Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №4 - Журнал «Домашняя лаборатория»

симметричное вращающееся магнитное поле

Эквивалентная электрическая схема асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором

Rs, Rr — Омические потери в статоре и роторе

Rfe — Потери в железе

Lss (L1) — Индуктивность рассеяния статора

Lsr (L2) — Индуктивность рассеяния ротора

LM (LH) — Индуктивность намагничивания

(1-s)/s Rr — Нагрузка

Обычное регулирование частоты вращения электродвигателя (т. н. скалярное, т. е. безвекторное) отношением напряжение/частота (U/f).

Преобразователь частоты выпрямляет переменное напряжение сети в постоянное, которое затем преобразуется в переменный ток с изменяющейся амплитудой и частотой. Двигатель, таким образом, запитывается регулируемым напряжением и частотой, которое позволяет обеспечить плавное изменение скорости вращения в трехфазном стандартном двигателе (АС) переменного тока.

1. Напряжение сети

3 х 200–240 В, 50/60 Гц;

3 х 380–460 В, 50/60 Гц;

3 х 550–600 В, 50/60 Гц.

2. Выпрямитель

Трехфазный выпрямляющий мост, который преобразует переменный ток в постоянный.

3. Промежуточная цепь

Напряжение постоянного тока = v2 х напряжение сети [В].

4. Катушки промежуточной цепи

Сглаживают ток в промежуточной цепи и снижают токи высших гармоник, поступающие в сеть.

5. Конденсаторы промежуточной цепи — сглаживают напряжение промежуточной цепи.

6. Инвертор

Преобразует постоянное напряжение в переменное с изменяемой амплитудой и частотой.

7. Напряжение двигателя

Переменное изменяемое напряжение, 10-100 % от напряжения сети питания.

8. Плата управления

Здесь находится компьютер, который управляет инвертором, генерирующим импульсную последовательность, с помощью которой постоянное напряжение преобразуется в переменное с регулируемой частотой.

Большинство современных преобразователей частоты (далее ПЧ) реализуют изменение частоты вращения вала электродвигателя обычным изменением соотношения на входе электродвигателя напряжения и частоты. При этом у электродвигателя не отслеживается ни вектор тока, ни вектор магнитного потока. Такие технические характеристики ПЧ определяют его использование на относительно простых задачах с постоянным моментом на валу электродвигателя, с отсутствием необходимости в широком динамическом диапазоне регулирования скоростей вращения вала электродвигателя.

Кроме того, как правило, ввиду простоты реализации данного метода управления, большинство конкурентных преобразователей частоты весьма плохо реализуют функции энергосбережения в виду того, что практически процессорная система таких ПЧ осуществляет простую коммутацию выходного напряжения IGBT-ключами, зачастую не отслеживая даже величину их открытия, не имеет математической модели электродвигателя, не компенсирует должным образом скольжение электродвигателя и т. д. То есть у производителей наблюдается четкая тенденция для ПЧ, реализующих простое скалярное управление электродвигателем, осуществлять простейшие схемотехнические решения, не усложняя программное обеспечение и алгоритмы работы IGBT-модулей.

Это ведет к тому, что любой подобный ПЧ, спроектированный по принципу упрощения схемы, не дает никаких дополнительных получаемых пользователем функций, кроме одной — изменения частоты вращения вала электродвигателя, да и то реализует ее лишь условно.

Таким образом, из-за несовершенства скалярного управления как метода и качества его реализации со стороны многих производителей, было внедрено новое технологическое решение в области управления электродвигателем — векторный метод управления скоростью вращения вала. Рассмотрим его подробнее:

Определение вектора напряжения

Модуляция положения вектора в пространстве

Используя трансформацию

Вектор тока

Вектор тока определяется так же, как и напряжения. Каждый вектор представляется либо Ist (а, Ь) координатами либо величиной и углом (r,q).

Для кругового пути а- и Ь-компоненты меняются во времени по sin и cos.

Вращающиеся координаты

Токи могут быть представлены в системе координат (х, у), одна из осей которой расположена на векторе напряжения.

Эта система координат вращается со скоростью напряжения.

В этой системе координат ix и iy постоянны во времени (при неизменной нагрузке).

Функциональная схема преобразователя частоты с реализацией векторного управления

Именно по описанному выше принципу работают преобразователи частоты фирмы Danfoss серий VLT5000, VLT6000, VLT8000. Эти преобразователи частоты наиболее полно оптимизированы для своих задач (соответственно — общепромышленное применение, вентиляторная серия, насосная серия).

Например, функции ААД (Автоматическая Адаптация Двигателя) и АОЭ (Автоматическая Оптимизация Энергопотребления) позволяют поднять КПД электродвигателя до 99 %, что лучше относительно параметров работы ПЧ производства других фирм на 2–3 %. А это величина дополнительной экономии электроэнергии, и соответственно, денежных средств пользователя.

Кроме того, для более сложных применений выпускается ПЧ серии VLT5000 Flux с прямым управлением вектором магнитного потока поля электродвигателя.

Принципы работы

Векторы тока а и Ь преобразуются во вращающуюся систему координат q-d. Эта система координат связана с вектором магнитного потока в воздушном зазоре, ws. При постоянной нагрузке токи iq и id не изменяются во времени.

Для реализации управления вектором магнитного потока в схему ПЧ вводится дополнительный блок расчета математической модели вектора потока. От качества и точности программной реализации данной модели зависит качество процесса регулирования частоты вращения электродвигателя, оптимизации энергопотребления и т. д. Специалисты фирмы Danfoss достигли следующих результатов в реализации управлением вектором магнитного потока 4-хполюсного электродвигателя:

Точность задания выходной частоты ПЧ (огибающей синусоиды)… 0.003 Гц

Динамический диапазон регулирования скорости… 1:1000 (с обратной связью)

Точность поддержания выходной скорости вращения (<1500 об/мин)… 1.5 об/мин

>1500 об/мин… 0.1 % от текущей скорости

Точность поддержания момента >… 5 % от текущего момента

Время отклика системы… 3 мсек

Регулировка мощности

Б. Колобов

Напомним, как важна регулировка мощности некоторых электроприборов. У электроплиток это позволит снизить расход энергии и предохранит пищу от пригорания. При стирке тонкого белья с кружевами лучше тоже не торопиться и снизить обороты электродвигателя вашей «Эврики» или «Вятки». Подобных примеров множество. Поэтому знайте: если электроприбор работает от сети 220 В и потребляет ток не более 10 А, то его мощность можно легко изменить при помощи регулятора, собранного на семисторе КУ208Г по первой схеме. Принцип работы устройства прост: сто раз в секунду на какое-то время прерывается подача тока к потребителю. И чем дольше перерыв, тем меньшая мощность потребляется. Рассмотрим его работу подробнее.

Переменное напряжение через гасящие резисторы R3 и R4 поступает на цепочку R5 и С1 и снимается с этой цепочки на диодный мост VD6, с которого подается на управляющий электрод семистора. Динистор VD7 служит для «замыкания» диодного моста VD6. Как только постоянное напряжение на выходе превысит напряжение пробоя динистора, он замыкает мост, и напряжение с цепочки R5 и С1 поступает на