Skalarnie i wektorowo - sterowanie silnikami indukcyjnymi
| TechnikaSilniki 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.
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.
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.
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
