Концепции за управление на електродвигатели

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2011

Концепции за управление на електродвигателиКонцепции за управление на електродвигателиКонцепции за управление на електродвигатели

  Многобройните приложения на електродвигателите и непрекъснато нарастващите изисквания към тяхното действие налагат наличието на подходящи методи за тяхното управление. Усъвършенстването на технологиите и на първо място развитието на електрониката позволяват техни подобрения както за увеличаване на прецизността, така и за осигуряване на работата им посредством съвременни цифрови технически средства, включително дистанционно чрез съществуващи информационни мрежи.
Настоящата статия е посветена на основните методи за управление на постояннотокови и променливотокови електродвигатели, а в следващия брой ще бъдат разгледани новостите на техническите средства за реализацията им.

Особености на управлението
Към класическото и масово разпространено регулиране на скоростта на въртене се прибавят в зависимост от нуждите една или повече от следните възможности:
- Поддържане на постоянна скорост на въртене при промяна на натоварването на ротора.
- При включване на електродвигателя, плавно увеличаване на скоростта до необходимата.
- Задаване на минимална скорост на въртене.
- Смяна на посоката на въртене на някои видове електродвигатели.
- Ограничаване на тока до дадена максимална стойност или изключването му при превишаването й и автоматично повторно включване след определено време.
- Възможност за избор между плавно и рязко спиране.
- Задаване на границите на захранващото напрежение, в които електродвигателят може да работи.
- Температурна защита, изключваща електродвигателя при превишаване на определена негова температура.
Поради принципа на действие на различните видове електродвигатели, във всеки от тях една или повече от тези възможности могат да се окажат неприложими.

Управление на постояннотокови колекторни електродвигатели
Известни са със съкращението BDC (от Brush Direct Current) и имат за статор постоянен магнит и ротор с четен брой намотки. При дадено положение на ротора, чрез четките двойка намотки се свързва към захранващото напрежение, създаденото от протичащия ток магнитно поле взаимодейства с това на статора и роторът се завърта. Следва свързване в подходящ момент на следваща двойка намотки и ново поле, което продължава въртенето. Скоростта на въртене е право пропорционална на напрежението Ur на ротора и може да се регулира чрез неговото изменение. Съвременният начин за осигуряване на това захранване е чрез накъсано постоянно напрежение U, т. е. чрез периодичното свързване на електродвигателя към това напрежение за време ton и изключването му за време toff. С други думи, захранването е с еднополярни правоъгълни импулси с амплитуда U, честота F=1/(ton+toff) и коефициент на запълване d=tonxF. За електродвигателя това е еквивалентно на свързване към постоянно напрежение Ur=Uxd и, следователно, чрез промяна на d на импулсите при неизменна тяхна честота F (известно като широчинноимпулсна модулация, ШИМ или PWM) може да се регулира скоростта на въртене. По принцип стойността на F трябва да е много по-голяма от максималната скорост на въртене и вече надхвърля 100 kHz. Идея за структурата на управление е дадена на фиг. 1.
Блокът Module осигурява ШИМ импулсите и необходимия ток на електродвигателя М, като стойността на d се задава чрез вход Contr. В някои управления му се подава постоянно напрежение, а в други (ставащи все по-популярни) входът се свързва към някой от стандартните интерфейси, например CAN, SPI или I2C, за дистанционно управление. Плавното увеличаване на скоростта на въртене (Soft Start) също се осигурява от вход Contr, като при включването на електродвигателя не се подава веднага необходимата стойност на d, а тя плавно се увеличава от 0. Това е необходимо главно по две причини. Първата е, че импедансът на неподвижния ротор е нищожен и при включването ще се получи много голям ток, който би могъл да повреди блока Module или този, осигуряващ постоянното напрежение U. Втората причина е рязко прилаганото голямо механично усилие върху ротора поради този ток, което може да предизвика повреда на някои части на електродвигателя.
Токът на електродвигателя, протичащ през резистора R и полученото напрежение чрез блока CS формира пропорционален на тока сигнал. Основното предназначение на CS е да спира електродвигателя при превишаване на максимално допустимия му ток, но освен това може да се използва и за осигуряване на постоянна скорост на въртене при променлив товар – слабо увеличаване на натоварването на ротора води до по-голям ток през R и вместо скоростта на въртене да намалее, блокът Module увеличава d на импулсите и тя остава неизменна.
Спирането на електродвигателя може да се направи по два начина. За плавно спиране блокът Module изключва напрежението му чрез d=0 и той продължава движението си по инерция докато спре, а за рязко спиране роторът се дава накъсо и неговият ток обуславя обратна електродвижеща сила, която създава механично усилие за смяна на посоката на въртене.
Блокът t° се поставя само в някои случаи за изключване на електродвигателя при превишаване на температурата му над определена стойност, като за измерването й в него е поставен сензор за температура (обикновено термистор).
Описаното управление е без обратна връзка (Open Loop Control). Когато чрез сензор се следи скоростта на въртене, пропорционалният й електрически сигнал се връща в специален вход на Module ( прекъсната линия на фиг. 1) и се получава управление с обратна връзка (Closed Loop Control) – всяка промяна на скоростта изменя и сигнала, което води до нова стойност на d, възстановяваща скоростта. Очевидното усложняване на този вид управление е за сметка на по-стабилното поддържане на скоростта. Важността му е причина за съществуването на многобройни начини за неговото осъществяване, но в основата на всички е сравняването в блока Module на измерваната със зададената скорост.

Управление на постояннотокови безколекторни електродвигатели
Използваното за тях съкращение BLDC (от Brushless Direct Current) се дължи на липсата на четки на ротора, който е постоянен магнит. Статорът е от една, две или три намотки, съответно на еднофазни (One Phase BLDC), двуфазни (Two Phase BLDC) и трифазни (Three Phase BLDC) електродвигатели. Всяка намотка съдържа две последователно свързани и диаметрално разположени секции и като й се подаде напрежение нейното магнитно поле взаимодейства с това на ротора и го завърта. При еднофазните, след завъртане на 180°, се сменя полярността на напрежението на намотката, за да може новото поле да продължи въртенето. В случая на двуфазни електродвигатели завъртането на ротора на 90° налага включване на втората намотка, на още 90° - смяна на полярността на първата намотка и т. н., а при трифазните по аналогичен начин една след друга се свързват трите намотки, но след завъртане на 60°. Това действие налага следене на положението на ротора, което най-често се прави с вградени в електродвигателя сензори на Хол, по един до всяка секция. За приложения, свързани с възможно силно замърсяване, се използват две разновидности.
При първата в електродвигателя се вграждат само постоянни магнитчета, а сензорите на Хол са външни, докато втората е известна като безсензорно управление (Sensorless Control). То се прилага в трифазни електродвигатели и се основава на факта, че във всеки момент от времето една от намотките не е свързана към захранващото напрежение и индуцираното в нея напрежение (поради въртенето на ротора) може да се използва вместо сигнал от сензор (BEMF Control от Back Electromotive Force). Намаляването на цената и увеличаването на надеждността на електродвигателите с този тип управление разширяват областите му на приложение и е причина за съмнения относно бъдещето на сензорния метод за управление на BLDC. Засега се води сериозна дискусия по този въпрос, но еднозначен отговор все още няма.
Действието на BLDC показва, че структурата на управлението им е подобна на фиг. 1, но на блок Module допълнително се подава сигнал от сензорите или BEMF и се осигурява желаната последователност на захранване на намотките, поради което устройството му е по-сложно. Смяна на посоката на въртене се осъществява от същия блок чрез подаване в обратна последователност  на напрежения с обратен поляритет.
Съществуват разновидности на Module, позволяващи чрез установяване на определено постоянно напрежение в дадена тяхна точка да се фиксира желана минимална скорост на въртене. От друга страна, поради линейната зависимост на консумирания от електродвигателя ток от въртящия момент на товара му е възможно чрез осигуряване от блок Module на неизменен ток да се получи постоянен въртящ момент, което също има своите приложения.
При използването на BLDC с управление, ограничаващо тока му до определена максимална стойност, трябва да се има предвид една важна особеност – при този максимален ток нарастването на въртящия момент на товара води до намаляване на скоростта на въртене, т. е. тя губи постоянната си стойност, зададена чрез ШИМ.

Метод V/F за управление на променливотокови индукционни електродвигатели
Точното му наименование е метод с промяна на напрежението и честотата (Variable Voltage Variable Frequency) и е предназначен за промяна на скоростта на въртене на еднофазни и трифазни индукционни електродвигатели. Използва се масово поради сравнително простата и евтина техническа реализация в случаите, когато не е необходимо много прецизно задаване на скоростта, нито има изисквания за контролиране на положението на ротора. Типични примери за приложение на метода са в индустриални управления, отоплителни и вентилационни системи, компресори, помпи, конвейери и всякакви задвижващи механизми. Скоростта на въртене на създаденото от статора електромагнитно поле (синхронна скорост) е Ns=120fM/p [об/мин], където fM е честотата на променливото напрежение на статора в Hz и р е броят на неговите двойки полюси. Това означава, че единственият начин за регулиране на скоростта е чрез честотата, което налага захранване на електродвигателите не непосредствено от електрическата мрежа, а чрез честотен инвертор. В зависимост от вида на електродвигателя той генерира две или три подходящо дефазирани едно спрямо друго синусоидални напрежения с еднаква честота и амплитуда, създавани чрез ШИМ импулси. Честотата f0 на последните е много по-голяма от fM, като моментните стойности на синусоидите се определят от коефициента на запълване на импулсите. Тъй като fM зависи линейно от f0, регулирането на скоростта се осигурява чрез изменение на честотата на импулсите, което се реализира лесно чрез електронен блок в честотния инвертор. Това изменение може да се осигурява чрез вграден в блока алгоритъм или чрез външен сигнал.
Скоростта на въртене NB на ротора, давана в техническата документация като скорост на електродвигателя, е приблизително равна на Ns, но винаги по-малка от нея (с няколко %) и следователно би могла да се регулира чрез изменение на f0. Този прост начин практически не се използва, тъй като промяната на NB води до изменение и на въртящия момент Т на електродвигателя (това е добре известната графична зависимост за всеки тип индукционен електродвигател). Причината е, че Т е право пропорционален на създадения от статора магнитен поток, а той от своя страна зависи от отношението на приложеното върху статора напрежение Us и скоростта Ns. Следователно, за поддържане на неизменен въртящ момент трябва всяка промяна на f0 да бъде съпроводена от изменение на напрежението Us така, че отношението им да се запазва постоянно, което е същността на V/F метода. Промяната на Us се осигурява чрез изменяне на амплитудата на ШИМ импулсите едновременно с тяхната честота. Съществена особеност е, че при малка скорост на въртене и значителен товар на електродвигателя, неговият ток може да се окаже много голям поради малкото напрежение.
Зависимостта на Т от скоростта на въртене N при използване на метода е дадена с червената графика на фиг. 2а. Вижда се, че регулирането при запазване на Т=const е възможно в границите от минималната скорост на електродвигателя Nmin (зависеща от неговия тип и конструкция с типични стойности около 0,05NB) до NB, като Us нараства линейно от минималната си стойност Usmin до UsB, необходимо за запазване на Т до скорост NB. По принцип може да се осигури и скорост на въртене по-голяма от NB чрез ШИМ импулси с неизменна амплитуда UsB и променяща се честота f0, но това е съпроводено с намаляване на Т. Максималната скорост на въртене Nmax отново зависи от електродвигателя. В схемите на управления блокът за осигуряване на V/F обикновено се означава чрез символа на фиг. 2б.
Логично е да се заключи, че методът позволява плавно развъртане на електродвигателите (увеличаване на скоростта на въртене от Nmin до желана стойност) чрез подходящо бавно увеличаване на f0 и амплитудата на импулсите. По аналогичен начин се осигурява и плавно намаляване на скоростта на въртене.
Идея за структурата на управлението на еднофазни и трифазни електродвигатели е дадена на фиг. 3. Чрез токоизправителя REC се осигурява постоянното напрежение със стойност UsB, което захранва мощното изходно стъпало Pwr. На неговия вход от блока PWM постъпват ШИМ импулси, чиято честота и амплитуда се задават чрез вграден микроконтролер. При управление на еднофазни електродвигатели блокът PWM генерира две синусоиди с еднаква амплитуда и честота и фазова разлика помежду им от 90°, като едната се подава на основната намотка на статора, а другата – на стартовата намотка. Така се създава въртящо се магнитно поле без да има нужда от класическия кондензатор (в някои електродвигатели те са два), свързван последователно на стартовата намотка. Към това предимство се прибавя и възможността за реверсиране – въртенето в нормална посока се осигурява при изпреварващо напрежение на стартовата намотка, а в обратна посока чрез неговото закъснение. При трифазни електродвигатели се генерират три синусоиди (също с еднаква честота и амплитуда) за всяка от намотките на статора с фазова разлика помежду им от 120°, с което непосредствено се получава въртящо се магнитно поле. Твърде често се използват управления и на еднофазни електродвигатели също чрез генерирането на три синусоиди, комбинация от които (чрез подходящо свързване на двете намотки) осигурява споменатата фазова разлика от 90° между напреженията на намотките.
Очевидно е, че описаното действие е на управление без обратна връзка, което определя споменатото не особено прецизно задаване на скоростта на въртене.

Управление на трифазни индукционни електродвигатели с постоянно приплъзване
Приплъзването (Slip) представлява разликата Nslip=Ns-NB между скоростта на въртене на магнитното поле на статора и тази на ротора. Управлението чрез постоянно приплъзване (Constant Slip Control) се използва за трифазни електродвигатели. Известно е, че при определена стойност на Nslip се получава максимум на коефициента на полезно действие на електродвигателите, а при друга близка до нея стойност токът на статора и съответно енергийните загуби в инвертора са най-малки. Изборът на приплъзване Nslip,opt между двете стойности означава компромис за едновременно осигуряване на голям к. п. д. и малки загуби, а същността на разглежданото управление е поддържане на тази оптимална стойност в процеса на работа. Управлението е с обратна връзка, като чрез сензор се измерва скоростта на въртене на електродвигателя и пропорционалният й електрически сигнал се подава на блок за сравняване с желаната стойност на скоростта на въртене на електромагнитното поле на статора. Когато по някаква причина се измени натоварването на ротора, се променя неговата скорост на въртене и се получава ново приплъзване, различно от Nslip,opt. На изхода на блока се установява постоянно напрежение, пропорционално на разликата между новото приплъзване и Nslip,opt, което изменя амплитудата на ШИМ импулсите на намотките на статора и се възстановява оптималната стойност.
При висока скорост на въртене и голямо натоварване на ротора амплитудата на импулсите достига максималната си стойност. По-нататъшно увеличаване на една от тези величини не може да бъде компенсирано с по-голяма амплитуда на импулсите и приплъзването вече не може да се поддържа неизменно, а започва да намалява.
Предимство на този вид управление е значително по-точното поддържане на скоростта на въртене на ротора в сравнение с V/F метода, но това е за сметка на усложнения заради измерването на скоростта и на самата схема на управлението.

Векторно управление на трифазни индукционни електродвигатели
Не са рядкост практическите случаи на работа на електродвигателите с резки изменения на скоростта на въртене и/или натоварването на ротора (т. е. на въртящия момент). Това е съпроводено с рязко изменение на приплъзването, а резултатът от него при ползване на V/F метода са големи отскоци на токовете на статора, намаляване на к. п. д. и увеличаване на шума при работа. Всичко това значително се ограничава от метода на векторното управление (Vector Control, Field Oriented Control, FOC), който е с обратна връзка. Наименованието му се дължи на факта, че при него, освен честотата и амплитудата на синусоидалните напрежения на трите намотка на статора, се променя и фазовата разлика между тях, т. е. взаимното разположение на векторите. Това усложняване налага използването на мощни микроконтролери, цифрови сигнални контролери (DSC) или цифрови сигнални процесори (DSP), които осигуряват достатъчно бързото изпълняване на значително по-сложните алгоритми. Благодарение на последните се получават предимствата: осигуряване на максимален въртящ момент при малка скорост на въртене, плътно приближаване на формата на токовете на статора до синусоидалната, общо подобряване на параметрите на електродвигателите и системите за управление.
Методът осигурява независимо управление на скоростта на въртене на ротора, неговия магнитен поток и въртящия му момент, като на всяка от тези величини трябва да съответства електрически сигнал за обратна връзка. Сигналът за скоростта на въртене SS се формира чрез добре познатия от множество други приложения енкодер, докато за тези на другите две величини може да се използва непосредствен векторен контрол (Direct FOC, DFOC) или индуциран векторен контрол (Indirect FOC, IFOC). Последният не изисква сензори за измерване на магнитен поток, тъй като разработените алгоритми позволяват чрез непрекъснато използване на поредица от преобразувания да се получат отделни сигнали SF и ST, съответстващи на магнитния поток и въртящия момент чрез измерване на токовете на две от фазите на статора. Това се постига чрез блока Trans1 на фиг. 4. Сигналът SF постъпва на единия вход на блока PIF, на другия вход на който е сигналът FREF за задаване на желан магнитен поток. По аналогичен начин сигналът ST постъпва на блока PIT заедно със SТ, задаващ желания въртящ момент, а сигналът SS от енкодера Enc се подава на блока PIS едновременно със задаващия скоростта на въртене SREF. На изходите на последните три блока се формират сигнали, пропорционални на разликите между съответната реална величина и желаната й стойност. Чрез преобразуване в блока Trans2, обратно на това в блока Trans1, се получават два разликови сигнала, които чрез блока SVPWM (SV от Space Vector) осигуряват необходимите ШИМ импулси за всяка от фазите на статора. Честотният инвертор Inv осигурява необходимите напрежения и токове на намотките на статора.
Независимо от своята сложност, IFOC е масово използвано съвременно управление на трифазни индукционни електродвигатели, позволяващо задаване и прецизно подържане на три основни параметъра.

Управление на универсални електродвигатели
Тези индукционни електродвигатели могат да работят с постоянно и еднофазно променливо напрежение, като най-разпространена е разновидността с последователно свързани към него намотки на статора и ротора (серийни електродвигатели). Скоростта на въртене е правопропорционална на напрежението, което позволява регулирането й чрез него. Използват се два начина за тази промяна. По-простият и евтин е чрез добре известното от много други области тиристорно фазово управление, но той е приложим само за променливотокови електродвигатели. Реализира се като последователно на електродвигателя се свърже симетричен тиристор и се регулира ъгълът на неговото отпушване (Phase Angle Control). Така на електродвигателя се прилага само част от всяка полусинусоида на мрежовото напрежение и получената съответстваща ефективна стойност определя скоростта на въртене. Основен недостатък на метода е създаването на значителни електромагнитни смущения поради силно нелинейната форма на напрежението на електродвигателя.
Вторият метод е известен като управление с накъсване (Chopper Drive Control), при който захранващото напрежение (постоянно или променливо) се накъсва от ШИМ-импулси с честота няколко десетки kHz. Така ефективната стойност на напрежението и, съответно, скоростта на въртене се оказват право пропорционални на коефициента на запълване на импулсите. За сметка на по-сложната схема на управление, създаваните електромагнитни смущения са значително по-малки.
В основата на съвременните технически реализации и на двата метода са сравнително прости и евтини микроконтролери, а самата система за управление обикновено е с обратна връзка. Скоростта на въртене се следи чрез сензор, чийто сигнал се сравнява в микроконтролера с друг, определящ желаната скорост на въртене. Важна особеност е, че микроконтролерът осигурява плавно увеличаване и намаляване на скоростта, гарантира стабилната работа на електродвигателя при промени на захранващото напрежение и не допуска токът му да надхвърли дадена максимална стойност.

Подобряване на к. п. д.
Този проблем е на вниманието на специалистите отдавна, но в последните години е предмет на стандартизация. В IEC60034-30 на Международната електротехническа комисия са определени 4 класа на к. п. д. (Efficiency), а в Европейския съюз, според директива ЕС640/2009, вторият IE2 (high-efficiency) трябва да стане задължителен от 16.06.2011 г. за електродвигатели с мощност 0,75-375 kW и третият IE3 (premium-efficiency) – от 01.01.2015 г. и 01.01.2017 г., съответно за двигатели с мощност 7,5-375 kW и 0,75-375 kW. За електродвигатели с регулиране на скоростта на въртене в ЕС640-2009 се определя да са от клас IE2, но Международната електротехническа комисия предвижда работа за създаване на нови стандарти за още по-висок
к. п. д., включващи и електродвигатели с регулиране на скоростта на въртене.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top