В мире современных технологий, где эффективность, точность и устойчивость играют ключевую роль, электроприводы остаются незаменимой составной частью различных промышленных и бытовых систем.
Эти устройства, способные преобразовывать электрическую энергию в механическую работу, давно стали двигателем прогресса и инноваций в многих областях.
Однако в свете постоянно растущих требований к производительности, надежности и устойчивости, появление новых технологий электропривода является необходимостью.
На сегодняшний день доступны новые технологии для привода промышленных станков, механизмов и машин, технологии, которые обеспечивают более высокие скорости, значительно улучшенную энергоэффективность и более высокую надежность.
Эти новые технологии можно разделить на три основных типа:
1. Частотно-регулируемые приводы (Frequency Drive, FD, ЧРП), использующие технологию U/f;
2. Частотно-регулируемые приводы с использованием технологии векторного привода (Vector Frequency Drive, ВЧРП);
3. Электрические сервоприводы.
Эти более совершенные новые привода (например, сервоприводы) включают в себя множество электронных компонентов управления и имеют более высокую стоимость, чем простой электродвигатель с фиксированной скоростью.
Частотно-регулируемые приводы со сколярным управлением
Электроприводы переменной частоты вращения (частотно-регулируемые приводы) работают с обычными асинхронными двигателями переменного тока. Благодаря технологии скалярного управления U/f с помощью частотного преобразователя можно изменять частоту выходного сигнала, что соответственно изменяет скорость вращения двигателя.
Из-за электрических характеристик двигателя выходное напряжение также изменяется пропорционально частоте, отсюда и обозначение U/f. Это соотношение помогает поддерживать крутящий момент двигателя в рабочем диапазоне.
Эти приводы имеют низкую относительную стоимость, но обеспечивают точность скорости двигателя только около 10% при различных нагрузках. Они уже много лет используются для привода различных промышленных станков, машин и механизмов.
Точность поддержания скорости более соответствует постоянной нагрузке и может быть улучшена при изменении нагрузки с помощью тахометра для измерения скорости.
Однако динамические характеристики (способность реагировать и контролировать изменения момента и скорости) низкие и в основном подходят для медленно меняющихся процессов.
Частотно-регулируемые приводы, использующие технологию U/f, имеют ограничения по низкой скорости и могут использоваться только до 400–500 об/мин.
Несмотря на некоторые ограничения, частотно-регулируемые приводы, работающие по принципу скалярного управления, остаются важным элементом современных систем управления, обеспечивая эффективное регулирование скорости и крутящего момента в широком спектре применений.
Технология векторного частотно-регулируемого привода
В 1980-х годах появилась новая технология для частотно-регулируемого привода, названная технологией векторного привода.
Используя микроконтроллеры, можно манипулировать выходной мощностью привода для точного управления крутящим моментом стандартного асинхронного двигателя переменного тока — даже до нулевых оборотов в минуту, когда двигатель находится в состоянии покоя. Эта технология позволила управлять двигателем по принципу сервопривода за небольшую дополнительную плату.
Высокая инерционность асинхронного двигателя является ограничивающим фактором динамических характеристик привода.
Бездатчиковые векторные частотно-регулируемые приводы обеспечивают высокую точность скорости с нижними пределами 200–300 об/мин.
Добавление датчика-энкодера к электродвигателю позволяет векторному приводу работать на нулевых оборотах в минуту и позволяет электронно позиционировать вал двигателя с высокой степенью точности.
Хотя оба типа частотно-регулиремого привода способны работать в широком диапазоне, существуют определенные технические соображения.
Приводной асинхронный двигатель должен быть рассчитан на «инверторный режим», обеспечивающий внутреннее заземление вала. Это предотвращает повреждение подшипников двигателя электрическими токами, наведенными в валу и раме двигателя высокочастотными токами в частотно-регулируемом приводе.
Кроме того, работа на низких скоростях и высоком крутящем моменте может привести к разрушительному нагреву двигателя, если не имеется вспомогательного воздушного или водяного охлаждения двигателя.
Также существуют ограничения на высокие скорости, обычно максимальная скорость ограничивается двух - трехкратным превышением номинальных оборотов двигателя.
Предлагаем ознакомиться со статьей, посвященной теме частотно-регулируемого электропривода, чтобы разобраться в ключевых различиях между этими методами управления: В чем различие между скалярным и векторным управлением асинхронными двигателями
Технология сервопривода
Сервоприводы представляют собой следующий этап в эволюции приводных систем.
Электрические серводвигатели – это двигатели переменного тока с постоянными магнитами, спроектированные с минимальной инерцией и обладающие пиковым крутящим моментом, который в два-три раза превосходит установившийся крутящий момент. Этот факт открывает двери для высокодинамичных изменений скорости.
Серводвигатели обладают широким диапазоном скоростей и предоставляют максимальный крутящий момент, доступный даже при нулевых оборотах в минуту. Эта выдающаяся динамичность – их характерная черта.
Разумеется, для реализации этой технологии требуется более сложная система управления, но это оправдывается возможностью точного контроля над скоростью, крутящим моментом и положением серводвигателя.
Как и в случае с приводами, работающими на основе частотно-регулируемых систем, при использовании сервоприводов на низких или даже нулевых скоростях с высоким крутящим моментом может потребоваться дополнительное воздушное или водяное охлаждение.
Следует отметить, что серводвигатели ограничены по мощности в сравнении с асинхронными двигателями переменного тока, поэтому при высоких требованиях к мощности может потребоваться применение нескольких серводвигателей.
Если вы интересуетесь более подробной информацией о сервоприводах, вы можете ознакомиться с соответствующей статьей Что такое сервопривод, управление сервоприводом.
Сравнение трех типов электроприводов: частотно-регулируемых приводов со скалярным управлением, векторных частотно-регулируемых электроприводов и серводвигателей:
| Параметр | ЧРП со скалярным управлением | ЧРП с векторным управлением | Серопривод |
| Точность контроля | Умеренная | Высокая | Очень высокая |
| Динамические характеристики | Умеренная | Высокие | Очень высокие |
| Начальный крутящий момент | Умеренный | Высокий | Очень высокий |
| Энергоэффективность | Средняя | Высокая | Очень высокая |
| Стоимость | Средняя | Высокая | Высокая |
| Применение | Широкое, но лучше для стандартных задач | Разнообразное, включая сложные задачи | Высокодинамичные и точные задачи |
Эта таблица предоставляет общее сравнение основных параметров трех типов электроприводов, помогая определить, какой из них наиболее подходит для конкретных требований.
Электротехнические аспекты современных приводных технологий
При рассмотрении передовых приводных технологий, следует обратить внимание на важный аспект - их потенциальное воздействие на систему электроснабжения предприятия. Генерация высокочастотных, сильноточных и высоковольтных сигналов, известных как гармонические искажения, может негативно сказываться на стабильности электросети. Последствия этого варьируются от электронных помех до поломок различного дорогостоящего электрооборудования.
При выборе оборудования от поставщика необходимо учитывать указанные факторы. Этот аспект становится особенно актуальным для предприятий, проводящих модернизацию своих станков, а также для компаний, внедряющих новое оборудование, работающее на базе передовых технологий.
Заключение
Частотно-регулируемые приводы со скалярным управлением открывают перед предприятиями возможность экономии энергии и ресурсов, что важно с точки зрения экологии и экономики.
Векторные частотно-регулируемые приводы обеспечивают выдающуюся точность и динамические характеристики, необходимые для реализации сложных задач управления.
Сервоприводы, с их высокой динамикой и точностью, стали незаменимыми в современных автоматизированных системах управления.
Однако важно помнить, что успешное внедрение новых технологий требует грамотного подхода и адаптации к конкретным задачам.
Выбор оптимального типа электропривода зависит от множества факторов, включая требования к производительности, бюджетные ограничения и особенности окружающей среды.
Тем не менее вне зависимости от выбранной технологии, электроприводы остаются ключевым элементом современного оборудования, способствуя повышению эффективности, надежности и автоматизации технологических процессов.
Новые достижения в этой области продолжат изменять наш мир, делая его более эффективным и удобным для жизни и работы.