Начинът за получаване на енергията, необходима за извършването на механична работа в производствените процеси е оказал решаващо влияние на развитието на производствените сили през всички етапи в историята на човешкото общество. Едно такова оборудване, което създава огромен скок за човечеството, кактo във вътрешни, така и в индустриални сектори е „електрозадвижването“ (ЕЗ).
Основен потребител на електрическа енергия (повече от 60% – 65%) са електромеханичните системи (ЕМС) — електрозадвижвания, работещи в състава на различни промишлени, транспортни и битови механизми и агрегати. Ролята на ЕМС непрекъснато нараства и понастящем те започнаха да влияят върху конструкцията на съответните задвижвани механизми и агрегати, подобрявайки техните динамични характеристики и функционални възможности. Някои типични примери за икономия на енергия, вследствие на замяната на нерегулируемите задвижвания с регулируеми, са механизми като: помпи – 25%, вентилатори – 30%, компресори – 40% и центрофуги – 50%. Поради все по високата степен на автоматизация на производствените процеси и необходимостта от пестене на електроенергия се e увеличил ръстът на регулируемите задвижвания за сметка на нерегулируемите.
Все по-високите изисквания по отношение на производителност, точност и ефективност от една страна и бързото развитие на съвременната елементна база от друга, налагат постоянно усъвършенстване на ЕМС в различните области на промишлеността, транспорта, строителството, бита и т.н.
Някои устойчиви тенденции в развитието на ЕМС са усъвършенстване на полупроводниковата елементна база, използване на цифровото управление, подобряване конструкцията на двигателите, изграждане на интегрирани електрозадвижвания, съкращаване на кинематичните вериги, изграждане на блочно-модулният принцип, дистанционното управление на електрозадвижванията, разработване на интелигентни електрозадвижвания и замяна на постояннотоковите ЕМС с променливотокови.
Двигателите за постоянен ток са по-лесно управляеми от променливотоковите двигатели, поради невъзможността за независимо регулиране на техните координати (магнитен поток и момент). Основната причина за тяхното отстъпление са недостатъците дължащи се на наличие на колекторно-четков апарат, ограничени комутационни възможности при високи скорости, което налага въвеждане на независимо от скоростта токоограничение, непригодност за работа във взривоопасни и корозионни среди, необходимост от периодична поддръжка на колекторно-четковия апарат, голям обем и малко съотнoшение мощност / тегло.
Тези проблеми могат да бъдат решени от приложението на променливотоковите двигатели, които имат проста и здрава конструкция, висока експлоатационна сигурност, икономичност, здравина и издръжливост на тежки претоварвания. Бързото развитие на силовата електроника и микроелектрониката създава добри възможности за успешно преодоляване на по-сложните проблеми при тяхното управление и широкото им внедряване в практиката. Друга важна тенденция в развитието на ЕМС е засилване интереса към ЕМС с безсензорно управление. При такива електрозадвижвания основните регулируеми координати (скорост и ъглова позиция) се оценяват косвено, без електромеханични датчици. Използването на бързи микропроцесорни системи позволява в редица случаи скъпите датчици на движение да отпадат, а съответните координати да се изчисляват на базата на електрически сигнали, които са достъпни за измерване.
Елиминирането на датчиците, монтирани на вала на двигателя осигурява ниска цена на електрозадвижването като цяло, по-висока сигурност при работа в неблагоприятни среди (високо налягане, повишена температура, влажност и др.), по-добра компактност, по-лесна експлоатационна поддръжка на системата на системата за електрозадвижване, както и много високи скорости. Въпреки предимствата на системите с безсензорно управление понастоящем те не са в състояние да изместят системите с електромеханични датчици без налагане на някои ограничения в задвижванията, но може да се отбележи , че като тенденция безсензорното управление се счита за много перспективно..
Системите за управление на променливотоковите електродвигатели може да се разделят най-общо на две групи – системи за скаларно управление и системи за векторно управление. При скаларното управление съответните променливи се управляват само по стойност, като някои примери за скаларно управление на асинхронни двигатели са системи с регулиране на напрежението посредством комутатори на променлив ток и системи за честотно управление, при които стойността на статорното напрежение се променя в съответствие с честотата, за да се осигури постоянна претоварваща способност.
При векторното управление съответните променливи се управляват както по стойност, така и по фаза, като не се изисква висока статична точност и широк диапазон на регулиране на скоростта. Въртящият момент и компонентите на тока са отделени и преходните характеристики са сходни с тези на постояннотоковите машини с независимо възбуждане и системата се адаптира към всякакви претоварвания толкова бързо, колкото постояннотоковите двигатели. Така това управление на променливотоковите машини става мощна и често взаимствана технология в световен мащаб.
Регулирането на скоростта чрез изменение на честотата на тока е един от най-икономичните начини с най-големи перспективи за приложение. С регулиране честотата на тока се изменя синхронната скорост на двигателя, а оттам се получават нови механични характеристики. Трябва да се има в предвид, че за новите механични характеристики е необходимо да се осигури достатъчна претоварваща способност на двигателя и съответно пусков момент. За тази цел заедно с регулирането на честотата трябва да се изменя и напрежението на захранващата мрежа.
В края на 50-те и началото на 60-те години на миналия век, диапазонът на приложение на асинхронни двигатели с управление по известния закон U/f= const е ограничен, когато става въпрос за експлоатация при ниски скорости. Съвременните електрозадвижвания с управление при U/f= const използват широчинно – импулсна модулация и инвертори с IGBT (биполярни транзистори с изолирана база) с широк диапазон на изменение на скоростта, включително и много ниски скорости , въпреки че експлоатацията при скорости приблизително равни на нула (честота на управляващото напрежение по-малка от 1Hz) си остава сериозно предизвикателство, поради проява на нелинейност на инвертора при ниски изходни напрежения.
Специфичен случай е, когато се пренебрегва активното статорно съпротивление и при поддържане на постоянна честота на хлъзгане, статичната механична характеристика на асинхронния двигател може да се определи като функция на честотата чрез пълното съпротивление (импеданс) на заместващата схема. Следователно, ако U/f= const, статорният поток, статорният ток и въртящия момент ще са равни за равните хлъзгания. Тази особеност предполага, че за да се регулира въртящия момент, трябва просто да се приложи правилното съотношение на U/f към намотките на статора. Този прост директен подход, обаче в действителност не може да се осъществи, поради влиянието на няколко фактора, най-важните от които са:
1. Влияние на измененията на захранващо напрежение;
2. Влияние на статорното активно съпротивление;
3. Влияние на хлъзгането;
4. Влияние на нелинейността, причинена от широчинно – импулсната модулация на инвертора.
Практически е трудно да се осъществи режим на работа при ниски честоти, тъй като тези влияния се проявяват при ниските напрежения.Същo така, нелинейностите в инвертора, ако той не е правилно компенсиран, водят до големи изкривявания на изходните напрежения, което на свой ред предизвиква пулсации на въртящия момент, води до вибрации и увеличаване на шума. Други изисквания, които трябва да се вземат под внимание при реализацията на електрозадвижвания с „идеално“ отношение U/f= const, са:
1. Измерване и регулиране на тока.
2. Промени в коефициента на усилване на инвертора, поради пропускане на импулси.
Сензорно определяне на скоростта на асинхронния двигател с датчик на Хол
При регулируемите по скорост асинхронни електрозадвижвания е необходимо да бъде определяна непрекъснато скоростта им на въртене. Тя може да бъде определена с помощта на сензори или безсензорно. Сензорното определяне на скоростта най-често се осъществява с датчик на Хол, който представлява преобразувател, изменящ изходното си напрежение в резултат на промяна на магнитното поле. При преминаване на електричество през намотките на електродвигателя се създава магнитно поле, чиято големина зависи от големината на протичащия през тях ток.
Схемата по-долу, илюстрира принципа на определяне на роторното потокосцепление посредством датчици на Хол , където използваните означения са следните ДРП – датчик на роторното потокосцепление; КП – коордиантен преобразувател; ДХ1 и ДХ2 – датчици на Хол.
Схема за измерване на потокосцеплението във въздушната междина с датчици на Хол
Датчиците на Хол: ДХ1 и ДХ2 са разположени във въздушната междина на двигателя и с тях се измерват моментни стойности на магнитната индукция в местата, където са монтирани. Въртящото се магнитно поле създава в тези датчици съответни сигнали, които по-нататък може да се използват за определяне на роторното потокосцепление, а от там по определени зависимости и на скоростта на въртене на електродвигателя.
Безсензорно определяне скоростта на въртене на асинхронния двигател
Безсензорното определяне на скоростта има предимства като намаляване размерите и цената на машината, липсата на енкодер или тахогенератор, облекчава работата с конкретното задвижване, отпадането на кабел за сензора и повишаване на надеждността. През последните години са предложени различни начини за безсензорно определяне на скоростта.
Безсензорното определяне на скоростта може да се реализирa чрез използването на различни методи, сложността на които в значителна степен се определя от необходимия диапазон на регулиране на задвижването и изискванията към точността на измерване на скоростта. Mетодите за определяне на скоростта на асинхронния двигател се класифицират в пет групи.
Към първата група се отнасят неадаптивните методи, в които скоростта се определя непосредствено чрез измерваните напрежение и ток на статора, и методи, основани на определянето на скоростта, чрез определяни в схемата на честота на захранващото напрежение и роторното ЕДН.
Втората група са адаптивните методи. Те са ориентирани към приложение в затворени системи за регулиране на електрозадвижването, в които адаптацията се прилага за повишаване на точността на измервателната система.
В третата група влизат методи, основани на конструктивните особености на двигателя и използващи информацията, която се съдържа намагнитващата крива на машината.
Четвъртата група – това са нелинейни методи, базиращи се на теорията на невроннните мрежи, а последната, петата група – група методи, използващи допълнителни високочестотни сигнали или друга допълнителна информация за повишаване на точността. Разработена е система за безсензорно управление на асинхронен двигател с ориентация на магнитното поле и с нея се изследват разработените начини за определяне на скоростта по различни показатели като обща работоспособност, статична грешка, динамично поведение, стабилност на управление при ниски скорости и чувствителност към промяна на параметрите.
Сравнения
При моделно зададените адаптивни системи се сравняват изходите на два модела. Управлението с адаптивен модел на обекта постига работоспособност и високи резултати, поради наличието на еталонния модел, който определя точно желаните характеристики. Моделът, който не включва изчислителни величини, се отбелязва като зададен модел на асинхронната машина, а моделът който включва изчислителните величини, може да се регулира като настройващ (адаптиращ) се модел. Адаптивната схема използва статорните напрежения и токове, за да сравнява изхода на еталонния модел с изхода на адаптивния модел. След това скоростта на ротора се изчислява на базата на разликата между тези променливи.
Основна структурна схема за оценка на скоростта на база моделно–зададенa адаптивна система
Измервателната система на стенда е съставена от модул за преобразуване на измерваните величини, включващ три напрежителни трансдюсера тип LV25-P и три токови трансдюсера тип LTS-15NP на фирмата LEM, които получават информация директно от електродвигателите, компютърна платка NI USB-6009 на фирмата National Instruments за преобразуване на измерените величини във вид, подходящ за обработка от компютъра, персонален компютър за обмена на информацията, съответните електродвигатели, които ще изследваме и софтуерна среда в случая Matlab Simulink. С помощта на разработените адаптивни схеми моделирани и описани в литературата и схемата на опитната постановка, посочена на фигурата по-долу са изследвани преходните процеси при пускане на празен ход на асинхронни машини съответно тип T80B-4 с номинална мощност 0,75kW, тип AO-90S-4; с номинална мощност 1,1kW и тип AOM-412/4 и с номинална мощност 2,8kW.
Схема на опитната постановка за безсензорно определяне на скоростта
Сравнение на измерената с датчик на Хол скорост (синя) и безсензорно определената (червена) скорост на асинхронния електродвигател
Заключение
Представените начини за определяне на скоростта са сравнени и изследвани по различни показатели на качеството на преходния процес на асихронната машина като: обща работоспособност, статична грешка, динамично поведение при промяна на товарния момент, стабилност на управлението при ниски скорости и чувствителност към промяна на параметрите.
Икономическата оценка на резултатите е пряко свързана с оценката на техническите (хардуерни и софтуерни) решения, приложени в разработката. При изграждането на система за управление на електрозадвижвания наред с цифровата система за управление е нужно да се обезпечи и преобразувателна периферия за връзка със силовата част за измерване (токове и напрежения). Измерванията на токове и напрежения се реализират с т. нар. токови и напреженови трансдюсери, чиито цени варират около 50лв / бр. Също така трябва да споменем и АЦП / ЦАП модул на National Instruments, благодарение на който се реализира комуникацията на задвижванията с програмната среда, цената на който е около 270 €.
Наред с тази оценка , не на последно място, трябва де се има в предвид и цената на използвания софтуер (Matlab/ Simulink ), която е от порядъка на няколко хиляди лева. От икономическа гледна точка и малкото, но достатъчно спомената информация по-горе, можем да отбележим, че за реализиране на една такава система за изследване на електрозадвижване ни е нужна сериозна инвестиция.
От гледна точка на техническата ефективност може да се отчете сравнително лесното конструиране на системата, като добрата комуникация между елементите, бързото представяне на нужната информация от модула на National Instruments (NI 6009 USB) към добре познатата ни софтуерна среда на Matlab Simulink. От представените до тук експериментални и теоретични резултати, които са пряко свързани, можем да кажем че системата доказва своята работоспособност и може да бъде използвана в лабораторни и научни среди.
Автор: Йосиф Пищийски
