Skalarno in vektorsko krmiljenje indukcijskih motorjev - kakšna je razlika?

Asinhroni motor — AC motor, pri katerem tokovi v navitjih statorja ustvarjajo vrtljivo magnetno polje. To magnetno polje inducira tokove v navitju rotorja in ob delovanju na te tokove nosi rotor s seboj.

Da pa magnetno polje rotirajočega statorja inducira tokove v vrtečem se rotorju, mora rotor v svojem vrtenju nekoliko zaostajati za poljem rotirajočega statorja. Zato je pri indukcijskem motorju hitrost rotorja vedno nekoliko manjša od hitrosti vrtenja magnetnega polja (ki je določena s frekvenco izmeničnega toka, ki napaja motor).

Pojemek rotorja zaradi vrtljivega magnetnega polja statorja (zdrs rotorja) več kot je, večja je obremenitev motorja. Pomanjkanje sinhronizacije med vrtenjem rotorja in magnetnim poljem statorja je značilna lastnost indukcijskega motorja, od tod tudi njegovo ime.

Vrtljivo magnetno polje v statorju ustvarjajo navitja, ki jih napajajo fazno zamaknjeni tokovi. V ta namen se običajno uporablja trifazni izmenični tok. Obstajajo tudi enofazni indukcijski motorji, pri katerih se fazni zamik med tokovi v navitjih ustvari z vključitvijo različnih reaktanc v navitja.

Za uravnavanje kotne hitrosti vrtenja rotorja in navora na gredi sodobnih brezkrtačnih motorjev se uporablja vektorsko ali skalarno krmiljenje električnega pogona.

Skalarni nadzor

Bilo je najpogostejše krmiljenje skalarnega indukcijskega motorja, ko je na primer za krmiljenje hitrosti vrtenja ventilatorja ali črpalke dovolj vzdrževanje konstantne hitrosti vrtenja rotorja, za to zadostuje povratni signal iz senzorja tlaka ali senzorja hitrosti.

Načelo skalarnega nadzora je preprosto: amplituda napajalne napetosti je funkcija frekvence, pri čemer je razmerje med napetostjo in frekvenco približno konstantno.

Specifična oblika te odvisnosti je povezana z obremenitvijo gredi, princip pa ostaja enak: povečujemo frekvenco, napetost pa sorazmerno narašča glede na obremenitveno karakteristiko danega motorja.

Zaradi tega je magnetni pretok v reži med rotorjem in statorjem skoraj konstanten. Če razmerje med napetostjo in frekvenco odstopa od nazivne vrednosti za motor, bo motor preveč ali premalo vzbujen, kar bo povzročilo izgube motorja in napake v procesu.

Tako skalarna regulacija omogoča doseganje skoraj konstantnega navora gredi v območju delovne frekvence, ne glede na frekvenco, vendar se pri nizkih vrtljajih navor še vedno zmanjšuje (da bi to preprečili, je treba povečati razmerje napetosti in frekvence), zato , za vsak motor obstaja strogo določeno delovno skalarno krmilno območje.

Prav tako je nemogoče zgraditi skalarni sistem za krmiljenje hitrosti brez senzorja hitrosti, nameščenega na gredi, ker obremenitev močno vpliva na zaostajanje dejanske hitrosti rotorja od frekvence napajalne napetosti. Toda tudi s senzorjem hitrosti s skalarnim krmiljenjem navora ne bo mogoče prilagoditi z visoko natančnostjo (vsaj ne ekonomsko izvedljivo).

To je pomanjkljivost skalarnega krmiljenja, ki pojasnjuje relativno malo njegovih aplikacij, omejenih predvsem na običajne indukcijske motorje, kjer odvisnost zdrsa od obremenitve ni kritična.

Vektorski nadzor

Da bi se znebili teh pomanjkljivosti, so inženirji Siemensa leta 1971 predlagali uporabo vektorskega krmiljenja motorja, pri katerem se krmiljenje izvaja s povratno informacijo o velikosti magnetnega pretoka. Prvi vektorski nadzorni sistemi so vsebovali senzorje pretoka v motorjih.

Danes je pristop k tej metodi nekoliko drugačen: matematični model motorja vam omogoča izračun hitrosti rotorja in momenta gredi glede na trenutne fazne tokove (od frekvence in vrednosti tokov v navitjih statorja) .

Ta progresivnejši pristop omogoča neodvisno in skoraj inercialno krmiljenje tako navora gredi kot hitrosti gredi pod obremenitvijo, saj postopek krmiljenja upošteva tudi faze tokov.

Nekateri natančnejši vektorski krmilni sistemi so opremljeni s povratnimi zankami za hitrost, krmilni sistemi brez senzorjev za hitrost pa se imenujejo brezsenzorski.

Torej, odvisno od področja uporabe tega ali onega električnega pogona, bo imel njegov vektorski krmilni sistem svoje značilnosti, svojo stopnjo natančnosti regulacije.

Če zahteve glede natančnosti za regulacijo hitrosti dovoljujejo odstopanje do 1,5 % in območje regulacije ne presega 1 proti 100, potem je sistem brez senzorjev v redu. Če je potrebna natančnost nastavitve hitrosti z odstopanjem največ 0,2% in je obseg zmanjšan na 1 do 10.000, potem je potrebna povratna informacija za senzor hitrosti gredi. Prisotnost senzorja hitrosti v vektorskih krmilnih sistemih omogoča natančen nadzor navora tudi pri nizkih frekvencah do 1 Hz.

Vektorski nadzor ima torej naslednje prednosti. Visoka natančnost regulacije hitrosti rotorja (in brez senzorja hitrosti na njem) tudi v pogojih dinamično spreminjajoče se obremenitve gredi, medtem ko ne bo udarcev. Gladko in enakomerno vrtenje gredi pri nizkih vrtljajih. Visoka učinkovitost zaradi nizkih izgub v pogojih optimalnih karakteristik napajalne napetosti.

Vektorski nadzor ni brez pomanjkljivosti. Kompleksnost računskih operacij.Potreba po nastavitvi začetnih podatkov (spremenljivi parametri pogona).

Za skupinski električni pogon je vektorsko krmiljenje načeloma neprimerno, tukaj je skalarno krmiljenje boljše.