Частотник векторный или скалярный: чем отличаются и какой режим выбрать для шпинделя

В меню частотника есть выбор режима управления: скалярный V/f или векторный без датчика (SVC, sensorless vector). У YINGSHIDA AE200 это параметр P-001, у Delta VFD-M параметр Pr.105. Режим влияет на то, как частотник считает напряжение для двигателя, сколько момента двигатель даст на низких оборотах и какие данные двигателя нужно ввести перед пуском. Ниже разобрано, как работают оба режима, почему шпиндель станка ЧПУ на 400 Гц запускают в V/f, где векторный режим даёт реальный выигрыш, как провести автонастройку (самообучение) на AE200 и Delta VFD-M и какие ошибки приводят к перегреву и отключению по току.

Что делает частотник с двигателем

Асинхронный двигатель вращается с частотой, которую задаёт питающее напряжение. Синхронная скорость считается по формуле n = 60 × f / p, где f это частота в герцах, а p число пар полюсов. Двигатель с четырьмя полюсами (p = 2) на 50 Гц имеет синхронную скорость 1500 об/мин, шпиндель с двумя полюсами (p = 1) на 400 Гц имеет 24000 об/мин. Ротор отстаёт от поля на величину скольжения: чем больше нагрузка, тем больше скольжение и тем ниже реальные обороты.

Частотник меняет частоту, чтобы менять обороты. Но вместе с частотой он обязан менять и напряжение. Магнитный поток в двигателе пропорционален отношению напряжения к частоте U/f. Если уменьшить частоту и оставить напряжение, поток вырастет, сталь уйдёт в насыщение, ток резко увеличится. Если поднять частоту и не поднять напряжение, поток упадёт вместе с моментом. Разница между режимами в том, каким способом частотник решает, какое напряжение выдать на каждой частоте.

Скалярный режим V/f: как он работает

В режиме V/f частотник держит отношение напряжения к частоте по заданной кривой. Кривую задают несколькими точками: максимальное напряжение и базовая частота, на которой оно достигается, плюс одна или две точки в зоне низких частот. Для двигателя 380 В 50 Гц отношение равно 7,6 В/Гц: на 25 Гц частотник выдаёт 190 В, на 10 Гц 76 В. Для шпинделя 220 В 400 Гц отношение 0,55 В/Гц: на 200 Гц он получает 110 В, на 100 Гц 55 В.

Частотник в этом режиме не считает, что происходит внутри двигателя. Он выдаёт напряжение и частоту по таблице, а ток и момент устанавливаются сами по нагрузке. Поэтому режим V/f не требует точной модели двигателя: достаточно номинального напряжения, номинальной частоты и номинального тока для защиты. По этой же причине один частотник в режиме V/f может питать несколько двигателей сразу, это прямо указано в описании P-001 у AE200.

Слабое место V/f: низкие частоты

Часть напряжения теряется на активном сопротивлении обмотки статора. При том же токе эта потеря в вольтах одинакова на любой частоте, а напряжение на двигателе падает вместе с частотой. На 5 Гц двигатель 380 В 50 Гц получает 38 В, это десятая часть номинала, и доля потерь на сопротивлении обмотки в 10 раз больше, чем на 50 Гц. Поток проседает, и двигатель теряет момент именно там, где нужно тронуть тяжёлую нагрузку с места.

Для этого в режиме V/f есть подъём напряжения на низких частотах (torque boost, компенсация момента). У AE200 это P-048 (0,1-30,0%) и граница его действия P-049. У Delta VFD-M это Pr.54 (значения 00-10): по инструкции Delta параметр заставляет частотник поднять выходное напряжение при пуске, чтобы получить больший пусковой момент. Кроме того, у VFD-M кривую V/f можно поднять напрямую точками Pr.06-Pr.09 (средняя и минимальная частота и напряжение).

У подъёма есть цена. В описании P-048 YINGSHIDA предупреждает: избыточная компенсация приводит к перевозбуждению двигателя, перегреву, большому выходному току и снижению КПД. Подъём выставляют под нагрузку, а не на максимум.

Компенсация скольжения

Под нагрузкой ротор отстаёт сильнее, и обороты падают. В режиме V/f это исправляет компенсация скольжения: частотник по току нагрузки оценивает скольжение и немного поднимает выходную частоту. У AE200 это P-050 (предел компенсации скольжения V/f), значение по инструкции должно соответствовать номинальной частоте скольжения двигателя. У Delta VFD-M это Pr.55 (0,00-10,00). Номинальную частоту скольжения считают по шильдику: для четырёхполюсного двигателя 50 Гц с номинальными оборотами 1430 об/мин она равна 50 - 1430 / 30 = 2,33 Гц. Delta в описании Pr.106 приводит такой же расчёт для двигателя 60 Гц с 1710 об/мин: 3 Гц.

Векторный режим без датчика (SVC): как он работает

Векторное управление рассматривает ток статора как сумму двух составляющих: одна создаёт магнитный поток, другая создаёт момент. Частотник регулирует их раздельно, как ток возбуждения и ток якоря в двигателе постоянного тока. Чтобы так делать, ему нужно знать, где находится поток ротора и с какой скоростью вращается вал. Датчика скорости (энкодера) в режиме SVC нет, поэтому частотник вычисляет скорость и поток по измеренным токам и напряжениям, используя математическую модель двигателя.

Модель строится из параметров двигателя: сопротивление статора, сопротивление ротора, индуктивности, ток холостого хода. У AE200 это P-034-P-038, плюс паспортные данные P-029-P-033. Точность векторного режима напрямую зависит от того, насколько эти числа соответствуют реальному двигателю. Поэтому перед работой в SVC проводят автонастройку: частотник сам измеряет параметры и записывает их в память.

YINGSHIDA описывает режим SVC в P-001 так: подходит для высокопроизводительных применений без энкодера, где один частотник управляет только одним двигателем; примеры нагрузки: станки, центрифуги, литьевые машины. В руководстве AE200 отдельно сказано, что алгоритм серии даёт большой выходной момент на низких частотах в векторном режиме без датчика скорости. У Delta VFD-M в характеристиках указано, что с автоматической компенсацией момента и скольжения пусковой момент может достигать 150% на 5,0 Гц.

Какие параметры отвечают за SVC

У AE200, кроме данных двигателя, в векторном режиме работают регуляторы скорости. P-039 и P-040 задают усиление и интегральное время контура скорости на низких частотах, P-042 и P-043 на высоких, P-041 и P-044 частоты переключения между этими наборами (по умолчанию 5 Гц и 10 Гц). P-045 задаёт коэффициент компенсации скольжения в векторном режиме (50-200%), по инструкции он повышает точность поддержания скорости. P-046 ограничивает момент (0-200% номинального тока частотника, по умолчанию 150%).

У Delta VFD-M векторный режим включает Pr.105 = 01 (Sensor-less Control), Pr.105 = 00 возвращает V/f. Для модели нужны Pr.52 (номинальный ток двигателя), Pr.53 (ток холостого хода), Pr.104 (сопротивление статора R1, его вводят вручную или измеряют автонастройкой) и Pr.106 (номинальное скольжение в герцах, заводское значение 3,00).

Чем отличаются режимы на практике

ABB в руководствах по своим приводам формулирует ту же логику явно. Скалярный режим рекомендован, если к одному приводу подключено несколько двигателей и их число меняется, если номинальный ток двигателя меньше 1/6 номинального тока привода и если привод проверяют без подключённого двигателя. Идентификационный прогон (аналог автонастройки) ABB советует, когда двигатель работает рядом с нулевой скоростью или когда нужен момент выше номинального в широком диапазоне скоростей без датчика скорости. В скалярном режиме идентификационный прогон у ABB не выполняется совсем: модель двигателя этому режиму не нужна.

Какой режим выбрать для шпинделя ЧПУ

Шпиндель фрезерного станка это высокооборотный асинхронный двигатель. Он работает на сотнях герц, в рабочем диапазоне оборотов, а при резании держит постоянную скорость, заданную программой или вручную. Это условия, в которых сильная сторона векторного режима, момент на низких частотах, не используется.

Почему V/f для шпинделя

• Рабочая зона шпинделя это высокие частоты. На 300-400 Гц напряжение на двигателе близко к номинальному, и доля потерь на сопротивлении обмотки статора мала. Главный недостаток V/f, просадка момента на низких частотах, на этих частотах не проявляется.
• Режиму V/f не нужна модель двигателя. Достаточно ввести номинальное напряжение, номинальную частоту и номинальный ток с шильдика шпинделя. Ошибка в сопротивлениях и индуктивностях, которая в SVC даёт нестабильные обороты и отключения по току, в V/f ни на что не влияет.
• Шпиндель разгоняют и тормозят плавно по времени разгона и торможения. Пусковой момент на низкой частоте для него не главное: фреза входит в материал уже на рабочих оборотах.
• Компенсация скольжения в V/f (P-050 у AE200, Pr.55 у Delta) уменьшает падение оборотов под нагрузкой, если его нужно уменьшить.

Поэтому для шпинделя базовый режим V/f: у AE200 P-001 = 1, у Delta VFD-M Pr.105 = 00 (заводское значение). Режим SVC на шпинделе допустим только после успешной автонастройки, и решение о нём принимают по результату проверки: шпиндель стабильно держит обороты, ток на холостом ходу не выше, чем в V/f, частотник не отключается при разгоне и торможении.

Какие параметры V/f задать для шпинделя 400 Гц

Базовая частота кривой V/f для шпинделя равна его номинальной частоте с шильдика, а не 50 Гц. Если оставить базовую частоту 50 Гц и поднять только максимальную частоту до 400 Гц, частотник выдаст полное напряжение уже на 50 Гц. Шпиндель на 400 Гц получит на 50 Гц в 8 раз больше напряжения, чем требует его отношение U/f, поток уйдёт далеко в насыщение, и частотник отключится по току.

Параметр P-047 у AE200 выбирает форму кривой: 0 это прямая линия, 1 это кривая с пониженным моментом для вентиляторов и насосов. Для шпинделя нужна прямая: момент сопротивления фрезы не падает с оборотами так, как у вентилятора. Точная последовательность ввода частоты 400 Гц в AE200 разобрана в инструкции по запуску AE200, а назначение каждого параметра в списке функций AE200.

У Delta VFD-M диапазон Pr.03 и Pr.04 ограничен 400 Гц. Шпиндель с номинальной частотой выше 400 Гц на этой серии на номинальные обороты не выйдет. У AE200 P-004 допускает до 600 Гц.

Мощность шпинделя на пониженных оборотах

Ниже номинальной частоты частотник в любом режиме держит поток постоянным, поэтому шпиндель может развивать не больше номинального момента. Мощность равна моменту, умноженному на скорость, и падает пропорционально оборотам. Шпиндель 2,2 кВт на 24000 об/мин на 12000 об/мин отдаёт не больше 1,1 кВт, на 6000 об/мин не больше 0,55 кВт. Векторный режим этого ограничения не снимает: он лучше держит номинальный момент на низких частотах, но не поднимает его выше номинала по нагреву двигателя. Если нужен большой съём на пониженных оборотах, решение в выборе шпинделя или фрезы, а не в режиме частотника.

Когда векторный режим действительно нужен

Векторный режим без датчика оправдан, когда двигатель работает на низких частотах под нагрузкой и нужна стабильная скорость или большой момент. В станочном оборудовании это:

• Асинхронный двигатель главного движения токарного станка или сверлильного станка, который работает на 5-20 Гц с полной нагрузкой резания.
• Привод через редуктор: конвейер, подача, мешалка, подъёмный механизм. Двигатель трогает тяжёлую нагрузку с места и долго работает на малой скорости.
• Нагрузка с резкими набросами момента, где падение оборотов в режиме V/f заметно на результате.

Условия для SVC общие для всех производителей: к частотнику подключён один двигатель, его мощность соответствует мощности частотника, паспортные данные введены точно и автонастройка прошла без ошибок. Подключение трёхфазного двигателя 220/380 В к частотнику и ввод данных шильдика разобраны в статье о частотнике 220 на 380 и схемах звезда и треугольник.

Автонастройка (самообучение): пошагово

Автонастройка измеряет параметры модели двигателя. Для режима V/f она не обязательна, для SVC обязательна.

YINGSHIDA AE200: параметр P-013

1. Ввести паспортные данные двигателя: P-029 мощность, P-030 номинальная частота, P-031 номинальные обороты, P-032 номинальное напряжение, P-033 номинальный ток. Инструкция требует сделать это до запуска самообучения.
2. Задать время разгона P-007 и торможения P-008 в соответствии с инерцией двигателя.
3. Выбрать тип самообучения в P-013. Значение 1 это динамическое самообучение: двигатель вращается, поэтому его нужно отсоединить от нагрузки. Значение 2 это статическое самообучение: двигатель не вращается, нагрузку отсоединять не нужно.
4. Нажать DATA: на дисплее замигает «-TUN-». Нажать RUN: на табло по очереди появятся «TUN0»-«TUN4».
5. Дождаться «-END-». После завершения P-013 сам возвращается в 0. Пока мигает «-TUN-», выйти из самообучения можно кнопкой PROG, а в процессе остановить его кнопкой STOP. Запуск и остановка самообучения возможны только с клавиатуры.

Статическое самообучение по инструкции AE200 определяет сопротивление статора, сопротивление ротора и индуктивность рассеяния, но не измеряет взаимную индуктивность и ток холостого хода: их вводят вручную. Поэтому для режима SVC лучше подходит динамическое самообучение на двигателе без нагрузки.

Delta VFD-M: параметр Pr.103

1. Ввести Pr.52 номинальный ток двигателя и Pr.106 номинальное скольжение в герцах.
2. Установить Pr.103 = 01 (измерение сопротивления статора R1) или Pr.103 = 02 (R1 и проверка на холостом ходу).
3. Нажать RUN. При значении 02 двигатель должен быть без нагрузки.
4. Если автонастройку провести нельзя, сопротивление R1 можно ввести вручную в Pr.104 (в миллиомах).
5. Включить векторный режим: Pr.105 = 01.

Типичные ошибки

Векторный режим без автонастройки

Режим SVC использует параметры модели P-034-P-038. Если двигатель не прошёл самообучение, в них остаются значения, не относящиеся к этому двигателю. Модель ошибается в оценке потока и скорости, и двигатель работает с рывками, гудит, тянет лишний ток или частотник отключается по перегрузке. У AE200 значение P-001 по умолчанию 0, то есть SVC: при подключении шпинделя или двигателя без самообучения режим стоит проверить первым.

Динамическое самообучение с нагрузкой на валу

При P-013 = 1 на AE200 двигатель должен быть отсоединён от нагрузки, при Pr.103 = 02 на Delta VFD-M тоже. Если на валу остаётся редуктор или механизм, измеренный ток холостого хода и индуктивности получатся неверными, и модель будет работать с ошибкой. Если нагрузку снять нельзя, на AE200 выбирают статическое самообучение P-013 = 2.

Базовая частота 50 Гц для шпинделя на 400 Гц

Частотник выдаёт полное напряжение на 50 Гц, шпиндель перевозбуждается в 8 раз, ток резко растёт, частотник отключается на разгоне или шпиндель греется. Номинальную частоту (P-030 у AE200, Pr.04 у Delta VFD-M) ставят равной частоте с шильдика шпинделя.

Подъём напряжения на максимум

Если двигатель плохо трогается в режиме V/f, первое желание увеличить P-048 или Pr.54. Избыточный подъём перевозбуждает двигатель на низких частотах, и он греется даже без нагрузки. Подъём поднимают ступенями и проверяют ток на малой частоте. Если момента на низких оборотах не хватает и при умеренном подъёме, это повод перейти на SVC с автонастройкой, а не поднимать напряжение дальше.

Векторный режим на несколько двигателей

Один частотник в SVC управляет только одним двигателем: модель строится под конкретные параметры. Для двух и более двигателей на одном выходе режим только V/f, это указано в описании P-001 AE200 и в рекомендациях ABB.

Двигатель много слабее частотника

Если двигатель 0,25 кВт подключён к частотнику 5,5 кВт, токи двигателя малы по сравнению с диапазоном измерения частотника, и модель теряет точность. ABB рекомендует скалярный режим, если номинальный ток двигателя меньше 1/6 номинального тока привода.

Ожидание точных оборотов без датчика

Ни V/f, ни SVC не поддерживают обороты так точно, как привод с энкодером. Режим SVC вычисляет скорость по модели, а не измеряет её. Компенсация скольжения (P-045 в SVC, P-050 в V/f у AE200, Pr.55 у Delta VFD-M) уменьшает просадку оборотов под нагрузкой, но не превращает частотник в сервопривод.

Частые вопросы

Что лучше, векторный или скалярный частотник?

Ни один режим не лучше в общем смысле. V/f проще, не требует модели двигателя, допускает несколько двигателей и стабильно работает на высоких частотах. SVC даёт больший момент и стабильнее скорость на низких частотах, но только с одним двигателем и после автонастройки. AE200 и Delta VFD-M умеют работать в обоих режимах, режим выбирается параметром.

Чем векторный частотник отличается от скалярного?

«Векторный частотник» означает, что в нём есть режим векторного управления. У AE200 он называется векторным преобразователем общего назначения, у Delta VFD-M векторный режим включается Pr.105. Скалярный режим V/f есть и в векторных частотниках, поэтому выбор режима делают в параметрах, а не при покупке.

Можно ли шпиндель запускать в векторном режиме?

Можно, если частотник поддерживает нужную частоту и прошёл автонастройку на этом шпинделе. Базовый режим для шпинделя V/f: он не зависит от точности модели и закрывает рабочий диапазон оборотов. SVC оставляют, если проверка показала стабильные обороты и ток не выше, чем в V/f.

Нужна ли автонастройка в режиме V/f?

Нет. В V/f частотник не использует модель двигателя, поэтому измеренные сопротивления и индуктивности на работу не влияют. Нужны номинальные напряжение, частота и ток.

Почему в векторном режиме двигатель гудит и греется?

Модель не соответствует двигателю: не проведена автонастройка, введены неверные паспортные данные, автонастройка шла с нагрузкой на валу или к частотнику подключено несколько двигателей. Проверяют данные P-029-P-033, проводят самообучение заново или переходят на V/f.

Итоги

Скалярный режим V/f держит заданное отношение напряжения к частоте и не требует модели двигателя. Векторный режим без датчика вычисляет поток и скорость по модели и даёт больший момент на низких частотах, но только с одним двигателем и после автонастройки. Для шпинделя ЧПУ на 400 Гц базовый режим V/f: P-001 = 1 у AE200, Pr.105 = 00 у Delta VFD-M, номинальная частота равна частоте шпинделя, кривая прямая, подъём напряжения минимальный. Векторный режим выбирают для одного асинхронного двигателя, который работает под нагрузкой на низких оборотах: самообучение на AE200 через P-013, на Delta VFD-M через Pr.103, затем проверка тока и оборотов. Частотники с режимами V/f и SVC собраны в разделе частотных преобразователей.