Skalarnie i wektorowo - sterowanie silnikami indukcyjnymi

Silniki elektryczne mają duży udział w ogólnym zużyciu energii elektrycznej w zakładach przemysłowych. Aby go ograniczyć, steruje się nimi za pośrednictwem przemienników częstotliwości. Najpopularniejsze w tym zakresie są metody skalarna i wektorowa. W artykule wyjaśniamy, na czym polegają.

Posłuchaj
00:00

Prędkość silników indukcyjnych można zmieniać, zmieniając amplitudę napięcia zasilania. Jeżeli jednak maleje, w celu skompensowania tego spadku silnik pobiera większy prąd, żeby zapewnić wymaganą moc. Może to prowadzić do przegrzania się uzwojeń. Z drugiej strony wzrost napięcia zasilania może skutkować przebiciem izolacji i uszkodzeniem uzwojeń. Dlatego w praktyce w ten sposób można bezpiecznie regulować prędkość silnika najwyżej o kilkanaście procent. Alternatywą jest zmiana częstotliwości zasilania.

Zmniejszając ją, jednak jednocześnie zmniejszymy impedancje stojana i wirnika, co zwiększa prąd magnesujący. To z kolei prowadzi do głębokiego nasycenia obwodu magnetycznego silnika, co zwiększa straty i pogarsza jego sprawność energetyczną. Wzrost częstotliwości powoduje natomiast spadek momentu obrotowego, który jest do niej odwrotnie proporcjonalny.

Sterowanie skalarne

Rozwiązaniem jest utrzymanie stałego stosunku amplitudy do częstotliwości napięcia zasilania. Wynika to stąd, że określa on gęstość strumienia magnetycznego, którego niezmienna wartość zapewnia dla danego obciążenia stały moment obrotowy. Oznacza to, że jeżeli chcemy zmieniać prędkość obrotową, unikając wyżej opisanych problemów, musimy równocześnie odpowiednio regulować częstotliwość oraz amplitudę napięcia zasilania. Ten sposób sterowania określany jest mianem skalarnego lub U/f.

 
Rys. 1. Charakterystyka U/f

Warto tu zaznaczyć, że obowiązuje to dla większych częstotliwości. Dla tych małych trzeba jeszcze uwzględnić wpływ rezystancji stojana. Ze względu na występujący na niej spadek napięcia w celu jego kompensacji w dolnej części charakterystyki U/f, czyli w zakresie małych prędkości silnika, trzeba zwiększyć napięcie. Oznacza to w praktyce, że powyżej częstotliwości granicznej utrzymany jest stały stosunek U/f, a poniżej charakterystyka również jest liniowa, ale ma inne nachylenie (rys. 1).

Generalnie sterowanie skalarne najlepiej sprawdza się w niewymagających aplikacjach. Przykładem jest regulacja prędkości obrotowej silników w napędach pomp, sprężarek, dmuchaw, wentylatorów, przenośników. Ze względu na swoją prostotę ten sposób sterowania ma bowiem kilka ograniczeń. Główne z nich to: brak kontroli nad stanami przejściowymi maszyny i momentem obrotowym, występowanie oscylacji prędkości i mały moment obrotowy przy niskich częstotliwościach. Zaletą jest natomiast łatwość realizacji.

Sterowanie wektorowe

Alternatywą dla metody skalarnej jest sterowanie wektorowe. Sprawdza się ono w wymagających aplikacjach, w których ta pierwsza ze względu na swoje ograniczenia jest niewystarczająca. Przed wyjaśnieniem, na czym polega sterowanie wektorowe, trzeba przypomnieć, dlaczego łatwiejsze jest sterowanie silnikami obcowzbudnymi prądu stałego.

Wynika to z ich konstrukcji. Silniki tego typu są zbudowane z dwóch uzwojeń: wzbudzenia oraz twornika. To pozwala na niezależne kontrolowanie strumieni wzbudzenia oraz momentu. W silniku indukcyjnym klatkowym natomiast występuje wyłącznie jedno trójfazowe uzwojenie, które można zasilić. Jest to uzwojenie stojana.

Istnieją jednak metody zaliczane do technik wektorowych pozwalające na niezależne kształtowanie strumienia oraz zmianę momentu obrotowego. Osiąga się to przez zastosowanie przekształceń emulujących dla silników indukcyjnych podejście do sterowania mające zastosowanie dla silników prądu stałego.

 
Rys. 2. Sterowanie wektorowe

Metoda FOC

Do takich zalicza się metodę polowo-zorientowaną (Field-Oriented Control, FOC). W technice tej, wykorzystując przekształcenia matematyczne, transformuje się kontrolowane zmienne tak, aby także móc oddzielnie regulować moment oraz strumień. Przekształcenia te pozwalają na odwzorowanie ortogonalnej zależności charakterystycznej dla silników prądu stałego dla pól stojana i wirnika w silnikach prądu przemiennego.

Te transformacje to przekształcenia Clarke’a i Parka. Pierwsze z nich transformuje układ trójfazowy do układu dwóch współrzędnych, a drugie przekształca dwufazowe wektory układu stacjonarnego na wektory wirujące. W rezultacie uzyskuje się dwie składowe prądu stojana, za pośrednictwem których można niezależnie i z dużą dynamiką sterować strumieniem i momentem obrotowym.

Wyróżnić można trzy metody zaliczane do grupy technik FOC. W Direct FOC kąt strumienia wirnika jest obliczany bezpośrednio na podstawie oszacowania albo pomiaru strumienia, w Indirect FOC – pośrednio na podstawie dostępnej prędkości i obliczeń poślizgu, zaś w bezczujnikowej na podstawie oszacowania pozycji i prędkości.

Sterowanie wektorowe jest metodą złożoną, opartą na modelu matematycznym silnika. Pozwala z dużą precyzją kontrolować prędkość i moment obrotowy. Sprawdza się w aplikacjach o dużej dynamice, ze stałym momentem obrotowym, o małych prędkościach i z obciążeniami o ciężkim rozruchu.

 

Monika Jaworowska

Zobacz więcej w kategorii: Technika
PLC, HMI, Oprogramowanie
Jak projektować interfejsy człowiek-maszyna?
Zasilanie, aparatura nn
Więcej kawy, mniej mleka, czyli korekcja współczynnika mocy
PLC, HMI, Oprogramowanie
Reakcyjna i predykcyjna regulacja PID
PLC, HMI, Oprogramowanie
Nowe sterowniki PLC u-control M3000 i M4000 z otwartym systemem operacyjnym u-OS dla automatyki przemysłowej
Bezpieczeństwo
Co oznacza ponad 80 lat w świecie przenośnych detektorów gazu? Mnóstwo doświadczenia!
Przemysł 4.0
Inteligentne zbiorniki w przemyśle spożywczym – mniej strat, większa efektywność
Zobacz więcej z tagiem: Silniki i napędy
Seminarium
Webinar - Small is beautiful: microdrives made for great jobs
Gospodarka
Targi Bauma: Bosch zaprezentuje 800-woltowy napęd elektryczny do maszyn budowlanych
Prezentacje firmowe
Falowniki szafowe MOVITRAC – nowoczesne rozwiązania SEW-EURODRIVE do sterowania silnikami

Poradnik doboru rozwiązań drukujących - drukarki mobilne, stacjonarne i przemysłowe

Jak dobrać drukarkę do zastosowań w logistyce, przemyśle czy handlu? Na co zwrócić uwagę, jeżeli chodzi o cechy i funkcje urządzenia? Jak zapewnić wysoką niezawodność pracy oraz trwałość systemu drukującego? A co z oprogramowaniem? W artykule odpowiadamy na powyższe pytania, przedstawiając przykłady nowoczesnych urządzeń drukujących, które z powodzeniem sprawdzają się w wymienionych zastosowaniach.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów