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.