odniesienia jest nadal odbierane w osiach dwufazowych. Wewnątrz modułu PWM, za pomocą odwrotnych transformacji fazowych, można to przekształcić na napięcia faz A, B, C, które muszą być w tym momencie przyłożone do silnika. Ale co dalej... Opcje są możliwe. Naiwna metoda polega na nadaniu każdemu stojakowi inwertera cyklu pracy proporcjonalnego do pożądanego napięcia plus 0,5. Nazywa się to sinusoidalnym PWM. Tę metodę zastosował autor w habrahabr.ru/post/128407. W tej metodzie wszystko jest w porządku, z wyjątkiem tego, że ta metoda nie wykorzysta przetwornicy napięcia - tj. maksymalne napięcie, które zostanie uzyskane, będzie mniejsze niż to, które można uzyskać, stosując bardziej zaawansowaną metodę PWM.
Policzmy. Pozwól sobie na klasyczną przetwornicę częstotliwości zasilaną z przemysłowej sieci trójfazowej 380V 50Hz. Tutaj 380 V jest liniowym (międzyfazowym) napięciem roboczym. Ponieważ w przetwornicy jest prostownik, wyprostuje to napięcie i na szynie DC będzie napięcie równe amplitudzie napięcia liniowego, tj. 380∙√2=540VDC (przynajmniej bez obciążenia). Jeżeli zastosujemy algorytm obliczeń sinusoidalnych w module PWM, to amplituda maksymalnego napięcia fazowego, jakie możemy uzyskać, będzie równa połowie napięcia na szynie DC, tj. 540/2=270V. Przeliczmy na fazę prądu: 270/√2=191V. A teraz do bieżącej liniowej: 191∙√3=330V. Teraz możemy porównać: my dostaliśmy 380V, a wyszło 330V... A więcej przy tego typu PWM jest niemożliwe. Aby rozwiązać ten problem, stosuje się tak zwany wektor typu PWM. W nim moc wyjściowa ponownie wyniesie 380 V (w idealnym przypadku, bez uwzględnienia wszystkich spadków napięcia). Vector PWM nie ma nic wspólnego z wektorowym sterowaniem silnika. Tyle tylko, że w jego uzasadnieniu znów użyto trochę szkolnej geometrii, dlatego nazywa się to wektorem. Jednak jego pracy nie da się wytłumaczyć na palcach, więc odsyłam czytelnika do książek (na końcu artykułu) lub do Wikipedii. Mogę również dać zdjęcie, które trochę wskazuje na różnicę w działaniu sinusoidalnego i wektorowego PWM (Rysunek 10):
Rysunek 10. Zmiana potencjałów fazowych dla skalarnego i wektorowego PWM
Rodzaje czujników położenia
Nawiasem mówiąc, jakie czujniki położenia są używane do sterowania wektorowego? Najczęściej stosowane są cztery typy czujników. Są to kwadraturowy enkoder inkrementalny, enkoder elementu Halla, enkoder pozycji bezwzględnej i enkoder Selsyn.
Enkoder kwadraturowy nie podaje bezwzględnego położenia wirnika - poprzez swoje impulsy pozwala jedynie określić, ile przebyłeś, ale nie dokąd i skąd (ponieważ początek i koniec są związane z położeniem magnesu wirnika). Dlatego nie nadaje się do samodzielnego sterowania wektorowego maszyny synchronicznej. Sytuację ratuje trochę jego znak odniesienia (indeks) - jest to jeden na obrót mechaniczny, jeśli go osiągniesz, wtedy znana będzie pozycja bezwzględna i już z niej możesz policzyć, ile przebyłeś z sygnałem kwadraturowym. Ale jak dostać się do tej etykiety na początku pracy? Ogólnie rzecz biorąc, nie zawsze jest to niewygodne.
Czujnik elementu Halla jest szorstkim czujnikiem. Wytwarza tylko kilka impulsów na obrót (w zależności od liczby elementów Halla, dla silników trójfazowych są to zwykle trzy, czyli sześć impulsów), pozwalając poznać położenie w wartościach bezwzględnych, ale z małą dokładnością. Dokładność jest zwykle wystarczająca do utrzymania kąta wektora prądu, aby silnik przynajmniej jechał do przodu, a nie do tyłu, ale moment obrotowy i prądy będą pulsować. Jeśli silnik nabrał rozpędu, to można zacząć programowo ekstrapolować sygnał z czujnika w czasie - tj. zbudować liniowo zmieniający się kąt z przybliżonego dyskretnego kąta. Odbywa się to w oparciu o założenie, że silnik obraca się z mniej więcej stałą prędkością, mniej więcej tak (Rysunek 11):
Rysunek 11. Działanie czujnika położenia na elementach Halla dla maszyny trójfazowej i ekstrapolacja jego sygnału
W serwomotorach często stosuje się kombinację enkodera i czujnika Halla. W takim przypadku możliwe jest wykonanie jednego modułu oprogramowania do ich przetwarzania, usuwając wady obu: ekstrapolację podanego powyżej kąta, ale nie na czas, ale na znaki z enkodera. Te. wewnątrz, od przodu do przodu czujnika Halla, działa enkoder, a każdy przód Halla wyraźnie inicjalizuje aktualną bezwzględną pozycję kątową. W takim przypadku tylko pierwszy ruch napędu będzie nieoptymalny (nie poniżej 90°), dopóki nie dotrze do jakiegoś przodu czujnika Halla. Osobnym problemem jest w tym przypadku przetwarzanie nieidealności obu czujników - symetrycznie i jednostajnie Elementy Halla są rzadko dostępne...
W jeszcze droższych zastosowaniach enkoder absolutny z cyfrowym interfejsem (enkoderem absolutnym), który natychmiast podaje pozycję bezwzględną i pozwala uniknąć opisanych powyżej problemów.
Jeśli silnik jest bardzo gorący, a także gdy wymagana jest zwiększona dokładność pomiaru kąta, użyj „analogowego” czujnik Selsyna(resolwer, transformator obrotowy). Jest to mała maszyna elektryczna używana jako czujnik. Wyobraźmy sobie, że w maszynie synchronicznej, którą rozważaliśmy na rysunku 1, zamiast magnesów znajduje się kolejna cewka, do której przykładamy sygnał o wysokiej częstotliwości. Jeśli wirnik jest poziomy, wówczas sygnał będzie indukowany tylko w fazowej cewce stojana α
, jeśli w pionie, to tylko w β
, jeśli obrócisz go o 180, wówczas faza sygnału zmieni się, aw pozycjach pośrednich jest indukowany tam iz powrotem zgodnie z prawem sinus / cosinus. Odpowiednio, mierząc amplitudę sygnału w dwóch cewkach, stosunek tej amplitudy i przesunięcia fazowego może również określić położenie. Instalując taką maszynę jako czujnik do głównej, możesz ustalić położenie wirnika.
Istnieje wiele bardziej egzotycznych czujników położenia, zwłaszcza do zastosowań o bardzo wysokiej precyzji, takich jak produkcja chipów elektronicznych. Tam wszelkie zjawiska fizyczne są już wykorzystywane w celu jak najdokładniejszego ustalenia pozycji. Nie będziemy ich rozważać.
Uproszczone sterowanie wektorowe
Jak rozumiesz, sterowanie wektorowe jest dość wymagające - ustaw do niego czujniki położenia, czujniki prądu i wektor PWM, a mikrokontroler i tak nie jest w stanie obliczyć całej tej matematyki. Dlatego w przypadku prostych aplikacji jest to uproszczone. Na początek możesz wyeliminować czujnik położenia, wykonując bezczujnikowe sterowanie wektorowe. Aby to zrobić, użyj trochę bardziej matematycznej magii, znajdującej się w żółtym prostokącie (Rysunek 12):
Rysunek 12. Struktura bezczujnikowego sterowania wektorowego
Obserwator to blok, który otrzymuje informacje o napięciu przyłożonym do silnika (np. z zadania dla modułu PWM) oraz o prądach w silniku z czujników. Wewnątrz obserwatora pracuje model silnika elektrycznego, który, mówiąc z grubsza, stara się dostosować swoje prądy w stojanie do tych zmierzonych z rzeczywistego silnika. Jeśli jej się to udało, to możemy założyć, że symulowane położenie wirnika wewnątrz wału również pokrywa się z rzeczywistym i może być wykorzystane na potrzeby sterowania wektorowego. Cóż, jest to oczywiście dość uproszczone. Rodzajów takich obserwatorów nie sposób policzyć. Każdy absolwent specjalności „napęd elektryczny” próbuje wymyślić własny, który jest w jakiś sposób lepszy od innych. Podstawową zasadą jest śledzenie pola elektromagnetycznego silnika elektrycznego. Dlatego najczęściej bezczujnikowy system sterowania działa tylko przy stosunkowo dużej prędkości, gdzie pole elektromagnetyczne jest duże. Ma też szereg wad w porównaniu z obecnością czujnika: trzeba znać parametry silnika, prędkość jazdy jest ograniczona (jeśli prędkość drastycznie się zmienia, obserwator może nie mieć czasu na jej śledzenie i „ leżeć” przez jakiś czas, a nawet „rozpaść się” całkowicie) , ustawienie obserwatora to cała procedura, dla jego wysokiej jakości pracy trzeba dokładnie znać napięcie na silniku, dokładnie mierzyć jego prądy itp.
Jest jeszcze jedna opcja uproszczenia. Na przykład możesz wykonać tak zwane „automatyczne przełączanie”. W tym przypadku dla silnika trójfazowego rezygnuje się ze złożonej metody PWM, rezygnuje się ze złożonej struktury wektorowej, a fazy silnika są po prostu włączane przez czujnik położenia na elementach Halla, czasem nawet bez żadnego ograniczenia prądowego. Prąd w fazach nie jest sinusoidalny, ale trapezowy, prostokątny lub nawet bardziej odkształcony. Ale starają się, aby wektor prądu średniego nadal znajdował się pod kątem 90 stopni do „magnesu wirnika”, wybierając moment załączenia faz. W tym przypadku, łącznie z fazą zasilaną, nie wiadomo, kiedy wzrośnie prąd w fazie silnika. Przy małej prędkości robi to szybciej, przy dużej prędkości, gdzie przeszkadza EMF maszyny, wolniej, a tempo narastania prądu zależy od indukcyjności silnika itp. Dlatego nawet uwzględniając fazy we właściwym czasie, wcale nie jest faktem, że wektor prądu średniego znajdzie się we właściwym miejscu i z właściwą fazą - może albo wyprzedzać, albo opóźniać się względem optymalnych 90 stopni. Dlatego w takich układach wprowadza się ustawienie „wyprzedzenia komutacji” – tak naprawdę chodzi tylko o to, o ile wcześniej należy podać napięcie na fazę silnika, aby w efekcie faza wektora prądu była bliższa 90 stopni. W prosty sposób nazywa się to „strojeniem timingów”. Ponieważ prąd w silniku elektrycznym podczas automatycznego przełączania nie jest sinusoidalny, to jeśli weźmiemy omówioną powyżej maszynę sinusoidalną i sterujemy nią w ten sposób, moment na wale będzie pulsował. Dlatego w silnikach zaprojektowanych do automatycznego przełączania geometria magnetyczna wirnika i stojana jest często zmieniana w specjalny sposób, aby były bardziej odpowiednie do tego typu sterowania: pole elektromagnetyczne takich maszyn jest trapezoidalne, dzięki czemu działają lepiej w trybie automatycznego przełączania. Maszyny synchroniczne zoptymalizowane pod kątem autokomutacji nazywane są bezszczotkowymi silnikami prądu stałego (BLDC) lub po angielsku BLDC (Brushless Direct Current Motor). Tryb automatycznego przełączania jest również często nazywany trybem zaworowym, a pracujące z nim silniki to silniki zaworowe. Ale to wszystko to tylko różne nazwy, które w żaden sposób nie wpływają na istotę (ale wytrawne napędy elektryczne często cierpią na SPGS w sprawach związanych z tymi nazwami). Jest dobry filmik ilustrujący zasadę działania takich maszyn. Pokazuje silnik odwrócony, z wirnikiem na zewnątrz i stojanem w środku:
Ale jest kurs artykułów na temat takich silników i sprzętu systemu sterowania.
Można nawet pójść na jeszcze większe uproszczenie. Zamień uzwojenia tak, aby jedna faza była cały czas „wolna” i nie było do niej stosowane PWM. Wtedy można w nim zmierzyć SEM (napięcie indukowane w cewce fazowej) i gdy to napięcie przejdzie przez zero wykorzystać to jako sygnał czujnika położenia wirnika, ponieważ faza tego indukowanego napięcia zależy właśnie od położenia wirnika. Okazuje się, że automatyczne przełączanie bezczujnikowe jest szeroko stosowane w różnych prostych napędach, na przykład w „regulatorach” śmigieł modeli samolotów. Jednocześnie należy pamiętać, że EMF maszyny pojawia się tylko przy stosunkowo dużej prędkości, dlatego na start takie układy sterowania po prostu powoli porządkują fazy, mając nadzieję, że wirnik silnika będzie podążał za dostarczanym prądem. Gdy tylko pojawi się EMF, tryb automatycznego przełączania jest włączony. Dlatego układ bezczujnikowy (tak prosty, a często też skomplikowany) nie nadaje się do zadań, w których silnik musi mieć możliwość rozwijania momentu obrotowego przy prędkościach bliskich zeru, np. do napędu trakcyjnego samochodu (lub jego modelu) , serwonapęd jakiegoś mechanizmu itp. P. Ale system bezczujnikowy z powodzeniem nadaje się do pomp i wentylatorów, gdzie jest stosowany.
Ale czasami dokonuje się jeszcze większego uproszczenia. Możesz całkowicie zrezygnować z mikrokontrolera, klawiszy, czujników położenia i innych rzeczy, przełączając fazy specjalnym przełącznikiem mechanicznym (Rysunek 13):
Rysunek 13. Przełącznik mechaniczny do przełączania uzwojeń
Podczas obrotu sam wirnik przełącza swoje części uzwojeń, zmieniając przyłożone do nich napięcie, podczas gdy prąd w wirniku płynie naprzemiennie. Komutator jest ustawiony w taki sposób, że strumień magnetyczny wirnika i stojana jest ponownie bliski 90 stopni, aby osiągnąć maksymalny moment obrotowy. Takie silniki są naiwnie nazywane silnikami prądu stałego, ale całkowicie niezasłużenie: wewnątrz, za kolektorem, prąd wciąż się zmienia!
Wniosek
Wszystkie maszyny elektryczne działają w podobny sposób. W teorii napędu elektrycznego istnieje nawet pojęcie „uogólnionej maszyny elektrycznej”, do której sprowadza się praca innych. Przedstawione w artykule objaśnienia „na palcach” w żaden sposób nie mogą służyć jako praktyczny przewodnik do pisania kodu mikrokontrolera. W artykule rozważono dobrze, jeśli jeden procent informacji jest wymagany do wdrożenia tego sterowania wektorowego. Aby coś zrobić w praktyce, trzeba po pierwsze znać TAU, przynajmniej na poziomie zrozumienia działania regulatora PI. Następnie musisz jeszcze przestudiować opis matematyczny zarówno maszyny synchronicznej, jak i syntezę sterowania wektorowego. Zapoznaj się również z wektorem PWM, dowiedz się, jakie są pary biegunów, zapoznaj się z typami uzwojeń maszyn i nie tylko. Można to zrobić w najnowszej książce „Anuchin A.S. Systemy sterowania napędem elektrycznym. MPEI, 2015”, a także w „Rozporządzenie Kalachev Yu. N. Vector (notatki z praktyki)”. Czytelnika należy ostrzec przed zagłębianiem się w formuły „starych” podręczników na temat napędu, gdzie główny nacisk kładziony jest na uwzględnienie charakterystyk silników elektrycznych zasilanych bezpośrednio z trójfazowej sieci przemysłowej, bez jakichkolwiek mikrokontrolerów i czujników położenia. Zachowanie się silników w tym przypadku opisują złożone formuły i zależności, ale dla problemu sterowania wektorowego są one prawie bezużyteczne (jeśli tylko są badane do samodzielnego rozwoju). Należy szczególnie uważać na zalecenia starych podręczników, w których na przykład mówi się, że maszyna synchroniczna nie powinna pracować na maksymalnym momencie, ponieważ praca tam jest niestabilna i grozi wywróceniem - dla sterowania wektorowego wszystkie to jest „zła rada”.
Na którym mikrokontrolerze można wykonać pełnoprawne sterowanie wektorowe, przeczytaj na przykład w naszym artykule Nowy domowy mikrokontroler do sterowania silnikiem K1921VK01T JSC „NIIET” i jak go debugować w artykule Metody debugowania oprogramowania mikrokontrolera w napędzie elektrycznym . Odwiedź także naszą stronę internetową: tam w szczególności zamieszczone są dwa nudne filmy, na których pokazują w praktyce, jak skonfigurować aktualny regulator PI, a także jak działa zamknięta prądowo i wektorowa bezczujnikowa struktura sterowania. Ponadto można kupić zestaw do debugowania z gotową strukturą sterowania wektorem czujnika na domowym mikrokontrolerze.
PS
Przepraszam znawców za nie do końca poprawne potraktowanie niektórych terminów, w szczególności terminów "przepływ", "powiązanie strumienia", "pole magnetyczne" i innych - prostota wymaga poświęcenia...
Według najnowszych statystyk około 70% całej wytwarzanej energii elektrycznej na świecie zużywa napęd elektryczny. I odsetek ten rośnie z każdym rokiem.
Przy odpowiednio dobranym sposobie sterowania silnikiem elektrycznym możliwe jest uzyskanie maksymalnej sprawności, maksymalnego momentu obrotowego na wale maszyny elektrycznej, a jednocześnie wzrośnie ogólna wydajność mechanizmu. Sprawnie działające silniki elektryczne zużywają minimum energii elektrycznej i zapewniają maksymalną wydajność.
W przypadku silników elektrycznych zasilanych z przetwornicy częstotliwości, sprawność będzie w dużej mierze zależała od wybranego sposobu sterowania maszyną elektryczną. Tylko dzięki zrozumieniu zalet każdej metody inżynierowie i projektanci napędów mogą uzyskać najlepszą wydajność z każdej metody sterowania.
Treść:
Metody kontroli
Wiele osób zajmujących się automatyką, ale nie związanych ściśle z opracowywaniem i wdrażaniem elektrycznych układów napędowych, uważa, że sterowanie silnikiem elektrycznym polega na sekwencji poleceń wprowadzanych za pomocą interfejsu z pulpitu sterowniczego lub komputera. Tak, z punktu widzenia ogólnej hierarchii sterowania zautomatyzowanym systemem, jest to poprawne, ale nadal istnieją sposoby sterowania samym silnikiem elektrycznym. To właśnie te metody będą miały maksymalny wpływ na wydajność całego systemu.
W przypadku silników asynchronicznych podłączonych do przetwornicy częstotliwości istnieją cztery podstawowe metody sterowania:
- U / f - wolt na herc;
- U/f z enkoderem;
- Sterowanie wektorowe w otwartej pętli;
- Sterowanie wektorowe w pętli zamkniętej;
Wszystkie cztery metody wykorzystują modulację szerokości impulsu PWM, która zmienia szerokość stałego sygnału poprzez zmianę szerokości impulsu w celu wytworzenia sygnału analogowego.
Modulacja szerokości impulsu jest stosowana do przetwornicy częstotliwości za pomocą stałego napięcia szyny DC. poprzez szybkie otwieranie i zamykanie (dokładniej przełączanie) generują impulsy wyjściowe. Zmieniając szerokość tych impulsów, na wyjściu uzyskuje się „falę sinusoidalną” o pożądanej częstotliwości. Nawet jeśli postać napięcia wyjściowego tranzystorów jest pulsacyjna, prąd nadal uzyskuje się w postaci sinusoidy, ponieważ silnik elektryczny ma indukcyjność, która wpływa na kształt prądu. Wszystkie metody sterowania oparte są na modulacji PWM. Różnica między sposobami sterowania polega jedynie na sposobie obliczania napięcia przyłożonego do silnika.
W tym przypadku częstotliwość nośna (pokazana na czerwono) reprezentuje maksymalną częstotliwość przełączania tranzystorów. Częstotliwość nośna falowników wynosi zwykle od 2 kHz do 15 kHz. Częstotliwość odniesienia (pokazana na niebiesko) to sygnał odniesienia częstotliwości wyjściowej. Dla falowników mających zastosowanie w konwencjonalnych układach napędowych z reguły mieści się w przedziale 0 Hz - 60 Hz. Gdy sygnały o dwóch częstotliwościach zostaną nałożone na siebie, zostanie wyemitowany sygnał otwarcia tranzystora (zaznaczony na czarno), który zasila silnik elektryczny.
Metoda sterowania V/F
Sterowanie napięciem na herc, najczęściej określane jako V/F, jest prawdopodobnie najłatwiejszym sposobem regulacji. Jest często stosowany w prostych układach napędów elektrycznych ze względu na swoją prostotę i minimalną liczbę parametrów wymaganych do działania. Ten sposób sterowania nie wymaga obowiązkowej instalacji enkodera i obowiązkowych ustawień dla napędu elektrycznego sterowanego częstotliwościowo (ale jest zalecany). Skutkuje to niższymi kosztami urządzeń pomocniczych (czujników, przewodów sprzężenia zwrotnego, przekaźników itp.). Sterowanie U/F jest dość często stosowane w urządzeniach o wysokiej częstotliwości, na przykład jest często używane w maszynach CNC do napędzania obrotów wrzeciona.
Model ze stałym momentem obrotowym charakteryzuje się stałym momentem obrotowym w całym zakresie prędkości przy tym samym stosunku U/F. Model ze zmiennym przełożeniem momentu ma niższe napięcie zasilania przy niskich prędkościach. Jest to konieczne, aby zapobiec nasyceniu maszyny elektrycznej.
V/F to jedyny sposób sterowania prędkością silnika indukcyjnego, który umożliwia sterowanie wieloma napędami z jednej przetwornicy częstotliwości. W związku z tym wszystkie maszyny uruchamiają się i zatrzymują w tym samym czasie i pracują z tą samą częstotliwością.
Ale ta metoda kontroli ma kilka ograniczeń. Na przykład, stosując metodę sterowania V/f bez enkodera, nie ma absolutnie żadnej pewności, że wał maszyny indukcyjnej się obraca. Ponadto moment rozruchowy maszyny elektrycznej przy częstotliwości 3 Hz jest ograniczony do 150%. Tak, ograniczony moment obrotowy jest więcej niż wystarczający dla większości istniejących urządzeń. Na przykład prawie wszystkie wentylatory i pompy wykorzystują metodę sterowania V/f.
Metoda ta jest stosunkowo prosta ze względu na luźniejszą specyfikację. Regulacja prędkości zazwyczaj mieści się w zakresie 2% - 3% maksymalnej częstotliwości wyjściowej. Odpowiedź prędkości jest obliczana dla częstotliwości powyżej 3 Hz. Szybkość odpowiedzi przetwornicy częstotliwości jest określona przez szybkość jej odpowiedzi na zmianę częstotliwości odniesienia. Im wyższa prędkość odpowiedzi, tym szybsza reakcja napędu na zmianę prędkości zadanej.
Zakres regulacji prędkości przy zastosowaniu metody V/F wynosi 1:40. Mnożąc ten współczynnik przez maksymalną częstotliwość pracy napędu elektrycznego, otrzymujemy wartość minimalnej częstotliwości, przy której maszyna elektryczna może pracować. Na przykład, jeśli maksymalna częstotliwość wynosi 60 Hz, a zakres wynosi 1:40, to minimalna częstotliwość wynosi 1,5 Hz.
Wzór U/F określa stosunek częstotliwości i napięcia podczas pracy przemiennika częstotliwości. Według niego z krzywej zadawania prędkości obrotowej (częstotliwości silnika elektrycznego) zależeć będzie, oprócz wartości częstotliwości, wartość napięcia podawanego na zaciski maszyny elektrycznej.
Operatorzy i technicy mogą wybrać żądany wzorzec regulacji V/F za pomocą jednego parametru w nowoczesnej przetwornicy częstotliwości. Wstępnie ustawione szablony są już zoptymalizowane pod kątem określonych zastosowań. Istnieje również możliwość tworzenia własnych szablonów, które zostaną zoptymalizowane pod konkretny system przemiennika częstotliwości lub silnika elektrycznego.
Urządzenia takie jak wentylatory czy pompy mają moment obciążenia zależny od ich prędkości obrotowej. Zmienny moment obrotowy (rysunek powyżej) wzoru V/F zapobiega błędom regulacji i poprawia wydajność. Ten model regulacji zmniejsza prądy magnesujące przy niskich częstotliwościach poprzez zmniejszenie napięcia na maszynie elektrycznej.
Maszyny o stałym momencie obrotowym, takie jak przenośniki, wytłaczarki i inne urządzenia, wykorzystują metodę kontroli stałego momentu obrotowego. Przy stałym obciążeniu wymagany jest pełny prąd magnesujący przy wszystkich prędkościach. W związku z tym charakterystyka ma bezpośrednie nachylenie w całym zakresie prędkości.
Metoda sterowania U/F z enkoderem
W przypadku konieczności poprawy dokładności regulacji prędkości, do układu sterowania dodawany jest enkoder. Wprowadzenie sprzężenia zwrotnego prędkości za pomocą enkodera pozwala zwiększyć dokładność regulacji nawet o 0,03%. Napięcie wyjściowe będzie nadal określane przez ustawiony wzorzec V/f.
Ta metoda sterowania nie była szeroko stosowana, ponieważ zalety, jakie przedstawia w porównaniu ze standardowymi funkcjami V/F, są minimalne. Moment rozruchowy, szybkość reakcji i zakres regulacji prędkości są identyczne jak w przypadku standardowego V/F. Ponadto wraz ze wzrostem częstotliwości roboczych mogą pojawić się problemy z działaniem enkodera, ponieważ ma on ograniczoną liczbę obrotów.
Sterowanie wektorowe w pętli otwartej
Sterowanie wektorowe w otwartej pętli (VU) służy do szerszego i bardziej dynamicznego sterowania prędkością maszyny elektrycznej. Podczas rozruchu z przetwornicy częstotliwości silniki mogą rozwinąć moment rozruchowy równy 200% momentu znamionowego przy częstotliwości zaledwie 0,3 Hz. To znacznie rozszerza listę mechanizmów, w których można zastosować asynchroniczny napęd elektryczny ze sterowaniem wektorowym. Ta metoda pozwala również kontrolować moment obrotowy maszyny we wszystkich czterech kwadrantach.
Moment obrotowy jest ograniczony przez silnik. Jest to konieczne, aby zapobiec uszkodzeniu sprzętu, maszyn lub produktów. Wartość momentów jest podzielona na cztery różne ćwiartki, w zależności od kierunku obrotów maszyny elektrycznej (do przodu lub do tyłu) oraz w zależności od tego, czy silnik elektryczny wykonuje . Limity można ustawić osobno dla każdego kwadrantu lub użytkownik może ustawić całkowity moment obrotowy w przetwornicy częstotliwości.
Tryb silnika maszyny asynchronicznej zostanie zapewniony, że pole magnetyczne wirnika pozostaje w tyle za polem magnetycznym stojana. Jeżeli pole magnetyczne wirnika zacznie przewyższać pole magnetyczne stojana, wówczas maszyna przejdzie w tryb hamowania rekuperacyjnego ze zwrotem energii, czyli silnik asynchroniczny przejdzie w tryb generatorowy.
Na przykład maszyna do zamykania butelek może wykorzystywać ograniczenie momentu obrotowego w ćwiartce 1 (do przodu z dodatnim momentem obrotowym), aby zapobiec nadmiernemu dokręceniu zakrętki do butelki. Mechanizm wykonuje ruch do przodu i wykorzystuje dodatni moment obrotowy do zakręcenia nakrętki na butelce. Z drugiej strony urządzenie takie jak winda z przeciwwagą cięższą niż pusty samochód będzie wykorzystywać ćwiartkę 2 (odwrotny obrót i dodatni moment obrotowy). Jeśli samochód wzniesie się na najwyższe piętro, moment obrotowy będzie przeciwny do prędkości. Jest to konieczne, aby ograniczyć prędkość podnoszenia i zapobiec swobodnemu opadaniu przeciwwagi, ponieważ jest ona cięższa od kabiny.
Prądowe sprzężenie zwrotne w tych przetwornicach częstotliwości umożliwia ustawienie limitów momentu obrotowego i prądu silnika, ponieważ wraz ze wzrostem prądu rośnie również moment obrotowy. Napięcie wyjściowe falownika może wzrosnąć, jeśli mechanizm wymaga większego momentu obrotowego, lub zmniejszyć, jeśli zostanie osiągnięty limit. To sprawia, że zasada sterowania wektorowego maszyny asynchronicznej jest bardziej elastyczna i dynamiczna niż zasada U/F.
Również przetwornice częstotliwości ze sterowaniem wektorowym w otwartej pętli mają szybszą odpowiedź prędkościową - 10 Hz, co umożliwia stosowanie jej w mechanizmach z obciążeniami udarowymi. Na przykład w kruszarkach do skał obciążenie stale się zmienia i zależy od objętości i wymiarów przetwarzanej skały.
W przeciwieństwie do schematu sterowania V/F, sterowanie wektorowe wykorzystuje algorytm wektorowy do określenia maksymalnego efektywnego napięcia roboczego silnika.
Sterowanie wektorowe VU rozwiązuje ten problem ze względu na obecność sprzężenia zwrotnego na prądzie silnika. Z reguły prądowe sprzężenie zwrotne jest generowane przez wewnętrzne przekładniki prądowe samej przetwornicy częstotliwości. Na podstawie uzyskanej wartości prądu przetwornica częstotliwości oblicza moment obrotowy i strumień maszyny elektrycznej. Podstawowy wektor prądu silnika jest matematycznie podzielony na wektor prądu magnesującego (I d) i wektor momentu obrotowego (I q).
Korzystając z danych i parametrów maszyny elektrycznej, falownik oblicza wektory prądu magnesującego (I d) i momentu obrotowego (I q). Aby osiągnąć maksymalną wydajność, przetwornica częstotliwości musi utrzymywać odstępy Id i Iq od siebie o 90 0 . Jest to o tyle istotne, że sin 90 0 = 1, a wartość 1 reprezentuje maksymalną wartość momentu obrotowego.
Ogólnie rzecz biorąc, sterowanie wektorowe silnika indukcyjnego zapewnia ściślejszą kontrolę. Regulacja prędkości wynosi około ±0,2% częstotliwości maksymalnej, a zakres regulacji sięga 1:200, co pozwala na zachowanie momentu obrotowego podczas pracy na niskich obrotach.
Kontrola sprzężenia zwrotnego wektora
Sterowanie wektorowe w pętli zamkniętej wykorzystuje ten sam algorytm sterowania, co VU, bez sprzężenia zwrotnego. Główną różnicą jest obecność enkodera, który umożliwia przemiennikowi częstotliwości rozwinięcie 200% momentu rozruchowego przy 0 obr./min. Ten element jest po prostu niezbędny, aby stworzyć początkowy moment podczas uruchamiania wind, dźwigów i innych urządzeń podnoszących, aby zapobiec zapadnięciu się ładunku.
Obecność czujnika sprzężenia zwrotnego prędkości pozwala zwiększyć czas reakcji systemu o ponad 50 Hz, a także rozszerzyć zakres regulacji prędkości do 1:1500. Ponadto obecność sprzężenia zwrotnego pozwala kontrolować nie prędkość maszyny elektrycznej, ale moment. W niektórych mechanizmach ogromne znaczenie ma wartość chwili. Na przykład maszyna do nawijania, mechanizmy blokujące i inne. W takich urządzeniach konieczna jest regulacja momentu maszyny.
Dmitrij Lewkin
Kontrola skalarna(częstotliwość) - metoda sterowania bezszczotkowym prądem przemiennym, polegająca na utrzymywaniu stałego stosunku napięcie / częstotliwość (V / Hz) w całym zakresie prędkości roboczych, przy czym kontrolowana jest tylko wielkość i częstotliwość napięcia zasilania.
Stosunek V/Hz jest obliczany na podstawie wartości znamionowych (i częstotliwości) sterowanego silnika AC. Utrzymując stały stosunek V/Hz, możemy utrzymać stosunkowo stały strumień magnetyczny w szczelinie silnika. Jeśli stosunek V/Hz wzrasta, silnik staje się przewzbudzony i odwrotnie, jeśli stosunek maleje, silnik jest w stanie niedowzbudzenia.
Zmiana napięcia zasilania silnika elektrycznego ze sterowaniem skalarnym
Przy niskich prędkościach konieczna jest kompensacja spadku napięcia na rezystancji stojana, tak aby stosunek V/Hz przy niskich prędkościach był wyższy od wartości nominalnej. Metoda sterowania skalarnego jest najczęściej stosowana do sterowania silnikami asynchronicznymi.
Stosowany do silników asynchronicznych
W metodzie sterowania skalarnego prędkość jest kontrolowana poprzez ustawienie napięcia i częstotliwości stojana tak, aby pole magnetyczne w szczelinie utrzymywało się na żądanej wartości. Aby utrzymać stałe pole magnetyczne w poprzek szczeliny, stosunek V/Hz musi być stały przy różnych prędkościach.
Wraz ze wzrostem prędkości powinno proporcjonalnie rosnąć napięcie zasilania stojana. Jednak częstotliwość synchroniczna silnika indukcyjnego nie jest równa prędkości wału, ale zależy od obciążenia. Zatem system sterowania skalarnego w otwartej pętli nie może dokładnie kontrolować prędkości, gdy występuje obciążenie. Aby rozwiązać ten problem, do systemu można dodać sprzężenie zwrotne prędkości, a tym samym kompensację poślizgu.
Wady sterowania skalarnego
- metoda kontrola skalarna stosunkowo prosty do wdrożenia, ale ma kilka istotnych wad:
- po pierwsze, jeśli czujnik prędkości nie jest zainstalowany, nie można kontrolować prędkości obrotowej wału, ponieważ zależy ona od obciążenia (obecność czujnika prędkości rozwiązuje ten problem), aw przypadku zmiany obciążenia , możesz całkowicie stracić kontrolę;
- Po drugie, nie umiesz zarządzać. Oczywiście ten problem można rozwiązać za pomocą czujnika momentu obrotowego, ale koszt jego instalacji jest bardzo wysoki i najprawdopodobniej będzie wyższy niż samego napędu elektrycznego. W takim przypadku sterowanie momentem będzie bardzo bezwładne;
- niemożliwe jest również jednoczesne kontrolowanie momentu obrotowego i prędkości.
Sterowanie skalarne jest wystarczające dla większości zastosowań, w których używany jest napęd elektryczny z zakresem regulacji prędkości silnika do 1:10.
Gdy wymagana jest maksymalna prędkość, wykorzystywana jest możliwość sterowania szerokim zakresem prędkości oraz możliwość sterowania momentem obrotowym silnika elektrycznego.