Skalární a vektorové řízení indukčních motorů - jaký je rozdíl?

Asynchronní motor — střídavý motor, ve kterém proudy ve vinutí statoru vytvářejí rotující magnetické pole. Toto magnetické pole indukuje proudy ve vinutí rotoru a působením na tyto proudy unáší rotor s sebou.

Aby však magnetické pole rotujícího statoru indukovalo proudy v rotujícím rotoru, musí rotor ve své rotaci mírně zaostávat za rotujícím polem statoru. Proto je u indukčního motoru rychlost rotoru vždy o něco menší než rychlost otáčení magnetického pole (která je určena frekvencí střídavého proudu napájejícího motor).

Zpomalení rotoru rotujícím magnetickým polem statoru (prokluzování rotoru) čím více, tím větší je zatížení motoru. Absence synchronizace mezi rotací rotoru a magnetickým polem statoru je charakteristickým znakem indukčního motoru, odtud jeho název.

Rotující magnetické pole ve statoru je generováno vinutími napájenými fázově posunutými proudy. K tomuto účelu se obvykle používá třífázový střídavý proud. Existují také jednofázové indukční motory, kde je fázový posun mezi proudy ve vinutí vytvořen zahrnutím různých reaktancí ve vinutích.

Pro regulaci úhlové rychlosti otáčení rotoru a také točivého momentu na hřídeli moderních bezkomutátorových motorů se používá vektorové nebo skalární řízení elektrického pohonu.

Skalární ovládání

Bylo to nejčastější ovládání skalárního indukčního motorukdyž například pro řízení rychlosti otáčení ventilátoru nebo čerpadla stačí udržovat konstantní rychlost otáčení rotoru, stačí k tomu zpětnovazební signál ze snímače tlaku nebo ze snímače rychlosti.

Princip skalárního řízení je jednoduchý: amplituda napájecího napětí je funkcí frekvence, poměr napětí k frekvenci je přibližně konstantní.

Konkrétní podoba této závislosti souvisí se zatížením hřídele, ale princip zůstává stejný: zvyšujeme frekvenci a napětí úměrně roste v závislosti na zatěžovací charakteristice daného motoru.

Díky tomu je magnetický tok v mezeře mezi rotorem a statorem udržován téměř konstantní. Pokud se poměr napětí a frekvence odchyluje od jmenovité hodnoty pro motor, pak bude motor buď přebuzený, nebo nedostatečný, což povede ke ztrátám motoru a poruchám procesu.

Skalární řízení tedy umožňuje dosáhnout téměř konstantního točivého momentu hřídele v rozsahu pracovních frekvencí bez ohledu na frekvenci, ale při nízkých otáčkách točivý moment stále klesá (aby se tomu zabránilo, je nutné zvýšit poměr napětí k frekvenci ), proto , pro každý motor je přesně definovaný provozní rozsah skalárního řízení.

Rovněž je nemožné sestavit systém skalárního řízení rychlosti bez snímače rychlosti namontovaného na hřídeli, protože zatížení značně ovlivňuje zpoždění skutečné rychlosti rotoru od frekvence napájecího napětí. Ale ani se snímačem otáček se skalárním řízením nebude možné nastavit točivý moment s vysokou přesností (alespoň ne ekonomicky proveditelné).

To je nevýhoda skalárního řízení, která vysvětluje relativní vzácnost jeho aplikací, omezených především na konvenční indukční motory, kde závislost skluzu na zatížení není kritická.

Vektorové ovládání

Aby se zbavili těchto nedostatků, v roce 1971 inženýři společnosti Siemens navrhli použít vektorové řízení motoru, ve kterém se řízení provádí se zpětnou vazbou o velikosti magnetického toku. První vektorové řídicí systémy obsahovaly snímače průtoku v motorech.

Dnes je přístup k této metodě mírně odlišný: matematický model motoru umožňuje vypočítat otáčky rotoru a moment hřídele v závislosti na aktuálních fázových proudech (z frekvence a hodnot proudů ve vinutí statoru) .

Tento progresivnější přístup umožňuje nezávislé a téměř inerciální řízení točivého momentu hřídele a otáček hřídele při zatížení, protože proces řízení bere v úvahu i fáze proudů.

Některé přesnější vektorové řídicí systémy jsou vybaveny zpětnovazebními smyčkami rychlosti, zatímco řídicí systémy bez snímačů rychlosti se nazývají bezsenzorové.

Takže v závislosti na oblasti použití tohoto nebo toho elektrického pohonu bude mít jeho vektorový řídicí systém své vlastní charakteristiky, svůj vlastní stupeň přesnosti regulace.

Když požadavky na přesnost regulace rychlosti umožňují odchylku až 1,5 % a rozsah regulace nepřesahuje 1 ku 100, pak je bezsenzorový systém v pořádku. Pokud je požadována přesnost nastavení otáček s odchylkou ne větší než 0,2 % a rozsah je snížen na 1 až 10 000, pak je nutné mít zpětnou vazbu pro snímač otáček hřídele. Přítomnost snímače rychlosti v systémech vektorového řízení umožňuje přesné řízení točivého momentu i při nízkých frekvencích až do 1 Hz.

Takže vektorové řízení má následující výhody. Vysoká přesnost regulace otáček rotoru (a bez snímače otáček na něm) i za podmínek dynamicky se měnícího zatížení hřídele, aniž by docházelo k rázům. Hladké a rovnoměrné otáčení hřídele při nízkých otáčkách. Vysoká účinnost díky nízkým ztrátám za podmínek optimální charakteristiky napájecího napětí.

Vektorové ovládání není bez nevýhod. Složitost výpočetních operací.Nutnost nastavení počátečních dat (variabilní parametry pohonu).

Pro skupinový elektropohon je vektorové řízení zásadně nevhodné, zde je lepší skalární řízení.