Эффективное управление двигателем при использовании частотного преобразователя

Электродвигатели – одни из главных потребителей всей производимой в мире электроэнергии. Они активно применяются в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, транспорте и инфраструктуре. Чтобы сократить расход энергии, а также обеспечить безотказное, автоматизированное производство, необходимо использовать двигатель в тандеме с частотным преобразователем.

Частотные преобразователи способны изменять частоту питающего напряжения в автоматическом режиме, обеспечивая требуемые показатели конкретной задачи при непрерывном контроле скорости и момента электродвигателей.

Для этих целей существует несколько методов управления – скалярное (U/f), векторное (FOC или OLV\CLV) и прямое управление моментом (DTC), что обеспечивает широкий спектр применения частотных преобразователей. При этом указанные методы управления масштабируемы и могут применяться как на малых, так и на больших мощностях, превышающих сотни киловатт.

Подбор подходящего способа управления – это залог наиболее эффективной работы двигателей, который позволяет сэкономить большое количество энергии и обеспечить безотказное высокопроизводительное производство. В современных преобразователях частоты реализуются несколько методов управления.

Скалярное (U/f) управление электродвигателем переменного тока — это способ добиться работы с регулируемой скоростью путем изменения амплитуды и частоты напряжения или тока питания, игнорируя ориентацию магнитного поля внутри двигателя. Скалярное управление часто используется в разомкнутом контуре управления (без измерения скорости вращения ротора). Низкая стоимость и простота метода позволяют использовать его в большинстве частотных преобразователей, нацеленных на работу в нетребовательных применениях, например, в системах HVAC (Heating, Ventilation, & Air Conditioning – отопление, вентиляция и кондиционирование).

Векторное управление, также называемое ориентированным по полю (FOC – Field Oriented Control и, как частные варианты, OLV – Open loop vector control, CLV – close loop vector control), представляет собой метод управления частотно-регулируемым приводом, в котором токи статора идентифицируются как две ортогональные компоненты, которые можно визуализировать векторами. Одна компонента определяет магнитный поток двигателя, другая — крутящий момент. Система управления привода вычисляет соответствующие задания компонент тока на основе заданий потока и крутящего момента, формируемых, в свою очередь, системой управления привода на основе параметров и заданий, вносимых пользователем. В данном методе управления большое значение имеет положение ротора в конкретный момент времени: чем точнее привод получает это значение, тем эффективнее рассчитываются указанные компоненты момента и магнитного потока. Это напрямую влияет на качество поддержания момента на валу двигателя.

В индустрии существует два подхода к получению данных положения ротора:

1. математический,

2. физический.

В первом варианте положение ротора определяется расчётным методом на основе математической модели двигателя. Во втором на ротор двигателя устанавливается физический датчик положения, данные с которого также заносятся в математическую модель двигателя. Таким образом, при первом варианте у привода нет обратной связи по

положению ротора, и такой метод управления получил название «векторное управление с открытым контуром» (OLV). Во втором варианте векторный режим управления имеет обратную связь по положению ротора, такой метод управления получил название «векторное управление с закрытым контуром» (CLV). При прочих равных вариант с закрытым контуром точнее и эффективнее при переменной нагрузке, когда переходные процессы происходят быстро и часто.

В ассортименте EKF представлены две серии частотных преобразователей, поддерживающих сразу оба метода управления: U/f и FOC (OLV\CLV).

• Бюджетное решение PRO-Drive 90 – серия базовых компактных преобразователей, включающих скалярный метод управления (U/f) и векторный метод управления c открытым контуром (OLV). Эти преобразователи частоты имеют большой запас прочности IGBT-транзисторов и улучшенную термическую модель устройства, что позволяет осуществлять монтаж без обязательного соблюдения бокового интервала между корпусами нескольких устройств, а также работать в полном диапазоне температур от -10 до +50 градусов без снижения выходных токовых характеристик. Модельный ряд PRO-Drive 90 распределен по мощностным пределам от 1,5 до 400 кВт на питающее напряжение 400 В.

• PRO-Drive 150 – более функциональные преобразователи частоты, которые можно использовать с двигателями мощностью от 0,4 до 800 кВт при номиналах входного напряжения 230 В, 400 В и 690 В. Помимо базового скалярного метода управления, они включают еще и две вариации векторного управления, с открытым контуром (OLV) и с закрытым контуром (CLV). При этом PRO-Drive 150, благодаря более продвинутой компонентной базе и расширенному функционалу, способны управлять как асинхронными, так и синхронными двигателями, а модульная система плат управления позволяет расширить функционал преобразователя, добавив поддержку энкодера для организации замкнутого по скорости контура управления или дополнительные входные или выходные сигналы. Также, используя платы расширения, можно добавить поддержку протоколов ProfiBus DP, ProfiNet и EtherCAT.

Еще одним методом управления, а точнее вариацией векторного управления, является прямое управление моментом (DTC – Direct Torque Control). Это метод управления асинхронными и синхронными двигателями, который позволяет точно контролировать момент и угловую скорость двигателя. Этот метод был представлен фирмой ABB в 1980-х годах и с тех пор стал популярным благодаря своей способности обеспечивать высокую производительность без использования датчиков обратной связи по скорости или положению.

DTC работает путем прямого измерения и управления магнитным потоком и электромагнитным моментом двигателя. В отличие от других методов управления, таких как векторное управление, DTC не требует предварительного преобразования сигналов в отдельную систему координат (например, вращающуюся систему координат, связанную с ротором), что упрощает алгоритмы управления.

Основные принципы DTC:

1. Непосредственное измерение магнитного потока двигателя с помощью интеграции напряжения на его обмотках.

2. Сравнение измеренных значений потока и момента с заданными значениями и определение ошибки.

3. Выбор соответствующего напряжения инвертора для коррекции ошибки на основе таблицы переключений, что позволяет быстро и точно отрегулировать поток и момент.

4. Применение выбранного напряжения к двигателю через инвертор силовых полупроводников (обычно IGBT или MOSFET).

Преимущества DTC:

• Высокая динамическая характеристика из-за быстрого отклика на изменение нагрузки.
• Простота реализации, поскольку не требуется координатное преобразование или ПИ-регулирование.
• Хорошее качество управления как при низких, так и при высоких скоростях вращения.
• Не требуется датчик скорости для большинства приложений.

Недостатки DTC:

• Может возникать переменная частота переключения, что приводит к генерации шума и электромагнитных помех.
• Переменная частота переключения может усложнить обеспечение оптимальной работы фильтров и снижения помех.

Direct Torque Control широко используется в промышленных приложениях, где требуется точное и быстрое управление моментом и скоростью, например, в приводах лифтов, кранов, станков с ЧПУ и в электрических транспортных средствах. Именно для этих нужд был разработан PRO-Drive 500. Этот высокопроизводительный привод переменного тока может обеспечивать управление двигателями мощностного ряда от 1,5 до 4000 кВт на напряжение 400 В и 690 В.

Модульная конструкция на больших мощностях позволяет собирать приводные системы с общим блоком питания (AC-DC преобразователем) и несколькими инверторами (DC-AC преобразователями), подключенными на одной шине постоянного тока. Данное решение максимально эффективно в многоприводных системах (например, подъемно-транспортных или буровых механизмах). Оно позволяет обмениваться излишками накопленной на звене постоянного тока энергии торможения одних приводов для работы других подключенных к нему инверторов. Серия PRO-Drive 500 может использовать все три метода управления – U/f, FOC и DTC, – управляя как асинхронными, так и синхронными двигателями. А самая современная на текущий момент компонентная база позволяет добиться скорости реакции на возмущения нагрузки менее 5 мс.