Электрический привод играет значимую роль в реализации задач повышения производительности труда в различных отраслях промышленности и автоматизации производственных процессов.
Около 70% вырабатываемой электроэнергии преобразуется в механическую энергию электромашинами, которые приводят в движение различные станки и механизмы. Современный электропривод отличается большим разнообразием применяемых средств управления - от обычной коммутационной аппаратуры до преобразователей частоты с микроконтроллером, большим диапазоном мощностей двигателей, диапазоном регулирования скоростей до 10000:1 и более, применением как тихоходных, так и сверхскоростных электродвигателей.
В последние два десятилетия регулируемый асинхронный привод претерпел столь существенные изменения в своем развитии, что почти полностью вытеснил из многих областей привод постоянного тока.
Высокая скорость обработки информации современными процессорами дала толчок развитию старых и разработке новых алгоритмов управления системой «преобразователь-двигатель».
Сегодня частотное управление является для асинхронного привода своего рода техническим стандартом. В то же время практически вышли из употребления и не используются в современных разработках такие способы управления как симметричное и несимметричное управление напряжением, управление изменением числа пар полюсов, генератор-двигатель и д.р.
Наибольшее распространение получили асинхронные электроприводы со скалярным управлением. В системах где нужна большая точность регулирования используется векторное управление, но из-за сложности его применяют значительно реже.АКТУАЛЬНОСТЬ
С быстрым ростом промышленных электронных технологий пришло понимание того, что системы управления приводом промышленных механизмов, кроме выполнения операций запуска и остановки, должны контролировать все стадии производственного процесса, сокращать простои, повышать безопасность, увеличивать производительность оборудования, а также выполнять самодиагностику электронных систем и иметь еще целый набор необходимых и полезных функций. Именно поэтому накопленный за многие годы опыт передовых методов управления и защиты электропривода привел к появлению современных систем управления электродвигателями.
Широкое распространение получило скалярное управление, которое используют в приводах компрессоров, вентиляторов, насосов, групповых электроприводов и прочих механизмов в которых необходимо удерживать на определенном уровне или скорость вращения вала двигателя, либо какого-то технологического параметра. Скалярное управление асинхронным двигателем довольно просто реализуется, но все же имеются два значительных недостатка. Во-первых, если на валу не установлен датчик скорости, то невозможно осуществлять регулирование значения скорости вращения вала, поскольку она зависит от воздействующей на электропривод нагрузки. Еще одним значительным недостатком остается неточность при поддержании скорости.
Дабы устранить недостатки, которыми обладает скалярное управление двигателем, еще в 71-м году прошлого века компанией SIEMENS было предложено внедрение метода векторного управления двигателем. Система управления современных электроприводов содержит в себе математическую модель двигателя, позволяющую рассчитать скорость вращения и момент вала. Причем в качестве необходимых датчиков устанавливаются только датчики тока фаз статора двигателя. Специально разработанная структура системы управления обеспечивает независимость и малую инерционность регулирования основных параметров - момент вала и скорость вращения вала.
Несмотря на очевидные преимущества, метод векторного управления имеет и определенные недостатки - большая сложность вычислений, для работы необходимо знание больших параметров параметров двигателя, чем при скалярном управлении. Помимо всего прочего колебания значений скорости при постоянной нагрузке значительно больше, нежели при скалярном управлении. Так же существенным недостатком данного управления является негативное влияние высших гармоник. Высшие гармоники тока кратные трем, определяющие высокое значение коэффициента амплитуды и генерируемые однофазными нагрузками, имеют специфическое воздействие в трехфазных системах.
Анализ разгона привода на холостом ходу на частоте питания 30 Гц (94,2 рад/с) показывает, что векторное разомкнутое управление и векторное замкнутое управление по скорости практически идентичны. Обе системы управления имеют одинаковое время переходного процесса 0,6 с. и одинаковую частоту установившегося роторного тока 2,25 Гц., похожие спектры в диапазоне от 6 Гц до 16 Гц (у системы с датчиком скорости максимальное значение в этой области приходятся на 9 Гц, а в системе бездатчикового управления на 13-14 Гц). Пусковые токи в системе бездатчикового векторного управления на 30 % больше. При этом в системе с датчиком скорости, скорость вращения строго равна заданию.
При скалярном управлении частота установившегося роторного тока 1,75 Гц, время разгона 0,4 с, спектр не содержит увеличения от 9 Гц до 15 Гц. Значение тока 0,5 А.
Отсюда следует, что при разгонах скалярное управление эффективных векторных, применяемых в преобразователе ATV71.
Во время исследования режима работы при набросе нагрузки на частоте вращения 30 Гц, начальная скорость составляла 88,7 рад/с, конечная скорость после наброса нагрузки 79,3рад/с. Время переходного процесса 0,4 с. Анализ спектральных составляющих без датчика скорости 6,25 Гц, с датчиком частота роторных токов 8,75 Гц. Скалярное управление имеет максимальное значение 4,75 Гц. В диапазоне от 2 до 4 Гц все системы имеют многопиковые спектры, несколько меньше при скалярном управлении. При всех способах управления токи в системах, на холостом ходу, составляли порядка 0,5 А. При набросе нагрузки ток в системе с датчиком скорости возрос до 1,8 А против 1,5 А в остальных системах, т. к. при нагрузке, для поддержания заданной скорости, требуется больший момент.
Частота роторного тока в установившемся режиме очень наглядно показывает эффективность алгоритмов. Большая частота роторного тока соответствует большему скольжению. Наибольшая частота роторного тока в данном случае у векторного управления с датчиком скорости 8,75 Гц против 6,25 Гц бездатчикового управления и 4,25 у скалярного управления.
Комплекс проведенных исследований показывает, что реализация векторного управления при настройках параметров привода соответственно инструкциям может быть не эффективна и требует более детальной настройки отдельных параметров.
