технические отличия векторных и скалярных преобразователей

 

 

 

 

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

 

Вопрос: На рынке представлены векторные и скалярные частотные преобразователи, причем

векторные ощутимо дороже. Каковы технические различия между ними?

 

Вопрос не так прост, чтобы ответить на него односложным образом. Сами по себе термины

"векторный" и "скалярный" являются неточными применительно к характеристике

частотных преобразователей. Поскольку речь идет по существу о параметре переменного

тока, то использование термина "скалярный" вообще недопустимо. Из курса элементарной

физики хорошо известно, что скалярная величина - это такая величина, каждое значение которой (в отличие от вектора) может быть выражено одним (действительным) числом,

вследствие чего совокупность значений скаляра можно изобразить на линейной шкале (скале - отсюда название). Длина, площадь, время, температура и т. д. - скалярные величины. Векторными величинами, или векторами, называют величины, имеющие и численное

значение, и направление. В этой связи разделение частотных преобразователей на скалярные

и векторные в принципе некорректно, и отражает стремление менеджеров торговых

компаний обосновать более высокие цены на один из типов преобразователей, якобы имеющий превосходство над другим.

 

Что касается технической стороны дела, она заключается в следующем.

 

Основным способом корректировки вращающего момента на валу электродвигателя является

изменение частоты и величины тока обмоток статора, что приводит к изменению силы его

вращающегося магнитного поля. Большинство частотных преобразователей устроены таким

образом, что дают возможность пользователю настроить характеристику выходных

электрических параметров под конкретный вид оборудования. Например, в зависимости от

величины момента инерции приводимого в движение оборудования можно придать

характеристике выходного тока преобразователя линейный, параболический или гиперболический вид.

 

Так, если необходимо стронуть с места тяжелую массу на приводимом в движение

транспортере, характеристике выходного тока следует придать гиперболический вид. Водяные насосы и вентиляторы желательно приводить в движение по параболической

кривой, что дает экономию электроэнергии. По этому алгоритму работают практически все

частотные преобразователи, называемые неправильным термином "скалярные", более точным названием которых было бы: "частотные преобразователи с предварительной настройкой частоты и величины выходного тока".

 

Другим эффективным средством повышения момента на валу электродвигателя является

использование 3-й гармоники выходного тока, вектор которой, как и кратных ей более

высоких гармоник, вращается в ту же сторону, что и вектор тока основной гармоники (50

Гц), т.е., имеет прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении

и имеют обратную последовательность. Общий ток нейтрали, вычисляемый по формуле:


может превышать фазные токи, поскольку амплитуда колебаний третьей гармоники

существенно больше амплитуд последующих гармоник. Данный эффект может быть

использован для увеличения мощности выходного тока и увеличения момента на валу двигателя.

 

Инженерная мысль, однако, не стоит на месте и некоторые разработчики приняли решение

использовать для управления моментом на валу двигателя не только частоту и силу

питающего тока, но и его фазу. Кстати, именно отсюда появился и начал гулять по интернету и рекламным изданиям термин "векторный" частотный преобразователь.

 

Первые попытки создать частотный преобразователь с управлением моментом двигателя по фазе питающего тока строились на измерении параметров выходного тока и напряжения (по

аналогии с электросчетчиком) и вычислении необходимого сдвига фаз. Эти попытки

оказались недостаточно эффективными, особенно на малых скоростях вращения двигателя,

хотя для этой цели использовались процессоры с внушительными вычислительными мощностями.

 

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

 

Лучших результатов удалось достичь путем введения контура обратной связи для контроля

положения ротора двигателя. Используя обратную связь по скорости вращения ротора

двигателя и, вычисляя в режиме текущего времени необходимую скорость вращения магнитного поля статора, удалось оптимизировать стабильность момента вращения в довольно широком диапазоне за счет дополнительного сдвига фаз.

 

Физическая природа явления кроется в конструкции асинхронного электродвигателя с

короткозамкнутым ротором. Вращающееся магнитное поле пересекает замкнутую обмотку ротора, где появляются токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем статора, создают

механическую силу. Эта сила вынуждает ротор вращаться в направлении вращения

магнитного поля статора, однако, скорость вращения ротора всегда будет отставать на 3-6% от скорости вращения магнитного поля.

 

Такое отставание называется скольжением, и именно оно обеспечивает превращение

электрической энергии в механическую энергию в асинхронном электродвигателе. Строго

говоря, при отсутствии скольжения в обмотках ротора не будет возникать электродвижущая

сила, соответственно не будет взаимодействия магнитных полей и не будет возникать момент вращения ротора.

 

Иными словами, если в т.н. "скалярных" преобразователях объектом контроля и управления

является только магнитное поле статора, то в т.н. "векторных" преобразователя объектом

контроля и управления является как магнитное поле статора, так и ротора, а точнее - их взаимодействие с целью оптимизации момента вращения на различных скоростях. Что

касается методов контроля и управления, то в первом случае используется выходная частота и ток преобразователя, а во втором случае - выходная частота, ток и его фаза.

 

Для чего это делается? Как известно, момент вращения электродвигателя прямо

пропорционален силе тока и обратно пропорционален скорости вращения ротора.

Разработчики "векторных" преобразователей ставили перед собой вполне определенную

цель - обеспечить высокий постоянный момент на валу электродвигателя на малых

скоростях вращения, т.е. потерю момента вращения вследствие низкой скорости стремились

компенсировать повышением тока и усилением сцепления магнитных полей статора и ротора.


Если бы поставленная цель была достигнута, частотно-регулируемый асинхронный

электропривод превратился бы в сервопривод, где высокий постоянный момент на валу

обеспечивается даже при нулевой скорости вращения. Однако, принципиальные

конструктивные и электротехнические различия между асинхронным электродвигателем и

серводвигателем настолько велики, что никакие усилия и уловки разработчиков не могут

серьезно приблизить асинхронный электропривод к сервоприводу. Вследствие этого

эффективность т.н. "векторных" методов не так велика, как этого им хотелось - на малых скоростях вращения электродвигателя она мало заметна. Более того, на малых скоростях вращения да еще при повышенном токе происходит перегрев двигателя, что вынуждает разработчиков применять внешние вентиляторы обдува.

 

В рекламе т.н. "векторных" преобразователей упор делается на постоянство момента

вращения двигателя в широком диапазоне частот. Таким способом подчеркивается, что "невекторные" преобразователи эти свойством не обладают.

 

Подобные утверждения не имеют под собой серьезной основы.

 

Во-первых, все разговоры о моменте вращения имеют смысл на этапе проектирования

привода, когда производятся необходимые расчеты, подбираются электродвигатели, редукторы, компоненты для передачи движения. В процессе эксплуатации частотно-

регулируемого асинхронного электропривода предметом контроля и управления является

уже собственно технологический параметр (скорость вращения, давление, температура, влажность, яркость и т.д.).

 

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

 

Во-вторых, асинхронный электродвигатель имеет одно уникальное свойство, а именно:

способность изменять момент вращения в зависимости от момента сопротивления на валу. Иными словами, асинхронный двигатель потребляет только такую величину тока, которая

обеспечивает равенство момента вращения и момента сопротивления, создаваемого нагрузкой.

 

По этой причине, при правильном выборе мощности электродвигателя на этапе

проектирования привода в т.н. "векторных" способах управления моментом вращения

вообще-то нет особой нужды, тем более что и они на минимальных скоростях малоэффективны.

 

Жизнь идет вперед, время покажет, является ли "векторный" вариант столбовой дорогой

развития частотно-регулируемого асинхронного привода, или канет в лету, как многие другие произведения инженерной мысли.

 

Сейчас же совершенно очевидно, что дополнительная плата, взимаемая за т.н. "векторность" преобразователя технически не оправдана, а любое усложнение системы, как известно, ведет к снижению ее надежности.

 

Другим немаловажным обстоятельством, препятствующим широкому распространению т.н.

"векторных" преобразователей, является невозможность их использования в

многодвигательных приводах, тогда как преобразователи с предварительной настройкой

частоты и величины выходного тока (т.н. "скалярные") могут одновременно управлять работой неограниченного количества электродвигателей.

 

Иными словами, с точки зрения эксплуатационных свойств частотных преобразователей, их

следовало бы классифицировать не по принципу "векторные" - "скалярные", а по способу


управления параметрами выходного тока, а именно:

 

1) Преобразователи с предварительной настройкой параметров выходного тока.

Используются в большинстве общепромышленных приводов как с обратной связью по

контролю технологического параметра так и без нее, включая приводы насосов,

вентиляторов, конвейеров, транспортеров, экструдеров, в том числе одно- и многодвигательные системы.

 

2) Преобразователи с динамической настройкой параметров выходного тока. Используются в однодвигательных приводах высокоточного технологического

оборудования. Могут быть с обратной связью по контролю положения ротора двигателя и без нее. По точности и глубине регулирования скорости вращения несколько превосходят преобразователи первого типа, но значительно уступают сервоприводам.

 

Что касается проблемы в целом, следует иметь ввиду, что для решения конкретных задач в области управляемого привода применяются соответствующие электродвигатели со своими

системами управления - шаговые моторы с контроллерами, серводвигатели с контроллерами,

двигатели постоянного тока с контроллерами и, наконец, асинхронные и синхронные

электродвигатели с частотными преобразователями. Попытки создать универсальный привод

заведомо обречены на провал, поскольку конструктивные различия между приводами

слишком велики, а решаемые приводами задачи просто несопоставимы. Невозможно создать из асинхронного двигателя серводвигатель, а из синхронного шаговый, даже если встроить в него полсотни полюсов.

 

Что же делать? Все гениальное просто - достаточно правильно спроектировать привод с

учетом необходимого момента на валу в самом неблагоприятном диапазоне частот

вращения, а управление технологическим параметром поручить ПИД-регулятору, который имеется в большинстве скалярных преобразователей.   автор статьи

большинстве современных т.н. "скалярных" преобразователей.