Как выбрать правильный метод управления частотно-регулируемыми приводами


Возможно, вам также будет интересно как выбрать частотно-регулируемый привод (ЧРП).

Итак, на что следует обратить внимание при выборе метода управления ЧРП? Как выбрать правильный метод управления частотно-регулируемыми приводами? 

Двигатели потребляют половину всей электроэнергии, используемой в США. Выбор правильного метода управления позволяет добиться наиболее эффективной работы двигателя с максимальным крутящим моментом и производительностью. Эффективно работающие двигатели потребляют меньше электроэнергии и меньше простаивают, что позволяет значительно сократить расходы.

Для двигателей, управляемых инвертором (VFD), метод управления в значительной степени определяет эффективность и производительность двигателя в составе системы. Если инженеры и конструкторы понимают все преимущества, недостатки и технические характеристики методов управления, задача выбора правильного метода является достаточно простой.

Методы управления


Многие люди, занятые в промышленности, полагают, что метод управления двигателем заключается в выборе способа управления инвертором, как в 2-х проводных, так и в 3-х проводных схемах подключения. Такие 2-х и 3-х проводные схемы подключения определяют, соединяются ли входные контакты инвертора с определенными контактами либо с импульсными кнопками пуска/останова привода. Методы управления, описанные в данной статье, более точно можно назвать методами управления двигателями. Эти методы определяют принцип управления двигателями с помощью инверторов.

qqq1.jpg



Инверторы производятся в различных типоразмерах. Например, на вышеприведенном рисунке изображены два инвертора от Yaskawa America Inc. Оба инвертора относятся к серии A1000 и предусматривают трехфазное питание с напряжением от 380 до 480 В. Инвертор модели 0004FAA рассчитан на токовую нагрузку нормальном режиме 4,1 A и предназначен для управления двигателем мощностью до 2 л.с. (1,5 кВт), его масса составляет 9 фунтов (4 кг). Модель 0208AAA рассчитана на ток до 208 А, управляет двигателем мощностью до 150 л.с. (110 кВт) и весит 218 фунтов (99 кг).
 
Существуют четыре основных типа методов управления асинхронными двигателями с использованием конденсаторов DC-шины инвертора: V / f (вольт-частотное, скалярное), V / f с энкодером, векторное управление без обратной связи и векторное управление с обратной связью. Во всех указанных методах используются широтно-импульсная модуляция (ШИМ), то есть способ изменения ширины фиксированного сигнала путем модуляции длительности импульсов для создания переменного аналогового сигнала.

Применение метода ШИМ в сочетании с инверторами основано на использовании постоянного напряжения фиксированного значения, подаваемого конденсаторами DC-шины инвертора. Сборка биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) на выходе быстро открывается и закрывается, генерируя импульсы. Изменение ширины импульсов выходного сигнала используется для симуляции синусоидальной волны переменного тока. Несмотря на то, что выходной сигнал драйвера состоит из прямоугольных импульсов, обусловленных пульсацией переменного тока, форма колебаний сигнала будет синусоидальной, поскольку двигатель является асинхронным. Все методы управления двигателем основываются на форме сигнала напряжения, генерируемого с помощью ШИМ. Разница в методах управления заключается в расчете напряжения, которое необходимо двигателю в текущий момент времени.


qqq12.jpg
Двигатели переменного тока обычно управляются с помощью широтно-импульсной модуляции. В этом процессе несущая частота (красная линия) определяется работой выходных транзисторов инвертора. Как правило, несущая частота равна от 2 до 15 Гц. Опорная частота (синяя линия) — сигнал скорости, передаваемый двигателю, обычно ее значение составляет от 0 до 60 Гц. Точки пересечения этих двух кривых используются для модуляции выходных импульсов постоянного тока (черная линия), используемых для управления частотой вращения.  


Вольт-частотное управление (V/f)


qqq2.jpg



Различные паттерны вольт-частотного управления позволяют инверторам управлять различными устройствами с оптимальной производительностью для каждого из них. Паттерн постоянного крутящего момента представляет собой прямую линию, отражающую постоянный коэффициент V/f, причем в данном случае обеспечивается постоянство крутящего момента во всем диапазоне частоты вращения. Паттерн переменного крутящего момента имеет более низкие напряжения на низких частотах вращения для предотвращения насыщения магнитной системы двигателя.

Вольт-частотный метод управления (V/f) является наиболее простым методом управления двигателем. Он получил широкое распространение вследствие простоты реализации и минимального количества данных, которые требуется получать от двигателя. Данный метод не требует использования энкодера и настройки инвертора под двигатель (тем не менее, выполнение настройки рекомендуется). В результате, такой метод управления требует меньших затрат и минимума проводов. Метод управления V/f часто используется в оборудовании с частотой работы более 1000 Гц, поэтому он распространен в обрабатывающем оборудовании, в частности, в управлении шпинделем.

Метод V/f является единственным методом, позволяющим управлять несколькими двигателями с помощью одного инвертора. При этом все двигатели запускаются и останавливаются одновременно, а также работают с одинаковой частотой вращения.

Метод V/f имеет несколько ограничений. Например, метод не гарантирует вращение вала двигателя. Кроме того, начальный крутящий момент двигателя ограничен 150% мощности при частоте 3 Гц. Такого крутящего момента достаточно для большинства применений. Фактически, данный метод управления используется практически в любом вентиляторе или насосе с переменным крутящим моментом.

Простота метода частично нивелируется его скудными характеристиками. Частота вращения обычно регулируется с шагом 2-3% от максимальной. Скорость отклика составляет 3 Гц. Скорость отклика определяется качеством реакции инвертора на изменение опорной частоты. Увеличение скорости отклика означает возрастание скорости реакции двигателя на изменение опорной частоты.

Методы управления также имеют диапазоны регулирования частоты вращения (выраженные в виде коэффициентов). Диапазон регулирования частоты вращения V / f равен 1:40. Умножив это отношение на максимальную частоту, можно определить минимальную частоту вращения двигателя, управляемого инвертором. Например, при максимальной частоте 60 Гц и диапазоне регулирования 1:40, драйвер с управлением V / f может управлять двигателем с минимальной частотой 1,5 Гц.

Паттерн V/f определяет вольт-частотный коэффициент для двигателя, причем инвертор может использовать только один запрограммированный паттерн. Паттерн V/f (или кривая V/f) определяет зависимость напряжения от текущей скорости двигателя (частоты вращения).

Операторы или технические специалисты могут выбрать предустановленный паттерн V/f при программировании инвертора. Эти предустановки оптимизированы под конкретные задачи. Пользователи могут самостоятельно запрограммировать собственный паттерн V/f для достижения необходимых для характеристик.

Такие устройства как вентиляторы и насосы имеют переменный крутящий момент. Паттерн переменного крутящего момента V/f позволяет предотвратить неисправности и улучшить производительность и КПД. Такой паттерн снижает ток намагничивания на низких частотах за счет уменьшения питающего напряжения.

Аналогично, для оборудования с постоянным крутящим моментом, например, конвейеров, экструдеров и подъемников, используются паттерны V/f с постоянным крутящим моментом. Такое оборудование требует постоянного тока намагничивания на любых скоростях. Именно поэтому указанные паттерны имеют прямой уклон по всему диапазону скоростей.

В общем случае, инвертор будет выдавать напряжение в зависимости от частоты вращения двигателя и в соответствии с используемым паттерном V/f.

Метод управления V/f Метод управления V/f с энкодером
Преимущества Недостатки Преимущества Недостатки
Не требуется автоматическая настройка (но рекомендуется) Нет гарантии, что вал отвечает на команды из за отсутствия обратной связи Не требуется автоматическая настройка (но рекомендуется)
Необходимо использовать энкодер и блок обратной связи
Допустимо использовать высокую опорную частоту (>400 Гц) Начальный крутящий момент составляет 150% при 3 Гц Допустимо использовать высокую опорную частоту (>400 Гц), однако существуют ограничения, связанные с разрешением энкодера Начальный крутящий момент составляет 150% при 3 Гц
Несколько двигателей управляются одним инвертором   Лучшее управление скоростью в сравнении с методом V/f  
Допустимо использовать простую обратную связь      
 
Не требуется энкодер
 

 
Подходит для двигателей с неизвестными данными      
Технические характеристики Технческие характеристики
Шаг регулировки частоты вращения: 2-3% от максимальной частоты
Шаг регулировки частоты вращения: 0.03% от максимальной частоты
Скорость отклика: 3 Гц Скорость отклика: 3 Гц
Диапазон регулировки частоты: 1:40 Диапазон регулировки частоты: 1:40
Выходное напряжение определяется паттерном V/f Выходное напряжение определяется паттерном V/f



Вольт-частотное управление (V/f) с энкодером


Если оборудование требует более точной регулировки скорости с возможностью работы на более высокой опорной частоте, в драйвере может использоваться энкодер. Энкодер позволяет добиться регулировки с шагом до 0.03% от максимальной частоты. Выходное напряжение, как и в предыдущем методе, будет определяться запрограммированным в инверторе паттерном V/f. Такая реализация позволяет осуществлять высокоскоростное управление без динамической обратной связи, поскольку значения напряжения и частоты задаются заранее.

Этот метод управления не получил широкого распространения, поскольку влечет за собой дополнительные затраты на энкодер и организацию обратной связи, однако не несет каких-либо значительных преимуществ в сравнении со стандартным методом V/f. Начальный крутящий момент и диапазон регулировки частоты вращения аналогичны методу V/f без энкодера. Кроме того, верхние рабочие частоты ограничены числом импульсов, генерируемых датчиком за оборот. 


Векторное управление без обратной связи


Векторное управление без обратной связи (OLV) используется для более глубокого и динамичного управления двигателем. Данный метод позволяет независимо контролировать скорость и крутящий момент двигателей, то есть схож с методом управления двигателями постоянного тока. 

qqq3.jpg
Ограничения крутящего момента разбиты на четыре квадранта в зависимости от направления вращения двигателя (прямое или обратное) и режима его работы — разгон или торможение. Например, оборудование для закупорки бутылок требует ограничения крутящего момента, заданного в квадранте 1. С другой стороны, оборудование для разматывания требует прямого вращения двигателя, но отрицательного крутящего момента для натяжения нити. В данном случае, необходимый крутящий момент находится в квадранте 4. 

При управлении по методу OLV двигатели могут производить 200% от их номинального крутящего момента при частоте 0.3 Гц. Высокий крутящий момент на низких частотах вращения может использоваться во многих видах оборудования. Данный метод управления позволяет использовать ограничения крутящего момента четырех квадрантов. 

Ограничение крутящего момента позволяет предотвратить повреждение оборудования, станков или продукции. Ограничения разнесены по четырем квадрантам в зависимости от направления вращения двигателя (прямое или обратное) и режима его работы — разгон или торможение. Ограничения могут быть установлены независимо для каждого квадранта, либо операторы могут установить общее ограничение крутящего момента при программировании инвертора. 

Условием движения является сонаправленность скорости и крутящего момента. Например, положительная скорость и крутящий момент будут использоваться для движения конвейера в прямом направлении. Ситуация, когда двигатель движется под действием нагрузки, называется регенерацией. Если ротор двигателя переменного тока вращается быстрее, чем магнитное поле в статоре, он начинает работать как генератор. В результате, регенерированная энергия подается обратно в инвертор.

Векторное управление без обратной связи


Преимущества:
  • не требует использования датчика
  • хороший начальный крутящий момент: 200% при 0.3 Гц
  • возможно использовать ограничения четырех квадрантов
  • подходит для ударных нагрузок
Недостатки: 
  • необходима автонастройка для получения наилучших характеристик
  • нет гарантии ответа от вала двигателя из-за отсутствия обратной связи
Характеристики: 
  • Шаг регулировки частоты вращения: ±0,2% от максимальной частоты  
  • Скорость отклика: 10 Гц 
  • Диапазон регулировки скорости: 1:200
  • Выходное напряжение определяется векторным алгоритмом

Например, установка для закупорки бутылок будет использовать крутящий момент из квадранта 1 (прямое направление вращение и положительный крутящий момент) для предотвращения «перетягивания» крышек. Двигатель вращается в прямом направлении с положительным крутящим моментом. Лифт с противовесом, который тяжелее кабины, будет использовать ограничения из квадранта 2 (обратное направление вращения и положительный крутящий момент). Если пустой лифт вызывается на верхний этаж, крутящий момент противодействует направлению движения, что позволяет управлять скоростью и положением лифта при движении против силы притяжения земли.

Дрель, выкручивающая винты из дерева (отрицательный крутящий момент и обратное направление движения), может использовать ограничения квадранта 3. Разматывающее оборудование (прямое направление вращения и отрицательный крутящий момент) использует ограничения квадранта 4. Двигатель будет вращаться в прямом направлении, что необходимо для подачи материала, однако в этом случае требуется ограничение отрицательного крутящего момента, обусловленного регенерацией, вызванной разматываемой линией, с целью создания натяжения.

qqq4.jpg
Векторное управление максимизирует крутящий момент путем поддержания тока крутящего момента (Iq) и тока намагничивания (Id) под углом 90°. I1 представляет собой общий ток двигателя (Iq + Id). Если угол ϴ> 90°, то sin ϴ > 1; если ϴ < 90°, то sin ϴ > 1; но если ϴ = 90°, то sin ϴ = 1, при этом крутящий момент является максимальным. Инвертор пытается поддерживать значение угла ϴ, равное 90°, имитируя таким образом работу двигателя постоянного тока. В двигателе постоянного тока щетки конструктивно расположены под углом 90° для обеспечения постоянного максимального крутящего момента. 

Контур обратной связи по току в данных инверторах позволяет операторам устанавливать ограничения крутящего момента для работы во всех четырех квадрантах. При увеличении тока двигателя увеличивается его крутящий момент. Напряжение питания двигателя может быть увеличено, если оборудование требует увеличения крутящего момента, и может быть уменьшено для ограничения крутящего момента. Именно эта возможность позволяет осуществлять динамическое управление в отличие от вольт-частотного метода управления (V/f). 

Кроме ограничения крутящего момента, векторное управление без обратной связи имеет быстрый отклик на изменение скорости — 10 Гц, позволяя более динамично реагировать на нагрузки. К примеру, нагрузка на камнедробилку непрерывно меняется, поскольку зависит от размера и количества перерабатываемых камней. 

В отличие от фиксированных паттернов V/f, для данного типа управления используется векторный алгоритм поиска наиболее подходящего выходного напряжения для работы двигателя. Векторное управление реализует данный алгоритм с помощью обратной связи по току двигателя. Ток обратной связи измеряется трансформаторами тока внутри инвертора. Считывание значений тока и расчеты выполняются в инверторе с высокой скоростью, определяя необходимый крутящий момент и параметры тока. Основной векторный алгоритм переводит ток намагничивания и ток крутящего момента в векторные величины. Векторное управление в значительной степени зависит от динамики двигателя, поэтому необходимо выполнить автоматическую настройку двигателя, чтобы инвертор получал максимум данных от двигателя. 

Непрерывное поступление фактических данных о характеристиках и состоянии двигателя позволяет инвертору рассчитать ток намагничивания (Id) и ток крутящего момента (Iq) в виде векторов. Для достижения максимального КПД и крутящего момента инвертор должен обеспечивать расположение векторов под углом 90°. Именно 90°, поскольку sin (90) = 1, а значение 1 отражает максимальный крутящий момент двигателя. 

Векторное управление без обратной связи позволяет жестко регулировать работу двигателя. Шаг регулировки частоты вращения составляет +/- 0.2% от максимальной частоты, а диапазон регулировки частоты достигает 1:200, что позволяет устройству работать на низких скоростях без потери крутящего момента.


Векторное управление с обратной связью


В векторном управлении с обратной связью используется векторный алгоритм для определения выходного напряжения, аналогично системе без обратной связи. Ключевое различие заключается в использовании в конструкции энкодера. Это позволяет добиться крутящего момента в размере 200% от номинального при нулевой частоте вращения. Такое свойство очень важно для оборудования, удерживающего грузы без движения, такого как лифты, краны и подъемники.

Обратная связь с применением энкодера позволяет добиться скорости отклика свыше 50 Гц и регулировать скорость в частоту вращения 1:1500, что является наилучшим показателем среди всех методов управления. Инвертор с обратной связью также может запускать двигатель в режиме управления только крутящим моментом, а не частотой вращения. Такой режим используется в оборудовании, для которого крутящий момент является более важным параметром, нежели частота вращения двигателя. Намоточное и размоточное оборудование, оборудование для закупоривания бутылок и прочее подобное оборудование — отличные примеры устройств, требующих управления крутящим моментом.

Векторное управление с обратной связью


Преимущества:
  • Может работать в режиме управления крутящим моментом   
  • Превосходный начальный крутящий момент: 200% от номинального момента при 0 об/мин   
  • Возможно использовать ограничения четырех квадрантов   
  • Идеально подходит для ударных нагрузок   
  • Допускается работа при нулевой скорости  
Недостатки:
  • Необходима автонастройка для получения наилучших характеристик   
  • Необходимо использовать энкодер и блок обратной связи
Характеристики:
  • Шаг регулировки частоты вращения: ±0,02% от максимальной частоты   
  • Отклик скорости: >50 Гц   
  • Диапазон регулировки скорости: 1:1500   
  • Выходное напряжение определяется векторным алгоритмом