3.3.3. Сау с формированием в обмотки статора вектора тока без обратной связи по скорости (Sensorless Vector control)

В настоящее время наблюдается тенденция к динамичному развитию векторных САУ без обратной связи по скорости. В этих системах скорость вращения ротора оценивается "Наблюдателем" (Observer) на основании легко измеряемых переменных статорной цепи АД, а именно токов и напряжений в фазах статора АД. Математическая реализация "Наблюдателя" это одно из основных "ноу-хау" фирм производящих ПЧ и поэтому в технических описаниях ПЧ не встречается даже намека на то, как он реализован. Попытаемся реализовать математическую основу для создания "Наблюдателя".

Для этого обратимся к схеме замещения АД, изображенной на рис.14. Схему замещения можно преобразовать к схеме изображенной на рис.17.

Из приведенной схемы можно найти угол, или его тангенс, между напряжением и током статора по формуле

Решая последнее уравнение относительно абсолютного скольжения, получим выражение для его определения, по известным параметрам схемы замещения и найденному расчетным путем тангенсу угла между измеренным током и напряжением статора АД.

П о известным величинам абсолютного скольжения и синхронной скорости поля статора можно определить скорость вращения асинхронного двигателя.

Таким образом, для определения скорости вращения АД без датчика обратной связи по скорости необходимо определить угол между напряжением и током статора, и параметры схемы замещения АД. Параметры схемы замещения определяются в режиме "Автонастройки" перед пуском АД в работу, а ток и напряжение измеряются непрерывно; при изменениях нагрузки АД будет меняться угол между напряжением и током статора это изменение будет учитываться при расчете скорости.

Функциональная схема бессенсорной векторной САУ изображена на рис.18. По сути, она не отличается от функциональной схемы векторной САУ с обратной связью по скорости. Единственное ее отличие это то, что в бессенсорной векторной САУ отсутствует обратная связь по скорости. В функциональную схему, для оценки скорости вращения, включен "Observer", на выходе которого формируется сигал пропорциональный скорости вращения ротора.

3.3.4. Способы определения параметров схемы замещения и суммарного момента инерции

Возможны несколько способов задания параметров схемы замещения для векторной САУ:

В режиме "Автонастройки" определяется активное сопротивление R_s. Все остальные параметры схемы замещения определяются по паспортным данным АД;

В режиме "Автонастройки" определяется активное сопротивление R_s и индуктивность статора L_s. Все остальные параметры схемы замещения L_r , L_m , R_r определяются по паспортным данным АД;

Параметры схемы замещения выбираются из таблицы "зашитой" в память ПЧ по заданным наладчиком паспортным данным (мощность и число пар полюсов) стандартного АД. Например, фирма "HITACHI" в таблицу "зашивает" параметры АД производства фирмы "HITACHI". Для этого случая, выбрав мощность и число пар полюсов стандартного двигателя из таблицы, определяются параметры его схемы замещения и режим "Автонастройки" выполнять нет необходимости.

Все параметры схемы замещения (Рис.15) определяются в режиме "Автонастройки".

Суммарный момент инерции АД и механической части технологической установки может быть определен исключительно в режиме "Автонастройки" при подключенной к валу АД механической части технологической установки.

Для определения параметров схемы замещения и приведенного момента инерции АД и механизма самым оптимальным способом является способ определения в режиме "Автонастройки". Описание этого режима в технической документации фирм изготовителей может пролить свет на то, как реализована векторная САУ и как оценивается скорость в бессенсорной САУ. Если в описании режима "Автонастройки" сказано, что измеряется только два параметра схемы замещения, например R_s и L_s , то вероятнее всего остальные параметры определяются по паспортным данным АД и, следовательно, не учитываются индивидуальные особенности конкретного АД. Индивидуальные особенности отечественных АД несомненно следует учитывать и связано это с технологическими особенностями отечественного производства АД (существенный разброс параметров для одного и того же типоразмера). Кроме того, момент инерции АД и конкретного механизма в такой САУ вообще не учитывается, а технологические установки могут иметь существенно различающиеся моменты инерции. Например, прессовое и холодноштамповочное технологическое оборудование имеет маховики (накопители механической энергии) для того, чтобы в процессе штамповки не происходило снижение скорости АД приводящего в движение рабочий орган. Винтовые насосы, например, для подачи серы в технологический цех имеют не высокий момент инерции. В одном и во втором случае абсолютно необходимо использовать режим векторного управления. В первом случае для расширения диапазона регулирования. Во втором -- для создания высокого стартового момента. Очевидно, что если не будет определен суммарный момент инерции для этих технологических установок, то качество векторного регулирования будет снижено (см. Рис.16,18. блок 8). Некоторые фирмы изготовители в режиме "Автонастройки" измеряют все параметры схемы замещения. Однако прямо указывают на то, что в режиме "Автонастройки" АД необходимо отсоединить от механической части технологической установки. Т.е. режим "Автонастройки" проводится в холостом режиме работы АД, следовательно, не учитывается момент инерции технологической установки, а это, несомненно, снижает характеристики векторной САУ (аргументы приведены выше).

В ПЧ фирмы Hitachi при определении параметров схемы замещения существует две возможности: а) определение параметров схемы замещения и суммарного момента инерции в режиме "Автонастройки"; б) выбор параметров схемы замещения из таблицы зашитой в памяти ПЧ для стандартного АД фирмы Hitachi. Выбор производится автоматически после ввода паспортных данных АД. В этом случае, учитывается только момент инерции АД. Момент инерции механической части учитываться не будет и, следовательно, этот способ подходит не для всех технологических установок.

3.3.5. Выводы

Определение параметров схемы замещения L_r , L_m , R_r и суммарного момента инерции необходимо для создания качественной векторной САУ.

Все параметры схемы замещения L_s , R_s , L_r , L_m , R_r и измеренные ток и напряжение статора используются для расчета скорости вращения ротора.

Для определения параметров схемы замещения и приведенного момента инерции АД и механизма самым оптимальным способом является способ определения в режиме "Автонастройки".

3.4. Рекомендации по использованию преобразователей частоты

ПЧ устанавливаются либо на вновь вводимое оборудование либо на существующее для достижения следующих целей: 1.Энергосбережение (центробежные насосы, вентиляторы, компрессоры); 2.Замена регулируемого привода с двигателем постоянного тока на регулируемый привод с ПЧ и АД; 3. Замена регулируемого привода с механическим вариатором на регулируемый привод с ПЧ. Первая цель наиболее значимая для народного хозяйства РБ потому, что дает наиболее значимый результат и в этом смысле все идет к тому, что в недалеком будущем все насосные, вентиляторные и компрессорные установки будут оснащаться энергосберегающими ПЧ и датчиками технологического параметра (давления, температуры, уровня и.т.д.). Вторая цель вытекает из мировой тенденции перехода от регулируемого привода с двигателями постоянного тока к регулируемым приводам с АД. На многих технологических установках РБ, когда стоит вопрос о замене вышедшего из строя двигателя постоянного тока на другой, более выгодным может получиться вариант замены его на АД с ПЧ. В этом случае решается вопрос для данного агрегата и высвобождается оборудование (тиристорный преобразователь, контакторы постоянного тока) для ремонта таких же агрегатов. Третья цель определена тенденцией к упрощению механической части технологических машин. Механические вариаторы встречаются все реже и, по мере их выхода из строя, они, вероятнее всего, будут меняться на регулируемые приводы с ПЧ. В этом случае не только достигается экономия денежных средств, но и повышается надежность технологической установки.

При подборе ПЧ к конкретной технологической установке нужно руководствоваться несколькими критериями: 1.Зависимость момента сопротивления нагрузки от скорости; 2.Диапазон регулирования; 3. Условия пуска.

Если ПЧ используется в качестве регулятора производительности насосной, вентиляторной или компрессорной установки то в этом случае нужно использовать ПЧ работающий по вольт-частотной характеристике U/f. Т.е. для этих устройств не требуется векторное регулирование, более того при использовании в ПЧ векторного регулирования энергосберегающий эффект ПЧ уменьшается. Исключением является случай использования ПЧ в качестве регулятора производительности винтового насоса для перекачивания легко затвердевающих веществ, например, серы. Для такого насоса необходимо использовать ПЧ с высоким стартовым моментом практически с 0 Гц, а это возможно только в ПЧ с векторным регулированием.

При небольших диапазонах регулирования (16:1 и менее) можно использовать ПЧ, работающий по вольт-частотной характеристике. При этом частота на выходе инвертора будет меняться от 3 до 50 Гц. (от 180 до 3000 об/мин). При диапазонах регулирования 50:1 можно использовать бессенсорное векторное регулирование (от 60 до 3000 об/мин) При диапазонах регулирования больших 50:1 необходимо использовать обратную связь по скорости. Возможны два варианта: а) использование тахогенератора и встроенного в ПЧ ПИД-регулятора; б)использование импульсного датчика положения (скорости) и дополнительной платы.

Для установок с тяжелыми условиями пуска желательно использовать ПЧ в режиме векторного регулирования.

Работа с пультом оператора.

Внимание

После программирования частотного преобразователя необходимо обеспечить выдержку 6 секунд перед подачей сигналов Пуск/Стоп (как с клеммной панели, так и с пульта оператора) или перед отключением питающей сети.

Описание клавиш

4 - параметра могут быть выведены на светодиодный дисплей для отображения.

Светодиод POWER загорается при подаче питания на инвертор.

Светодиод Hz или A загорается при отображении частоты или тока.

Клавиша STOP/RESET используется для остановки двигателя и сброса возникающих ошибок. Клавиша действует даже при управлении с клеммной панели.

Потенциометр на пульте используется для задания частоты. (Светодиод загорается при использовании данного потенциометра.)

HITACHI

POWER

RUN

Hz

PRG

A

F 01

При нажатии клавиши STR параметры функций сохраняются в памяти.

RUN

STOP

RESET

Светодиод RUN загорается при подаче команды на запуск двигателя и при выдаче выходного сигнала.

MIN

MAX

2

FUNC.

STR

Клавиши , используются для изменения параметров.

1

Клавиша RUN используется для запуска двигателя. При управлении с клеммной панели данная клавиша не используется. Светодиод над клавишей загорается только при пуске с пульта

Светодиод PRG загорается при программировании параметров инвертора.

Клавиша FUNC используется для установки параметров.

Порядок программирования.

01

A 01

09

A 98

FUNC.

F 01

1

1

1

FUNC.

01

Ввод параметров

FUNC.

F 04

89

STR

A --

2

2

C 01

2

Сохранение измененных параметров.

2

--

C 91

C --

Описание работы клавиш пульта оператора

	Эти клавиши используются для выбора кода и изменения данных. По одинарному нажатию клавиши на экране сначала появится режим отображения , а затем - , , , ...и т.д. один за другим. Если нажать клавишу , когда на экране отображен режим , то появится опять . Чтобы выбрать режим расширенных функций, надо нажать клавишу , когда на экране отображено , , .
	Эта клавиша позволяет просматривать и изменять параметры функций. Когда на экране отображено, , , , нажатие клавиши (один раз) позволяет войти в режим расширенных функций.

Замечание. После изменения содержимого функций необходимо нажать клавишу для сохранения изменений.

5.3 Клавиша (ПУСК).

По нажатию данной клавиши выполняется запуск двигателя.

Значение, установленное в функции F4, определяет направление вращения.

5.3 Клавиша (ОСТАНОВ/СБРОС).

При нажатии данной клавиши выход инвертора отключается (возможно отключение действия данной клавиши).

Если произошел сбой, эта клавиша выполняет функции сброса.

Пояснение к показаниям экрана пульта оператора при включении питания.

При подаче питания на преобразователь на экране пульта оператора появляется режим, установленный до отключения питания (за исключением режима расширенных функций).

Схема лабораторного стенда

3

11

4 1 2

Амперметр

Нагрузка (на стенде находится в виде четырех тумблеров)

Асинхронный двигатель

Преобразователь частоты.

Используемые функции и режимы частотного преобразователя серии L100 (Hitachi)¹

Основные функции:

А01 – установка способа задания частоты:

00 – потенциометром на пульте (используется в лабораторной работе)

01 – с клеммной панели 0/01

02 – с пульта оператора F01/A20

F01 – установка выходной частоты (диапазон установок: 0,5 – 360 Гц)

F02 – установка времени разгона (диапазон установок: 0,1 – 3000 с; исходное значение 10с)

F03 – установка времени замедления (диапазон установок: 0,1 – 3000 с; исходное значение 10с)

F04 – установка направления вращения двигателя(00 – вперед, 01 – назад; исходное значение 00)

Функции отображения текущих параметров:

d01 – выходная частота [Гц]

d02 – ток двигателя [А]

d03 – направление вращения (F – вперед, r – назад, 0 - стоп)

Программа выполнения работы.

Изучить методические указания к лабораторной работе.

Ознакомиться с лабораторным стендом и изучить назначение приборов.

Используя раздел 1,2, изучить принцип работы асинхронного электродвигателя регулируемого от преобразователя частоты и электрическую функциональную схему электропривода.

Выполнить лабораторную работу соответственно порядку, установленному в пункте 6.

Выполнить задачи, поставленные в пункте 6.

Снять механические характеристики асинхронного двигателя.

Построить график зависимости выходной частоты от тока.

Проанализировать полученные экспериментальные данные.

Ответить на контрольные вопросы.

Методика выполнения работы.