Skalárne a vektorové riadenie indukčných motorov - aký je rozdiel?

Asynchrónny motor — striedavý motor, v ktorom prúdy vo vinutí statora vytvárajú rotujúce magnetické pole. Toto magnetické pole indukuje prúdy vo vinutí rotora a pôsobením na tieto prúdy unáša rotor so sebou.

Aby však rotujúce magnetické pole statora indukovalo prúdy v rotujúcom rotore, musí rotor vo svojej rotácii mierne zaostávať za rotujúcim statorovým poľom. Preto je v indukčnom motore rýchlosť rotora vždy o niečo nižšia ako rýchlosť otáčania magnetického poľa (ktorá je určená frekvenciou striedavého prúdu napájajúceho motor).

Spomalenie rotora rotujúcim magnetickým poľom statora (preklzávanie rotora) čím viac, tým väčšie je zaťaženie motora. Nedostatok synchronizácie medzi rotáciou rotora a magnetickým poľom statora je charakteristickým znakom indukčného motora, odtiaľ pochádza jeho názov.

Rotujúce magnetické pole v statore je generované vinutiami napájanými fázovo posunutými prúdmi. Na tento účel sa zvyčajne používa trojfázový striedavý prúd. Existujú aj jednofázové indukčné motory, kde fázový posun medzi prúdmi vo vinutiach vzniká zahrnutím rôznych reaktancií vo vinutiach.

Na reguláciu uhlovej rýchlosti otáčania rotora, ako aj krútiaceho momentu na hriadeli moderných bezkomutátorových motorov sa používa vektorové alebo skalárne riadenie elektrického pohonu.

Skalárne ovládanie

Bolo to najčastejšie riadenie skalárneho indukčného motorakeď napríklad na riadenie rýchlosti otáčania ventilátora alebo čerpadla stačí udržiavať konštantnú rýchlosť otáčania rotora, stačí na to spätnoväzbový signál zo snímača tlaku alebo zo snímača otáčok.

Princíp skalárneho riadenia je jednoduchý: amplitúda napájacieho napätia je funkciou frekvencie, pričom pomer napätia k frekvencii je približne konštantný.

Konkrétna forma tejto závislosti súvisí so zaťažením hriadeľa, ale princíp zostáva rovnaký: zvyšujeme frekvenciu a napätie sa úmerne zvyšuje v závislosti od záťažovej charakteristiky daného motora.

V dôsledku toho je magnetický tok v medzere medzi rotorom a statorom udržiavaný takmer konštantný. Ak sa pomer napätia a frekvencie odchyľuje od menovitého pre motor, potom bude motor buď prebudený alebo nedostatočne budený, čo bude mať za následok straty motora a poruchy procesu.

Skalárne riadenie teda umožňuje dosiahnuť takmer konštantný krútiaci moment hriadeľa v rozsahu pracovnej frekvencie, bez ohľadu na frekvenciu, ale pri nízkych otáčkach krútiaci moment stále klesá (aby sa tomu zabránilo, je potrebné zvýšiť pomer napätia k frekvencii), preto , pre každý motor je presne definovaný rozsah prevádzkového skalárneho riadenia.

Tiež nie je možné vybudovať skalárny systém riadenia rýchlosti bez snímača rýchlosti namontovaného na hriadeli, pretože zaťaženie výrazne ovplyvňuje oneskorenie skutočnej rýchlosti rotora od frekvencie napájacieho napätia. Ale ani so snímačom otáčok so skalárnym riadením nebude možné nastaviť krútiaci moment s vysokou presnosťou (aspoň nie ekonomicky realizovateľné).

Toto je nevýhoda skalárneho riadenia, ktorá vysvetľuje relatívny nedostatok jeho aplikácií, obmedzených hlavne na konvenčné indukčné motory, kde závislosť sklzu od zaťaženia nie je kritická.

Vektorové ovládanie

Aby sa zbavili týchto nedostatkov, v roku 1971 inžinieri spoločnosti Siemens navrhli použiť vektorové riadenie motora, v ktorom sa riadenie vykonáva so spätnou väzbou o veľkosti magnetického toku. Prvé vektorové riadiace systémy obsahovali snímače prietoku v motoroch.

Dnes je prístup k tejto metóde mierne odlišný: matematický model motora umožňuje vypočítať rýchlosť rotora a moment hriadeľa v závislosti od aktuálnych fázových prúdov (z frekvencie a hodnôt prúdov vo vinutí statora) .

Tento progresívnejší prístup umožňuje nezávislé a takmer zotrvačné riadenie krútiaceho momentu hriadeľa aj otáčok hriadeľa pri zaťažení, keďže proces riadenia zohľadňuje aj fázy prúdov.

Niektoré presnejšie vektorové riadiace systémy sú vybavené spätnoväzbovými slučkami rýchlosti, kým riadiace systémy bez snímačov rýchlosti sa nazývajú bezsenzorové.

Takže v závislosti od oblasti použitia tohto alebo toho elektrického pohonu bude mať jeho vektorový riadiaci systém svoje vlastné charakteristiky, vlastný stupeň presnosti regulácie.

Keď požiadavky na presnosť regulácie rýchlosti umožňujú odchýlku až 1,5% a rozsah regulácie nepresahuje 1:100, potom je bezsenzorový systém v poriadku. Ak je požadovaná presnosť nastavenia rýchlosti s odchýlkou ​​nie väčšou ako 0,2% a rozsah je znížený na 1 až 10 000, potom je potrebné mať spätnú väzbu pre snímač otáčok hriadeľa. Prítomnosť snímača rýchlosti vo vektorových riadiacich systémoch umožňuje presné riadenie krútiaceho momentu aj pri nízkych frekvenciách až do 1 Hz.

Takže vektorové riadenie má nasledujúce výhody. Vysoká presnosť regulácie otáčok rotora (a bez snímača otáčok na ňom) aj v podmienkach dynamicky sa meniaceho zaťaženia hriadeľa, pričom nedôjde k žiadnym kopancom. Hladké a rovnomerné otáčanie hriadeľa pri nízkych otáčkach. Vysoká účinnosť vďaka nízkym stratám za podmienok optimálnej charakteristiky napájacieho napätia.

Vektorové ovládanie nie je bez nevýhod. Zložitosť výpočtových operácií.Potreba nastavenia počiatočných údajov (variabilné parametre pohonu).

Pre skupinový elektrický pohon je zásadne nevhodné vektorové riadenie, tu je lepšie skalárne.