Technické rozdíly mezi vektorovými a skalárními převodníky. Skalární řízení frekvence jako u asynchronních motorů

V současné době je řízení otáček střídavých motorů pomocí frekvenčních měničů široce využíváno téměř ve všech průmyslových odvětvích.

V praxi se systémy řízení otáček pro třífázové motory na střídavý proud používají na základě dvou různých principů řízení:
2. Vektorové řízení.

Metody řízení používané v frekvenčních měničích pro řízení střídavých motorů

V současné době je řízení otáček střídavých motorů pomocí frekvenčních měničů široce využíváno téměř ve všech průmyslových odvětvích. Je tomu tak především díky velkým úspěchům v oblasti výkonové elektroniky a mikroprocesorové techniky, na jejichž základě byly vyvinuty frekvenční měniče. Na druhou stranu sjednocení výroby frekvenčních měničů výrobci umožnilo poměrně výrazně ovlivnit jejich cenu a vyplatilo se v poměrně krátkém čase. Úspora energetických zdrojů při použití měničů pro řízení asynchronních motorů může v některých případech dosáhnout 40 % i více.
V praxi se systémy řízení otáček pro třífázové motory na střídavý proud používají na základě dvou různých principů řízení:
1. U/f-regulace (volt-frekvenční nebo skalární řízení);
2. Vektorové řízení.

U/f - regulace otáček asynchronního elektrického pohonu

Skalární řízení neboli V/f-regulace asynchronního motoru je změna otáček motoru ovlivňováním frekvence napětí na statoru při současné změně modulu tohoto napětí. Při řízení U/f působí frekvence a napětí jako dvě řídicí proměnné, které se obvykle řídí společně. V tomto případě je frekvence brána jako nezávislý vliv a hodnota napětí při dané frekvenci je určena na základě toho, jak by se měl změnit typ mechanických charakteristik pohonu při změně frekvence, tedy jak by se měl změnit kritický moment. v závislosti na frekvenci. Pro implementaci takového regulačního zákona je nutné zajistit stálost poměru U / f = konst, kde U je napětí na statoru a f je frekvence napětí statoru.
S konstantní přetížitelností, jmenovitým účiníkem a účinností motoru v celém rozsahu regulace otáček se prakticky nemění.
Zákony U/f-regulace zahrnují zákony, které se týkají velikosti a frekvence napětí napájejícího motor (U/f = const, U/f2 = const a další). Jejich výhodou je možnost současného řízení skupiny elektromotorů. Skalární řízení se používá pro většinu praktických aplikací frekvenčního elektrického pohonu s rozsahem regulace otáček motoru do 1:40 bez použití zpětnovazebního snímače. Skalární řídicí algoritmy neumožňují realizovat řízení a řízení krouticího momentu motoru, stejně jako režim polohování. Nejúčinnější oblast použití této metody ovládání: ventilátory, čerpadla, dopravníky atd.

vektorové ovládání

Vektorové řízení je způsob řízení synchronních a asynchronních motorů, který nejen generuje harmonické proudy a fázová napětí (skalární řízení), ale také zajišťuje řízení magnetického toku motoru. V srdci vektorového řízení je myšlenka napětí, proudů, tokových spojů jako prostorových vektorů.
Základní principy byly vyvinuty v 70. letech 20. století. V důsledku zásadního teoretického výzkumu a pokroků v oblasti výkonové polovodičové elektroniky a mikroprocesorových systémů byly doposud vyvinuty elektrické pohony s vektorovým řízením, které jsou sériově vyráběny výrobci pohonné techniky po celém světě.
S vektorovým řízením u asynchronního elektrického pohonu v přechodových dějích je možné udržet konstantní vazbu rotorového toku, na rozdíl od skalárního řízení, kde se vazba rotorového toku v přechodných dějích mění při změně statorových a rotorových proudů, což vede ke snížení rychlost změny elektromagnetického momentu. U vektorového řídicího pohonu, kde může být vazba rotorového toku udržována konstantní, se elektromagnetický moment mění tak rychle, jak se rychle mění složka statorového proudu (podobně jako změna točivého momentu při změně proudu kotvy u stejnosměrného stroje).
S vektorovým řízením v řídicím spoji je zahrnuta přítomnost matematického modelu nastavitelného elektrického pohonu. Režimy vektorového řízení lze klasifikovat následovně:
1. Podle přesnosti matematického modelu elektromotoru použitého v řídicím spoji:
. Použití matematického modelu bez dalších zpřesňujících měření parametrů elektromotoru řídicím zařízením (použijí se pouze typická data motoru zadaná uživatelem);
Využití matematického modelu s dodatečným zpřesňujícím měřením řídicím zařízením parametrů elektromotoru, tzn. činné a jalové odpory statoru/rotoru, napětí a proud motoru.
2. Podle přítomnosti nebo nepřítomnosti zpětné vazby rychlosti (snímač rychlosti) lze vektorové řízení rozdělit na:
Řízení motoru bez zpětné vazby otáček - v tomto případě řídicí zařízení používá data matematického modelu motoru a hodnoty získané měřením proudu statoru a / nebo rotoru;
Řízení motoru se zpětnou vazbou otáček - v tomto případě zařízení využívá nejen hodnoty získané měřením proudu statoru a/nebo rotoru elektromotoru (jako v předchozím případě), ale také údaje o rychlost (poloha) rotoru ze snímače, což v některých řídicích úlohách umožňuje zvýšit přesnost vypracování elektrickým pohonem příkazu rychlosti (polohy).

Mezi hlavní zákony vektorového řízení patří následující:
A. Zákon zajišťující stálost vazby magnetického toku statoru ψ1 (odpovídající stálosti Evnesh /f).
b. Zákon, který zajišťuje stálost vazby magnetického toku vzduchové mezery ψ0 (konstanta E / f);
PROTI. Zákon, který zajišťuje stálost vazby magnetického toku rotoru ψ2 (konstanta Evnut/f).
Zákon zachování stálosti vazby statorového toku je implementován při zachování konstantního poměru EMF statoru k úhlové frekvenci pole. Hlavní nevýhodou takového zákona je snížená přetížitelnost motoru při provozu na vysokých frekvencích. To je způsobeno zvýšením indukčního odporu statoru a následně snížením vazby toku ve vzduchové mezeře mezi statorem a rotorem s rostoucí zátěží.
Udržování konstantního hlavního průtoku zvyšuje přetížitelnost motoru, ale komplikuje hardwarovou implementaci řídicího systému a vyžaduje buď změny v konstrukci stroje, nebo přítomnost speciálních senzorů.
Při udržování konstantní vazby rotorového toku nemá točivý moment motoru maximum, ale se zvyšujícím se zatížením roste hlavní magnetický tok, což vede k saturaci magnetických obvodů a v důsledku toho k nemožnosti udržet konstantní tok rotoru. vazba.

Srovnávací vyhodnocení zákonitostí regulace otáček asynchronním elektrickým pohonem změnou frekvence napětí na statoru

Obrázek 1 ukazuje výsledky teoretických studií energetické náročnosti asynchronního motoru o výkonu Pn = 18,5 kW pro různé zákony řízení frekvence, které byly provedeny v práci V.S. Petrushin a Ph.D. A.A. Tankov "Ukazatele energie asynchronního motoru ve frekvenčním elektrickém pohonu s různými zákony řízení." Jsou zde uvedeny i výsledky experimentu provedeného při testování tohoto motoru (zákon řízení frekvence U/f = konst). Motor byl zatížen konstantním točivým momentem 30,5 Nm v rozsahu otáček 500 - 2930 ot./min.
Porovnáním získaných závislostí můžeme dojít k závěru, že v pásmu nízkých otáček je při použití regulačních zákonů druhé skupiny účinnost vyšší o 7-21% a účiník je nižší o 3-7%. S rostoucí rychlostí se rozdíly zmenšují.

Obr. 1. Změna účinnosti (a) a cosφ (b) v kontrolním rozsahu: 1 - experimentální závislosti; vypočítané závislosti pro různé regulační zákony: 2 - U/f = konst, 3 - Evnesh /f = konst, 4 - Е/f= konst, 5 - Evnut /f= konst.
Zákony vektorového řízení tedy zajišťují nejen lepší řízení elektrického pohonu ve statickém i dynamickém režimu, ale také zvýšení účinnosti motoru a tím i celého pohonu. Všechny zákony se zachováním stálosti vazby toku však mají své určité nevýhody.
Společnou nevýhodou zákonů při zachování stálosti vazby toku jsou: nízká spolehlivost díky přítomnosti snímačů zabudovaných v motoru a ztráty v oceli, když motor běží se zatěžovacím momentem menším, než je jmenovitý. Tyto ztráty jsou způsobeny potřebou udržovat konstantní vazbu jmenovitého toku v různých provozních režimech.
Regulací magnetického toku statoru (rotoru) v závislosti na velikosti zatěžovacího momentu (skluzu) je možné výrazně zvýšit účinnost motoru. Nevýhodou takového řízení je nízká dynamická charakteristika pohonu, způsobená velkou hodnotou časové konstanty rotoru, díky které se magnetický tok stroje obnovuje s určitým zpožděním a složitost technické realizace stroje. kontrolní systém.
V praxi se rozšířila skupina zákonů s konstantním magnetickým tokem pro dynamické elektrické pohony pracující s konstantním momentem odporu na hřídeli a s častými aplikacemi rázového zatížení. Zatímco skupina zákonů s regulací magnetického toku v závislosti na zatížení hřídele se používá pro nízkodynamické elektrické pohony a pro pohony se zátěží „ventilátoru“.

vektorové ovládání

vektorové ovládání je způsob řízení pro synchronní a asynchronní motory, který nejen generuje harmonické proudy (napětí) fází (skalární řízení), ale také zajišťuje řízení magnetického toku rotoru. První implementace principu vektorového řízení a algoritmy se zvýšenou přesností vyžadují použití snímačů polohy (otáček) rotoru.

Obecně platí, že pod vektorové ovládání" je chápána jako interakce řídicího zařízení s tzv. "prostorovým vektorem", který rotuje s frekvencí motorového pole.

Matematický aparát vektorového řízení

Nadace Wikimedia. 2010 .

Podívejte se, co je "Vektorové řízení" v jiných slovnících:

Kalka s ním. vectorregelung. Způsob řízení rychlosti otáčení a/nebo točivého momentu elektromotoru prostřednictvím působení měniče elektrického pohonu na vektorové složky proudu statoru elektromotoru. V ruskojazyčné literatuře v ... Wikipedii

Řešení problému optimálního řízení matematické teorie, ve kterém je řídící akce u=u(t) tvořena jako funkce času (tím se předpokládá, že v průběhu procesu žádná informace, kromě té, která je uvedena na samém začátku , vstoupí do systému ... ... Matematická encyklopedie

- Řídicí systém (frekvenčně řízený pohon, VFD, Variable Frequency Drive, VFD) pro otáčky rotoru asynchronního (nebo synchronního) elektromotoru. Skládá se ze skutečného motoru a frekvenčního měniče ... Wikipedia

Tento termín má jiné významy, viz CNC (významy). Tato stránka je navržena ke sloučení s CNC. Vysvětlení důvodů a diskuse na stránce Wikipedie: Ke sjednocení / 25 f ... Wikipedie

Stator a rotor asynchronního stroje 0,75 kW, 1420 ot./min, 50 Hz, 230 400 V, 3,4 2,0 ​​A Asynchronní stroj je střídavý elektrický stroj ... Wikipedia

- (DPR) část elektromotoru. U kolektorových elektromotorů je snímač polohy rotoru sestava kartáč-kolektor, která je také proudovým spínačem. U bezkomutátorových motorů může být snímač polohy rotoru různých typů ... Wikipedia

DS3 DS3 010 Základní údaje Země výroby ... Wikipedie

Asynchronní stroj je střídavý elektrický stroj, jehož rychlost rotoru není stejná (menší než) rychlost otáčení magnetického pole vytvářeného proudem statorového vinutí. Asynchronní stroje jsou nejběžnější elektrické ... ... Wikipedie

Tento termín má jiné významy, viz Frekvenční měnič. Tento článek by měl být wikifikován. Naformátujte jej prosím podle pravidel pro formátování článků ... Wikipedie

DS3 ... Wikipedie

knihy

• Energeticky úsporné vektorové řízení asynchronních elektromotorů: přehled stavu a nové výsledky: Monografie , Borisevič A.V.. Monografie je věnována metodám pro zlepšení energetické účinnosti vektorového řízení asynchronních elektromotorů. Je uvažován model asynchronního elektromotoru a princip vektorového…

Použití frekvenčního měniče je zaměřeno na řešení důležitých problémů. Spočívají v realizaci řízení momentu a otáček elektromotoru. Tyto požadavky naznačují potřebu omezit proud motoru a točivý moment na hodnoty, které jsou přijatelné. To se provádí při startování, brzdění a změnách zatížení.

To je nutné pro omezení dynamických rázových zatížení v mechanismu frekvenčního měniče. Zároveň dochází k přetížení při provozu a nutnosti seřízení točivého momentu motoru, které se provádí nepřetržitě. Implementace takových akcí je také nutná, když je nutné přesně podporovat úsilí o fungující mechanismus. Příkladem jsou v tomto případě pohony používané v obráběcích strojích pro zpracování kovů.

Existují různé metody řízení frekvence, které umožňují řešit různé problémy při nastavování rychlosti a změně momentu, mezi které patří dvě hlavní metody – vektorová a skalární. Každý z nich má své vlastní vlastnosti, o kterých by se mělo diskutovat podrobněji.

První způsob ovládání - skalární. Charakteristickým rysem skalárního řízení je jeho rozšířenost a rozsah je spojen s pohony čerpadel a ventilátorů. Kromě toho se frekvenční měniče se skalárním způsobem řízení používají tam, kde je důležité dodržet určitý technologický parametr. Může to být například tlak v potrubí. Změna amplitudy, stejně jako frekvence napájecího napětí, funguje jako hlavní princip, na kterém je tato metoda založena. V tomto případě se používá zákon U / f. Největší rozsah pro regulaci rychlosti je 1:10.
Dalšími rysy skalární metody jsou její inherentní snadnost implementace. Je zde také nevýhoda, která spočívá v tom, že není možné přesně řídit rychlost otáčení hřídele. Další vlastnost - na hřídeli motoru neumožňuje frekvenční měnič se skalárním řízením řídit točivý moment.

Druhý způsob používaný u frekvenčních měničů je vektor. Jedná se o takový způsob řízení synchronních a asynchronních motorů, u kterého se tvoří nejen harmonické proudy (napětí) fází, ale je zajištěno i řízení magnetického toku rotoru, konkrétně točivého momentu na hřídeli motoru. Vektorové řízení se používá, když se zátěž může během provozu měnit na stejné frekvenci, tzn. neexistuje jasný vztah mezi momentem zátěže a rychlostí otáčení a také v případech, kdy je nutné získat rozšířený rozsah řízení frekvence při jmenovitých momentech.

Vektorové řídicí systémy se dělí do dvou tříd – bezsenzorové a zpětnovazební. Rozsah umožňuje definovat použití konkrétní metody. Použití bezsenzorových systémů je možné, když se rychlost nemění o více než 1:100 a přesnost údržby není větší než ±0,5 %. S podobnými ukazateli 1:1000, respektive ±0,01% je obvyklé používat systémy se zpětnou vazbou.

Výhody metody vektorového řízení je rychlost reakce vzhledem ke změnám zatížení a v oblasti nízkých frekvencí se otáčení motoru vyznačuje plynulostí, absencí trhání. Je třeba věnovat pozornost opatření na hřídeli za podmínky nulových otáček jmenovitého momentu, pokud je k dispozici snímač otáček. Řízení rychlosti se provádí při dosažení vysoké přesnosti. Všechny tyto výhody se v praxi stávají důležitými.

ZÁVĚRY:

1. Jestliže u skalárních frekvenčních měničů je předmětem řízení a řízení pouze magnetické pole statoru, pak ve vektorových modelech je předmětem řízení a řízení jak magnetické pole statoru, tak rotoru, respektive jejich interakce v aby se optimalizoval točivý moment při různých otáčkách. Co se týče způsobů řízení a řízení, při použití metody skalárního řízení se používá výstupní frekvence a proud frekvenčního měniče a v případě vektorového řízení výstupní frekvence, proud a jeho fáze.

1.5.1 Řízení indukčního motoru ve frekvenčním režimu bylo donedávna velkým problémem, ačkoli teorie frekvenčního řízení byla vyvinuta již ve třicátých letech. Vývoj frekvenčně řízeného elektrického pohonu byl brzděn vysokou cenou frekvenčních měničů. Vznik výkonových obvodů s IGBT tranzistory, vývoj vysoce výkonných mikroprocesorových řídicích systémů umožnil různým společnostem v Evropě, USA a Japonsku vytvořit moderní frekvenční měniče za dostupnou cenu. Je známo, že regulaci rychlosti otáčení pohonů lze provádět pomocí různých zařízení: mechanických variátorů, hydraulických spojek, rezistorů dodatečně zavedených do statoru nebo rotoru, elektromechanických frekvenčních měničů, statických frekvenčních měničů. Použití prvních čtyř zařízení neposkytuje vysoce kvalitní regulaci otáček, je neekonomické a vyžaduje vysoké náklady při instalaci a provozu. Statické frekvenční měniče jsou v současnosti nejpokročilejšími zařízeními pro řízení asynchronních pohonů.

Principem frekvenční metody pro řízení otáček asynchronního motoru je změna frekvence f1 napájecí napětí, může být v souladu s výrazem

konstantní počet párů pólů p ke změně úhlové rychlosti magnetického pole statoru. Tato metoda poskytuje plynulou regulaci rychlosti v širokém rozsahu a mechanické vlastnosti jsou vysoce tuhé. Regulaci otáček v tomto případě neprovází zvýšení skluzu asynchronního motoru, takže ztráta výkonu při regulaci je malá. Pro dosažení vysokého energetického výkonu asynchronního motoru - účiníky, účinnost, přetížitelnost - je nutné měnit vstupní napětí současně s frekvencí.

Zákon změny napětí závisí na charakteru zatěžovacího momentu Slečna. S konstantním zatěžovacím momentem Mc=konst napětí na statoru musí být regulováno úměrně frekvenci :

.

Pro ventilátorový charakter zátěžového momentu má tento stav tvar:

Když je zatěžovací moment nepřímo úměrný otáčkám:

Pro plynulou plynulou regulaci rychlosti otáčení hřídele asynchronního elektromotoru tedy musí frekvenční měnič zajišťovat současnou regulaci frekvence a napětí na statoru asynchronního motoru.

Při skalárním řízení se podle určitého zákona mění amplituda a frekvence napětí aplikovaného na motor. Změna frekvence napájecího napětí vede k odchylce od vypočtených hodnot maximálních a rozběhových momentů motoru, účinnosti, účiníku. Pro zachování požadovaných výkonových charakteristik motoru je proto nutné současně měnit amplitudu napětí se změnou frekvence.

U stávajících frekvenčních měničů se skalárním řízením je poměr maximálního momentu motoru nejčastěji udržován konstantní M Max do momentu odporu na hřídeli M S. To znamená, že když se frekvence změní, amplituda napětí se změní takovým způsobem, že poměr maximálního momentu motoru k momentu aktuálního zatížení zůstane nezměněn. Tento poměr se nazývá přetížitelnost motoru.

S konstantní přetížitelností, jmenovitým účiníkem a účinností motoru v celém rozsahu regulace otáček se prakticky nemění.

Hlavním rysem v regulaci krevního tlaku je, že je nutné změnit napětí U na statoru v závislosti na momentu statické elektřiny M S odporu a v souladu se změnou frekvence.

U metody skalárního řízení je tedy závislost napájecího napětí na frekvenci dána charakterem zatížení hřídele elektromotoru. V tomto případě pro konstantní zatěžovací moment je poměr vždy zachován U/F = konst a ve skutečnosti je zajištěna stálost maximálního točivého momentu motoru. Současně při nízkých frekvencích, počínaje určitou hodnotou frekvence, začíná klesat maximální točivý moment motoru. Pro kompenzaci tohoto stavu a pro zvýšení rozběhového momentu se používá zvýšení úrovně napájecího napětí.

Pomocí závislosti maximálního momentu na napětí a frekvence, můžete vykreslit pro U z F pro jakýkoli typ zátěže.

Důležitou výhodou skalární metody je možnost současného řízení skupiny elektromotorů.

Skalární řízení je dostatečné pro většinu praktických aplikací frekvenčního měniče s rozsahem regulace otáček motoru až 1:40.

Vektorové řízení umožňuje výrazně zvýšit dosah ovládání, přesnost ovládání, zvýšit rychlost elektrického pohonu. Tato metoda poskytuje přímou kontrolu točivého momentu motoru.

Točivý moment je určen proudem statoru, který vytváří budící magnetické pole. Při přímém řízení momentu je nutné kromě amplitudy a fáze proudu statoru měnit i vektor proudu. To je důvod pro termín "vektorové řízení".

Pro řízení vektoru proudu a v důsledku toho i polohy magnetického toku statoru vzhledem k rotujícímu rotoru je nutné znát přesnou polohu rotoru v každém okamžiku. Problém je řešen buď pomocí vzdáleného snímače polohy rotoru, nebo určením polohy rotoru výpočtem dalších parametrů motoru. Jako tyto parametry se používají proudy a napětí vinutí statoru.

Méně nákladný je frekvenční měnič s vektorovým řízením bez snímače zpětné vazby otáček, nicméně vektorové řízení vyžaduje velké množství a vysokou rychlost výpočtů z frekvenčního měniče.

Navíc pro přímou regulaci točivého momentu při nízkých, téměř nulových otáčkách není provoz frekvenčně řízeného elektrického pohonu bez zpětné vazby otáček nemožný.

Vektorové řízení se snímačem zpětné vazby rychlosti poskytuje regulační rozsah až 1:1000 a vyšší, přesnost regulace rychlosti - setiny procenta, přesnost točivého momentu - několik procent.

U synchronního frekvenčního měniče se používají stejné způsoby řízení jako u asynchronního.

Řídící část měniče je realizována na digitálních mikroprocesorech a zajišťuje řízení výkonových elektronických klíčů a také řešení velkého množství pomocných úloh (řízení, diagnostika, ochrana). V tomto případě se na výstupu frekvenčního měniče vytvoří třífázové (nebo jednofázové) střídavé napětí s proměnnou frekvencí a amplitudou ( A výstup = var, ƒ výstup = var).

Mechanické charakteristiky asynchronního motoru s frekvenční regulací otáček pro různé řídicí objekty mají podobu na obrázku 1.2.

Tedy pro řídicí objekty s konstantním momentem statického zatížení M C = Const, napájecí napětí by se mělo měnit úměrně jeho frekvenci U/ F = konst v řídicích objektech vyžadujících regulaci rychlosti při konstantním výkonu P C = Const kontrolní zákon bude: U/  F = konst, při zatížení ventilátoru odpovídá zákon regulace U/ F 2 = konst. Z těchto důvodů je nejrozšířenější způsob regulace u mechanismů M S = Const, i když v zásadě použití funkčních měničů umožňuje realizovat kterýkoli z těchto zákonů.

Donedávna byly elektrické pohonné systémy pro přímočaré tažné stolice stavěny výhradně na bázi stejnosměrných motorů. Důvodem byl nedostatek spolehlivých frekvenčních měničů. Systémy motorů s tyristorovým měničem (TP-D) mají současně takové nevýhody, jako jsou:

Omezení rychlosti nárůstu proudu kotvy, zvýšený moment setrvačnosti elektrického pohonu, což vede ke snížení rychlosti automatických řídicích systémů;

Vysoké ukazatele hmotnosti a velikosti;

Náročnost na údržbu.

Uvedené nevýhody jsou způsobeny přítomností kolektoru a v důsledku toho spínacími procesy a mohou být odstraněny při stavbě elektrického pohonného systému založeného na asynchronním motoru s kotvou nakrátko.

V současné době jsou dostatečné zkušenosti s průmyslovou aplikací elektropohonů podle systému FC-IM ve výkonovém rozsahu 35...100 kW.

Systém FC-IM, který má regulační rozsah až 1:1000 a vyšší, přesnost regulace otáček - setiny procent a přesnost točivého momentu - několik procent, tak může zajistit potřebnou synchronizaci otáček hnacích motorů v přímoproudý tažný stroj pro účely kontinuálního tažení a dané hodnoty napětí drátu.

1.5.2 Čerpací stanice s frekvenčním pohonem. V čerpací stanici č. 1 v Taldykorganu je přes FCT měnič vyvinutý ve Výzkumném ústavu KhEMZ připojen konvenční asynchronní motor čerpadla s kotvou nakrátko o výkonu 110 kW/h. Řídicí systém elektrického pohonu je postaven podobně jako dříve popsané s tím rozdílem, že jako hladinoměr je v systému použit ultrazvukový hladinoměr ECHO3. Použití frekvenčního elektrického pohonu v této instalaci snižuje spotřebu elektrické energie o 60 tisíc kWh za rok. asi o 5 %.

Čerpací stanice v Taldykorganu rovněž využívají frekvenční měniče typu PHR-2 vyráběné finskou firmou Stromberg, na jejichž základě vzniklo více než 10 automatických řídicích systémů pro provoz čerpacích stanic s jednotkami o výkonu 75 až 160 kW. byly vytvořeny a fungují.

Frekvenční měniče Stromberg jsou vysoce spolehlivé a poměrně kompaktní prostředky pro regulaci čerpacích jednotek. Pro zajištění rovnoměrného používání čerpacích jednotek je k dispozici zařízení, pomocí kterého je lze postupně připojit k jednomu měniči.

1.5.3 Vícerychlostní elektromotory v čerpacích agregátech. Cirkulační čerpací stanice některých KVET Taldykorgan jsou vybaveny vertikálními čerpacími jednotkami s dvourychlostními motory značky DVDA215/64-16-20K. Ze sedmi čerpadel v každé stanici jsou dvě poháněna těmito elektromotory. Jmenovitý výkon motoru 1400 kW, otáčky 375 a 300 ot./min. Přítomnost takových čerpacích jednotek umožňuje lépe přizpůsobit provozní režim čerpací jednotky provoznímu režimu topné sítě. Dvourychlostní elektromotory se také používají ve vodních čerpacích zařízeních.

- Co je vektorové řízení?
- Udržujte proud na 90 stupních.

Pojem "vektorové řízení" elektromotorů zná každý, kdo se alespoň nějak zajímá o otázku, jak ovládat střídavý motor pomocí mikrokontroléru. Obvykle je však v každé knize o elektrických pohonech kapitola o vektorovém řízení někde na konci, skládá se z hromady chlupatých vzorců s odkazy na všechny ostatní kapitoly knihy. Proč této problematice vůbec nechci rozumět. A i ta nejjednodušší vysvětlení si stále razí cestu diferenciálními rovnicemi rovnováhy, vektorovými diagramy a hromadou další matematiky. Kvůli čemu jsou přibližně takové pokusy nějak roztočit motor bez použití mat.chasti. Ale ve skutečnosti je vektorové ovládání velmi jednoduché, pokud rozumíte principu jeho fungování „na prstech“. A tam bude v případě potřeby zábavnější řešit vzorce.

Princip činnosti synchronního stroje

Zvažte princip fungování nejjednoduššího střídavého motoru - synchronního stroje s permanentními magnety. Vhodným příkladem je kompas: jeho magnetická střelka je rotorem synchronního stroje a magnetické pole Země je magnetické pole statoru. Bez vnější zátěže (a v kompasu žádná není, kromě tření a kapaliny, která tlumí vibrace šipky), je rotor vždy orientován podél pole statoru. Pokud držíme kompas a otáčíme Zemí pod ním, pak se za ním bude točit šipka, která bude dělat práci při míchání kapaliny uvnitř kompasu. Existuje ale o něco jednodušší způsob - můžete si vzít externí magnet, například ve formě tyče s póly na koncích, jejíž pole je mnohem silnější než magnetické pole Země, přivést jej ke kompasu shora a otočte magnetem. Šipka bude sledovat rotující magnetické pole. U skutečného synchronního motoru je pole statoru vytvářeno elektromagnety - cívkami s proudem. Schémata vinutí jsou složitá, ale princip je stejný - vytvářejí magnetické pole se statorem, nasměrované správným směrem a mající správnou amplitudu. Podívejme se na následující obrázek (Obrázek 1). Uprostřed je magnet - rotor synchronního motoru ("jehla" kompasu) a po stranách jsou dva elektromagnety - cívky, z nichž každý vytváří své vlastní magnetické pole, jeden ve svislé ose, druhý ve svislé ose. horizontální.

Obrázek 1. Princip činnosti synchronního elektrického stroje

Magnetický tok cívky je úměrný proudu v ní (v prvním přiblížení). Nás bude zajímat magnetický tok od statoru v místě, kde se nachází rotor, tzn. ve středu figury (zanedbáváme okrajové efekty, rozptyl a vše ostatní). Magnetické toky dvou kolmých cívek se sčítají vektorově a tvoří jeden společný tok pro interakci s rotorem. Ale protože je tok úměrný proudu v cívce, je vhodné kreslit vektory proudu přímo a zarovnat je s tokem. Obrázek ukazuje některé proudy Iα A Ip, vytvářející magnetické toky podél os α a β. Celkový vektor proudu statoru Je vytváří ko-směrný statorový magnetický tok. Tito. ve skutečnosti Je symbolizuje vnější magnet, který jsme přivedli ke kompasu, ale vytvořili ho elektromagnety - cívky s proudem.
Na obrázku je rotor umístěn v libovolné poloze, ale z této polohy bude mít rotor tendenci se otáčet podle magnetického toku statoru, tzn. podle vektoru Je(poloha rotoru je v tomto případě znázorněna tečkovanou čarou). Pokud je tedy proud aplikován pouze na fázi α řekni Iα\u003d 1A, rotor bude stát vodorovně, a pokud je v β, svisle, a pokud použijete Ip= -1A, pak se překlopí o 180 stupňů. Pokud dodáváte proud Iα podle sinusového zákona a Ip podle kosinusového zákona času vznikne rotující magnetické pole. Rotor jej bude následovat a otáčet se (jako střelka kompasu sleduje otáčení magnetu ručně). To je základní princip fungování synchronního stroje, v tomto případě dvoufázového s jedním párem plusů.
Nakreslíme graf momentu motoru v závislosti na úhlové poloze hřídele rotoru a vektoru proudu Je stator - úhlová charakteristika synchronního motoru. Tato závislost je sinusová (obrázek 2).

Obrázek 2. Úhlová charakteristika synchronního stroje (existuje určitý historický zmatek se znaky momentu a úhlu, proto se charakteristika často kreslí obráceně vzhledem k vodorovné ose).

Chcete-li získat tento graf v praxi, můžete umístit snímač točivého momentu na hřídel rotoru a poté zapnout libovolný vektor proudu, například jednoduše přivést proud do fáze α. Rotor se otočí do odpovídající polohy, která musí být brána jako nula. Poté pomocí snímače točivého momentu „rukama“ musíte otočit rotor a v každém bodě zafixovat úhel na grafu θ , kterou otočili, a okamžik, který senzor ukázal. Tito. musíte protáhnout "magnetickou pružinu" motoru přes snímač točivého momentu. Největší moment bude pod úhlem 90 stupňů od aktuálního vektoru (od začátku). Amplituda výsledného maximálního momentu M max je úměrná amplitudě aplikovaného vektoru proudu. Pokud použijeme 1A, dostaneme řekněme M max = 1 N∙m (newton * metr, jednotka točivého momentu), pokud použijeme 2A, dostaneme M max = 2 N∙m.

Z této charakteristiky vyplývá, že motor vyvine největší točivý moment, když je rotor v úhlu 90° k vektoru proudu. Protože při vytváření řídicího systému na mikrokontroléru chceme z motoru získat největší točivý moment s minimálními ztrátami a ztráty jsou především proudem ve vinutí, je nejracionálnější nastavit vektor proudu vždy pod úhlem 90° k magnetickému poli rotoru, tzn. kolmo k magnetu na obrázku 1. Vše je nutné změnit obráceně - ne rotor jde na námi nastavený vektor proudu, ale vždy nastavíme vektor proudu na 90° k rotoru, ať se tam otáčí jakkoli , tj. "přibijte" proudový vektor na rotor. Moment motoru budeme regulovat amplitudou proudu. Čím větší je amplituda, tím vyšší je moment. A frekvence otáčení, frekvence proudu ve vinutí už není „naší“ záležitostí - co se stane, jak se rotor bude otáčet, bude to tak - řídíme moment na hřídeli. Kupodivu se tomu říká vektorové řízení - když řídíme vektor statorového proudu tak, aby byl v úhlu 90° k magnetickému poli rotoru. Ačkoli některé učebnice poskytují širší definice, až do té míry, že vektorové řízení se obecně nazývá jakékoli zákony řízení, kde jsou zapojeny „vektory“, ale obvykle je vektorové řízení chápáno jako výše uvedená metoda řízení.

Vytvoření struktury vektorového řízení

Jak se ale v praxi dosahuje vektorového řízení? Je zřejmé, že nejprve musíte znát polohu rotoru, aby bylo co měřit 90 ° vzhledem k. Nejsnadněji to lze provést instalací snímače polohy na hřídel rotoru. Pak musíte přijít na to, jak vytvořit proudový vektor a udržovat požadované proudy ve fázích α A β . Na motor přivádíme napětí, ne proud ... Ale jelikož chceme něco podpořit, musíme to změřit. Proto jsou pro vektorové řízení potřeba snímače fázového proudu. Dále je potřeba sestavit strukturu vektorového řízení ve formě programu na mikrokontroléru, který bude dělat vše ostatní. Aby toto vysvětlení nevypadalo jako návod „jak nakreslit sovu“, pokračujme v ponoru.
Proud mikrokontrolérem můžete udržovat pomocí softwarového PI (proporcionálně-integrálního) regulátoru proudu a PWM. Například struktura regulátoru proudu pro jednu fázi α je znázorněna níže (obrázek 3).

Obrázek 3. Struktura řízení proudové smyčky pro jednu fázi

Zde aktuální nastavení i α_set- určitá konstanta, proud, který chceme pro tuto fázi udržet, například 1A. Úkol přejde na sčítačku regulátoru proudu, jejíž zveřejněná struktura je znázorněna výše. Pokud čtenář neví, jak funguje PI regulátor, pak, bohužel, ach. Něco z toho mohu jen doporučit. Regulátor výstupního proudu nastavuje fázové napětí Uα. Napětí je přiváděno do bloku PWM, který vypočítává pracovní cykly (srovnávací nastavení) pro časovače PWM mikrokontroléru a vytváří tak PWM na čtyřklíčovém můstkovém invertoru. Uα. Algoritmus může být různý, například pro kladné PWM napětí je pravý stojan úměrný nastavení napětí, spodní spínač je sepnut vlevo, pro záporné PWM je levý a spodní sepnut. právo. Nezapomeňte přidat mrtvý čas! Výsledkem je, že taková struktura dělá softwarový „zdroj proudu“ díky zdroji napětí: nastavíme hodnotu, kterou potřebujeme i α_set a daná struktura jej implementuje s určitou rychlostí.

Dále si možná někteří čtenáři již mysleli, že před vektorovou řídicí strukturou je věc malá - musíte dát dva proudové regulátory pro každou fázi regulátoru a vytvořit na nich úlohu v závislosti na úhlu od polohy rotoru. senzor (RPS), tj. udělejte něco jako tuto strukturu (obrázek 4):

Obrázek 4. Nesprávná (naivní) struktura vektorového řízení

To nemůžeš. Když se rotor otáčí, proměnné i α_set A i β_set bude sinusový, tzn. aktuální nastavení regulátoru se bude neustále měnit. Rychlost ovladače není nekonečná, takže když se úkol změní, hned to nevyřeší. Pokud se úkol neustále mění, regulátor ho bude neustále dohánět a nikdy ho nedosáhne. A se zvyšováním rychlosti otáčení motoru bude zpoždění skutečného proudu od daného stále větší, až požadovaný úhel 90 ° mezi proudem a magnetem rotoru přestane být podobný tomu při všechny a vektorové řízení přestává být takové. Proto to dělají jinak. Správná struktura je následující (obrázek 5):

Obrázek 5. Struktura řízení vektorového snímače pro dvoufázový synchronní stroj

Zde byly přidány dva bloky - BKP_1 a BKP_2: bloky transformací souřadnic. Dělají velmi jednoduchou věc: otočí vstupní vektor o daný úhel. Navíc se BPK_1 otočí na + ϴ , a BKP_2 na - ϴ . To je celý rozdíl mezi nimi. V zahraniční literatuře se jim říká Parkové proměny. BKP_2 provádí transformaci souřadnic pro proudy: z pevných os α A β , svázaný se statorem motoru, s rotačními osami d A q přivázaný k rotoru motoru (pomocí úhlu polohy rotoru ϴ ). A BKP_1 provede obrácenou transformaci, od nastavení napětí podél os d A q dělá přechod do os α A β . Vzorce pro transformaci souřadnic neuvádím, ale jsou jednoduché a velmi snadno dohledatelné. Ve skutečnosti není nic složitějšího než školní geometrie (obrázek 6):

Obrázek 6. Transformace souřadnic z pevných os α a β, spojených se statorem motoru, na rotační osy d A q připevněný k rotoru

To znamená, že namísto „rotace“ úlohy regulátorů (jak tomu bylo v předchozí struktuře) rotují jejich vstupy a výstupy a samotné regulátory pracují ve statickém režimu: proudy d, q a výstupy regulátorů v ustáleném stavu jsou konstantní. sekery d A q otáčejí spolu s rotorem (takto je otáčí signál ze snímače polohy rotoru), zatímco osový regulátor q reguluje přesně proud, který jsem na začátku článku nazval „kolmo k poli rotoru“, to znamená, že se jedná o proud generující točivý moment a proud d ve společné režii s "magnetem rotoru", takže ho nepotřebujeme a nastavíme ho na nulu. Taková konstrukce je ušetřena nevýhody první konstrukce – současné regulátory ani nevědí, že se někde něco točí. Pracují ve statickém režimu: upravili každý svůj proud, dosáhli daného napětí – a je to, neutíkej před nimi jako rotor, ani o tom nebudou vědět: veškerou práci dělají souřadnicové transformační jednotky při otáčení.

Pro vysvětlení "na prstech" můžete uvést nějakou analogii.

Pro lineární provoz nechť je to například městský autobus. Neustále zrychluje, pak zpomaluje, pak se vrací zpět a celkově se chová, jak chce: to je rotor motoru. Jste také v autě poblíž a jedete paralelně: vaším úkolem je být přesně uprostřed autobusu: „udržovat 90°“, jste aktuálními regulátory. Pokud autobus neustále mění rychlost, musíte také odpovídajícím způsobem měnit rychlost a neustále ji sledovat. Ale teď pro vás uděláme "vektorovou kontrolu". Vlezli jste do autobusu, postavili se doprostřed a drželi se zábradlí – stejně jako autobus neutíkej, snadno si poradíte s úkolem „být uprostřed autobusu“. Stejně tak regulátory proudu, „valící se“ v rotačních osách d, q rotoru, žijí snadným životem.

Výše uvedená struktura skutečně funguje a používá se v moderních elektrických pohonech. Jen tomu chybí celá hromada drobných "vylepšení", bez kterých už to není zvykem, jako kompenzace křížové vazby, různá omezení, zeslabování pole atp. Ale základní princip je právě takový.

A pokud potřebujete regulovat nikoli točivý moment pohonu, ale stále otáčky (podle správné úhlové rychlosti, rychlosti otáčení)? No, pak jsme dali další PI regulátor - regulátor otáček (RS). Na vstupu dáváme referenci otáček a na výstupu máme referenci točivého momentu. Od osového proudu q je úměrný točivému momentu, je možné zjednodušit výstup regulátoru otáček přímo na vstup regulátoru osového proudu q, takto (obrázek 7):

Obrázek 7. Regulátor rychlosti pro vektorové řízení
Zde je ZI regulátorem intenzity, plynule mění svůj výkon tak, aby motor zrychloval požadovaným tempem, a nejede naplno, dokud nejsou nastaveny otáčky. Aktuální rychlost ω je převzata z manipulátoru snímače polohy rotoru, od ω je derivace úhlové polohy ϴ . No, nebo můžete jen zjistit čas mezi impulsy senzoru ...

Jak udělat totéž pro třífázový motor? No, vlastně nic zvláštního, přidáme další blok a vyměníme modul PWM (obrázek 8).

Obrázek 8. Struktura řízení vektorového snímače pro třífázový synchronní stroj

Třífázové proudy, stejně jako dvoufázové, slouží jedinému účelu - vytvořit vektor statorového proudu Je, směrované v požadovaném směru a mající požadovanou amplitudu. Proto lze třífázové proudy jednoduše převést na dvoufázové a poté opustit stejný řídicí systém, který již byl sestaven pro dvoufázový stroj. V anglicky psané literatuře se takový „přepočet“ nazývá Clarkeova transformace (je jí Edith Clarke), v našem případě fázové transformace. Ve struktuře na obrázku 8 je to provedeno blokem fázových transformací. Jsou vyrobeny opět pomocí kurzu školní geometrie (obrázek 9):

Obrázek 9. Převody fází - ze tří fází na dvě. Pro usnadnění akceptujeme rovnost amplitudy vektoru I s amplitudou proudu ve fázi

Myslím, že komentáře nejsou potřeba. Pár slov k proudu fáze C. Nepotřebujete tam dávat proudové čidlo, jelikož tři fáze motoru jsou spojeny do hvězdy a podle Kirchhoffova zákona musí protékat vše, co proteklo dvěma fázemi. ze třetího (pokud ovšem váš motor nemá porušenou izolaci a polovina neunikla někde na karoserii), takže proud fáze C se vypočítá jako skalární součet proudů fází A a B s a znaménko mínus. I když je někdy instalován třetí senzor, aby se snížila chyba měření.

Potřebujete také kompletní přepracování modulu PWM. Obvykle se pro třífázové motory používá třífázový šestispínačový měnič. Na obrázku je napěťová reference stále přijímána ve dvoufázových osách. Uvnitř PWM modulu lze pomocí inverzních fázových transformací toto převést na napětí fází A, B, C, které je v tuto chvíli nutné přivést na motor. Ale co dělat dál... Možnosti jsou možné. Naivní metodou je dát každé invertorové jednotce pracovní cyklus úměrný požadovanému napětí plus 0,5. Toto se nazývá sinusové PWM. Právě tuto metodu autor použil na habrahabr.ru/post/128407. U této metody je vše v pořádku, až na to, že tato metoda nedostatečně využije napěťový střídač - tzn. maximální napětí, které bude získáno, bude nižší, než jaké byste mohli získat, pokud byste použili pokročilejší metodu PWM.

Pojďme počítat. Nechte si nechat klasický frekvenční měnič napájený průmyslovou třífázovou sítí 380V 50Hz. Zde je 380V lineární (mezi fázemi) provozní napětí. Jelikož je v převodníku usměrňovač, tak toto napětí usměrní a stejnosměrná sběrnice bude mít napětí rovné amplitudovému lineárnímu napětí, tzn. 380∙√2=540VDC (alespoň bez zátěže). Pokud použijeme sinusový výpočetní algoritmus v modulu PWM, pak amplituda maximálního fázového napětí, kterou dokážeme udělat, bude rovna polovině napětí na stejnosměrné sběrnici, tzn. 540/2=270V. Přepočítejme do aktuální fáze: 270/√2=191V. A nyní do proudu lineárního: 191∙√3=330V. Nyní můžeme porovnávat: dostali jsme 380V a vyšlo 330V ... A více s tímto typem PWM je nemožné. K nápravě tohoto problému se používá tzv. vektorový typ PWM. V něm bude na výstupu opět 380V (v ideálním případě bez zohlednění všech úbytků napětí). Vector PWM nemá nic společného s vektorovým řízením motoru. Jen je v jejím odůvodnění opět použito trochu školní geometrie, proto se jí říká vektorová. Jeho dílo se ale nedá vysvětlit na prstech, takže čtenáře pošlu do knih (na konci článku) nebo na Wikipedii. Mohu také poskytnout obrázek, který trochu naznačuje rozdíl ve fungování sinusového a vektorového PWM (obrázek 10):

Obrázek 10. Změna fázových potenciálů pro skalární a vektorové PWM

Typy snímačů polohy

Mimochodem, jaké snímače polohy se používají pro vektorové řízení? Nejčastěji se používají čtyři typy senzorů. Jedná se o kvadraturní inkrementální kodér, kodér Hallových prvků, kodér absolutní polohy a kodér selsyn.
Kvadraturní kodér neudává absolutní polohu rotoru - svými impulsy umožňuje pouze určit, kolik jste ujeli, ale ne kam a odkud (jelikož začátek a konec souvisí s umístěním magnetu rotoru). Proto není vhodný pro vektorové řízení synchronního stroje sám o sobě. Jeho výchozí značka (index) situaci trochu zachraňuje - je jedna za mechanickou otáčku, pokud ji dosáhnete, pak se zjistí absolutní poloha a z ní už můžete počítat, kolik jste ujeli kvadraturním signálem. Jak se ale k tomuto označení na začátku práce dostat? Obecně to není vždy nepohodlné.
Hallův elementový senzor je hrubý senzor. Vyrábí pouze několik impulsů na otáčku (v závislosti na počtu Hallových prvků, u třífázových motorů jsou to obvykle tři, tedy šest impulsů), což umožňuje znát polohu v absolutních hodnotách, ale s nízkou přesností. Přesnost je obvykle dostatečná pro dodržení úhlu vektoru proudu, takže motor jede alespoň dopředu a ne dozadu, ale točivý moment a proudy budou pulzovat. Pokud motor zrychlil, pak můžete začít programově extrapolovat signál ze snímače v čase - tzn. vytvořte lineárně se měnící úhel z hrubého diskrétního úhlu. To se provádí na základě předpokladu, že se motor otáčí zhruba konstantní rychlostí, něco takového (obrázek 11):

Obrázek 11. Činnost snímače polohy na Hallových prvcích pro třífázový stroj a extrapolace jeho signálu

U servomotorů se často používá kombinace kodéru a Hallova snímače. V tomto případě je možné vyrobit jediný softwarový modul pro jejich zpracování, čímž se odstraní nevýhody obou: extrapolovat výše uvedený úhel, ale ne podle času, ale podle značek z kodéru. Tito. uvnitř, od přední části k přední části Hallova senzoru, funguje kodér a každá přední strana Hall jasně inicializuje aktuální absolutní úhlovou polohu. V tomto případě bude pouze první pohyb pohonu suboptimální (ne pod 90°), dokud nedosáhne některé přední části Hallova senzoru. Samostatným problémem je v tomto případě zpracování neideality obou snímačů - symetricky a jednotně Hallovy prvky jsou k dispozici jen zřídka...

V ještě dražších aplikacích absolutní kodér s digitálním rozhraním (absolutní kodér), který okamžitě udává absolutní polohu a umožňuje vám nezažít výše popsané problémy.

Pokud je motor velmi horký a také když je vyžadována zvýšená přesnost měření úhlu, použijte „analogový“ senzor selsyn(resolver, rotační transformátor). Je to malý elektrický stroj používaný jako senzor. Představte si, že v synchronním stroji, který jsme uvažovali na obrázku 1, je místo magnetů jiná cívka, na kterou aplikujeme vysokofrekvenční signál. Pokud je rotor vodorovný, pak se signál bude indukovat pouze ve cívce fázového statoru α , pokud vertikálně, tak pouze dovnitř β , pokud to otočíte o 180, tak se fáze signálu změní a v mezipolohách se indukuje tam a zpět podle zákona sinus / kosinus. V souladu s tím, měřením amplitudy signálu ve dvou cívkách, poměr této amplitudy a fázového posunu může také určit polohu. Instalací takového stroje jako snímače k ​​hlavnímu můžete zjistit polohu rotoru.
Existuje mnoho exotičtějších snímačů polohy, zejména pro velmi přesné aplikace, jako je výroba elektronických čipů. Tam se již používají jakékoliv fyzikální jevy, aby se pouze co nejpřesněji zjistila poloha. Nebudeme je brát v úvahu.

Zjednodušení vektorového ovládání

Jak jste pochopili, vektorové řízení je docela náročné - nastavte na něj snímače polohy a na to snímače proudu a vektorové PWM a mikrokontrolér není jakkoli spočítat celou tuto matematiku. Proto je pro jednoduché aplikace zjednodušené. Pro začátek můžete eliminovat snímač polohy vytvořením bezsenzorového vektorového řízení. K tomu použijte trochu více matematické magie, která se nachází ve žlutém obdélníku (obrázek 12):

Obrázek 12. Bezsenzorová vektorová řídicí struktura

Pozorovatel je blok, který přijímá informace o napětí aplikovaném na motor (například z úlohy pro modul PWM) a o proudech v motoru ze snímačů. Uvnitř pozorovatele pracuje model elektromotoru, který se, zhruba řečeno, snaží přizpůsobit své proudy ve statoru těm naměřeným ze skutečného motoru. Pokud by uspěla, pak můžeme předpokládat, že i poloha rotoru simulovaná uvnitř hřídele se shoduje s tou skutečnou a lze ji využít pro potřeby vektorového řízení. No, to je samozřejmě dost zjednodušené. Typy takových pozorovatelů nelze spočítat. Každý absolvent oboru "elektrický pohon" se snaží vymyslet svůj vlastní, který je o něco lepší než ostatní. Základním principem je sledování EMF elektromotoru. Proto je nejčastěji bezsenzorový řídicí systém provozuschopný pouze při relativně vysoké rychlosti, kde je EMF velké. Ve srovnání s přítomností senzoru má také řadu nevýhod: potřebujete znát parametry motoru, rychlost jízdy je omezená (pokud se rychlost dramaticky změní, pozorovatel ji nemusí mít čas sledovat a „ lhát“ nějakou dobu, nebo se dokonce „rozpadnout“ úplně) , nastavení pozorovatele je celý postup, pro jeho kvalitní práci je potřeba přesně znát napětí na motoru, přesně měřit jeho proudy atd.

Existuje další možnost zjednodušení. Můžete například provést takzvané „automatické přepínání“. V tomto případě se u třífázového motoru upouští od komplexní metody PWM, upouští se od složité vektorové struktury a fáze motoru jsou jednoduše zapnuty snímačem polohy na Hallových prvcích, a to i někdy bez omezení proudu. Proud ve fázích není sinusový, ale lichoběžníkový, obdélníkový, nebo ještě více zkreslený. Volbou okamžiku sepnutí fází se ale snaží zajistit, aby průměrný vektor proudu byl stále 90 stupňů k „magnetu rotoru“. V tomto případě, včetně fáze pod napětím, není známo, kdy se proud ve fázi motoru zvýší. Při nízké rychlosti to dělá rychleji, při vysoké rychlosti, kde ruší EMF stroje, pomaleji a rychlost nárůstu proudu závisí na indukčnosti motoru atd. Proto i při zahrnutí fází v přesně ten správný čas vůbec neplatí, že průměrný vektor proudu bude na správném místě a se správnou fází – může buď vést, nebo zaostávat oproti optimálním 90 stupňům. Proto je v takových systémech zavedeno nastavení „předstihu komutace“ - ve skutečnosti je jen čas, o kolik dříve je nutné přivést napětí na fázi motoru, aby se ve výsledku fáze vektoru proudu přiblížila 90 stupňů. Jednoduchým způsobem se tomu říká „vyladění časování“. Vzhledem k tomu, že proud v elektromotoru při automatickém spínání není sinusový, pak pokud vezmeme výše diskutovaný sinusový stroj a budeme jej takto ovládat, bude moment na hřídeli pulzovat. Proto se u motorů určených pro automatické přepínání magnetická geometrie rotoru a statoru často mění zvláštním způsobem, aby byly pro tento typ řízení vhodnější: EMF těchto strojů je vyrobeno lichoběžníkové, díky čemuž fungují lepší v režimu automatického přepínání. Synchronní stroje optimalizované pro autokomutaci se nazývají bezkomutátorové stejnosměrné motory (BLDC) nebo anglicky BLDC (Brushless Direct Current Motor). Režim automatického přepínání se také často nazývá ventilový režim a motory, které s ním pracují, jsou ventilové. Všechno jsou to ale jen různé názvy, které podstatu nijak neovlivňují (ale ostřílené elektropohony často trpí SPGS ve věcech souvisejících s těmito názvy). Existuje dobré video ilustrující princip fungování takových strojů. Ukazuje motor obrácený, s rotorem na vnější straně a statorem na vnitřní straně:

Ale existuje kurz článků o takových motorech a hardwaru řídicího systému.

Můžete dokonce jít na ještě větší zjednodušení. Přepněte vinutí tak, aby jedna fáze byla stále „volná“ a nebylo na ni aplikováno PWM. Pak v něm můžete změřit EMF (napětí indukované ve fázové cívce) a když toto napětí projde nulou, použít jej jako signál snímače polohy rotoru, protože fáze tohoto indukovaného napětí závisí přesně na poloze rotoru. Ukazuje se bezsenzorové automatické spínání, které je široce používáno v různých jednoduchých pohonech, například v "regulátorech" vrtulí leteckých modelů. Zároveň je třeba mít na paměti, že EMF stroje se objevuje pouze při relativně vysoké rychlosti, takže pro spuštění takové řídicí systémy jednoduše pomalu třídí fáze a doufají, že rotor motoru bude sledovat dodávaný proud. Jakmile se objeví EMF, aktivuje se režim automatického přepínání. Bezsenzorový systém (tak jednoduchý a většinou i složitý) se proto nehodí pro úkoly, kde motor musí být schopen vyvinout točivý moment v téměř nulových otáčkách, například pro trakční pohon automobilu (nebo jeho modelu) , servopohon nějakého mechanismu atd. P. Ale bezsenzorový systém je úspěšně vhodný pro čerpadla a ventilátory, kde se používá.

Někdy však dochází k ještě většímu zjednodušení. Přepnutím fází pomocí speciálního mechanického spínače můžete zcela opustit mikrokontrolér, klíče, snímače polohy a další věci (obrázek 13):

Obrázek 13. Mechanický spínač pro spínání vinutí

Během rotace rotor sám přepíná své části vinutí a mění napětí, které je na ně přiváděno, zatímco proud v rotoru protéká střídavě. Komutátor je umístěn tak, že magnetický tok rotoru a statoru je opět blízko 90 stupňů, aby bylo dosaženo maximálního točivého momentu. Takovým motorům se sice naivně říká stejnosměrné motory, ale zcela nezaslouženě: uvnitř, po kolektoru, je proud stále střídavý!

Závěr

Všechny elektrické stroje fungují podobným způsobem. V teorii elektrického pohonu existuje dokonce pojem „generalizovaný elektrický stroj“, na který se redukuje práce ostatních. Vysvětlení „na prstech“ uvedené v článku nemůže v žádném případě sloužit jako praktický návod k psaní kódu mikrokontroléru. Článek považuje za dobře jedno procento informací, které jsou potřebné pro implementaci tohoto vektorového řízení. Chcete-li něco udělat v praxi, musíte nejprve znát TAU, alespoň na úrovni pochopení toho, jak funguje PI regulátor. Pak je třeba ještě nastudovat matematický popis jak synchronního stroje, tak i syntézu vektorového řízení. Studujte také vektorové PWM, zjistěte, co jsou to pólové páry, seznamte se s typy vinutí strojů a další. To lze provést v nedávné knize „Anuchin A.S. Electric drive control systems. MPEI, 2015“, stejně jako v „Kalachev Yu. N. Vector Regulation (praktické poznámky)“. Čtenáře je třeba varovat před ponořením se do vzorců „starých“ učebnic o pohonu, kde je hlavní důraz kladen na zohlednění vlastností elektromotorů při napájení přímo z třífázové průmyslové sítě, bez jakýchkoliv mikrokontrolérů a snímačů polohy. Chování motorů je v tomto případě popsáno složitými vzorci a závislostmi, ale pro problém vektorového řízení jsou téměř k ničemu (pokud jsou pouze studovány pro vlastní vývoj). Opatrní byste měli být zejména s doporučeními starých učebnic, kde se například říká, že synchronní stroj by neměl pracovat na maximum svého momentu, jelikož práce je tam nestabilní a hrozí převrácení - pro vektorové řízení jsou všechny to je "špatná rada".

Na jakém mikrokontroléru si můžete udělat plnohodnotné vektorové řízení, se dočtete například v našem článku Nový domácí motorový mikrokontrolér K1921VK01T JSC "NIIET" a jak jej odladit v článku Metody odladění softwaru mikrokontroléru v elektrickém pohonu . Navštivte také naše webové stránky: jsou tam zveřejněna zejména dvě nudná videa, kde v praxi ukazují, jak nastavit aktuální PI regulátor a jak funguje proudově uzavřená a vektorová bezsenzorová řídicí struktura. Kromě toho si můžete zakoupit ladicí sadu s hotovou strukturou vektorového řízení snímače na domácím mikrokontroléru.

P.S.
Omlouvám se odborníkům za ne zcela správné zacházení s některými pojmy, zejména s pojmy "tok", "vazba toku", "magnetické pole" a další - jednoduchost vyžaduje oběti...