Методы управления электроприводом — скалярный и векторный

Выбор алгоритма управления — ключевой этап настройки современного частотного преобразователя (ПЧ). Именно он определяет, насколько точно, динамично и эффективно будет работать электропривод в составе вашего оборудования. Два фундаментальных метода — скалярный (U/f) и векторный — служат разным целям. Понимание их принципов, возможностей и ограничений позволяет не только правильно настроить привод, но и заложить оптимальные характеристики в проект системы автоматизации, избежав как излишних затрат, так и технологических рисков.
                  

Физическая основа: что мы управляем в двигателе?

Асинхронный двигатель — устройство с комплексной электромеханической связью. Для его эффективного управления необходимо влиять на ключевые внутренние переменные:

1. Магнитный поток (Ф) в зазоре статора, создаваемый током намагничивания. От него зависит момент.
2. Скольжение (s) — разность между скоростью вращения магнитного поля и ротора. От него зависит скорость и КПД.
3. Угловая скорость (ω) вращения ротора.

Традиционные методы управления различаются подходом к контролю этих величин.

Скалярное управление (U/f = const)

Суть метода: Управление обобщёнными, среднеквадратичными величинами — напряжением (U) и частотой (f) на статоре двигателя. Алгоритм поддерживает постоянное отношение U/f на всём диапазоне регулирования (кроме очень низких частот, где добавляется компенсация падения напряжения на обмотке статора).

Принцип работы:

 • Задаётся требуемая выходная частота ПЧ.
 • В соответствии с заданным законом U/f преобразователь формирует соответствующее напряжение.
 • Изменение частоты приводит к пропорциональному изменению скорости вращения магнитного поля, а за ним — с некоторым скольжением — и ротора.

Характеристики и особенности:

 • Статические характеристики: Жёсткость механической характеристики (зависимость момента от скорости) ниже, чем при векторном управлении. При увеличении нагрузки скорость «проседает» на величину, определяемую скольжением (может достигать 2-8% от номинальной).
 • Динамические характеристики: Относительно низкое быстродействие. Время отклика на изменение задания или возмущение составляет десятки-сотни миллисекунд. Это связано с инерционностью процессов изменения магнитного потока.
 • Диапазон регулирования: Обычно 1:10, 1:20 без обратной связи. На очень низких частотах (менее 5-10 Гц) момент двигателя значительно падает.  • Настройка: Проста. Как правило, достаточно ввести номинальные параметры двигателя с шильдика.

Достоинства:

 • Простота реализации и настройки.
 • Не требует датчика обратной связи на валу двигателя (бессенсорное).
 • Универсальность — работает с любым асинхронным двигателем.
 • Высокая надёжность и устойчивость работы.
 • Низкая стоимость реализации (доступно в базовых моделях ПЧ).

Недостатки:

 • Низкая точность поддержания скорости при изменении нагрузки.
 • Медленная реакция на изменение задания.
 • Снижение момента на низких частотах.
 • Невозможность управления моментом на валу.
 • Низкая энергоэффективность при работе с переменной нагрузкой.

Типичные области применения скалярного управления:

 • Приводы насосов и вентиляторов (где нагрузка изменяется по квадратичному закону, а требования к точности скорости невысоки).
 • Простые конвейеры с постоянной нагрузкой.
 • Компрессоры.
 • Системы, где основная цель — плавный пуск и общее энергосбережение, а не высокая динамика.

Векторное управление

Суть метода: Раздельное и прямое управление величинами, определяющими момент и поток двигателя: током, создающим магнитный поток, и током, создающим момент. Для этого используется математическое преобразование координат (преобразование Парка-Г.), переводящее трёхфазные переменные в систему координат, вращающуюся вместе с вектором потокосцепления ротора.

Принцип работы:

1. Измеряются фазные токи и напряжения статора.
2. На основе математической модели (уравнений) двигателя в реальном времени вычисляются или оцениваются вектор магнитного потока и его положение в пространстве.
3. Задаются независимые значения для потока (как правило, поддерживается номинальное значение для максимального момента) и момента (или скорости).
4. Алгоритм вычисляет необходимые значения фазных токов и напряжений и формирует соответствующие сигналы ШИМ для инвертора.

Ключевые разновидности:

1. Векторное управление без датчика скорости (Sensorless Vector Control): Положение вектора потока и скорость оцениваются математически по измеренным токам и напряжениям. Требует точных параметров двигателя, полученных при автонастройке.
2. Векторное управление с датчиком скорости (Feedback Vector Control): На валу двигателя устанавливается энкодер или тахогенератор, предоставляющий точную информацию о скорости и положении. Это позволяет достичь максимальных точностных и динамических показателей.

Характеристики и особенности:

 • Статические характеристики: Высокая жёсткость механической характеристики. Скорость поддерживается с точностью до 0,1-0,5% независимо от нагрузки.
 • Динамические характеристики: Высокое быстродействие. Время отклика может составлять единицы-десятки миллисекунд. Позволяет отрабатывать резкие изменения задания момента.
 • Диапазон регулирования: Широкий — до 1:100 и более без обратной связи, и до 1:10000 и выше с энкодером. Полный номинальный момент доступен на нулевой скорости (при использовании энкодера).
 • Настройка: Сложная. Обязательно требуется процедура автонастройки (автотюнинга), в ходе которой ПЧ определяет параметры двигателя (активные и индуктивные сопротивления). Для управления с энкодером необходима его точная настройка.

Достоинства:

 • Высокая точность поддержания скорости и момента.
 • Высокая динамика.
 • Возможность работы на низких скоростях с полным моментом.
 • Прямое управление моментом на валу.
 • Повышенная энергоэффективность в системах с переменной нагрузкой.

Недостатки:

 • Сложность математического аппарата и настройки.
 • Зависимость от точности параметров двигателя.
 • Более высокая стоимость реализации (особенно для систем с энкодером).

Типичные области применения векторного управления:

 • Главные приводы и подачи станков с ЧПУ.
 • Подъёмно-транспортное оборудование (краны, лифты).
 • Тяговые электроприводы.
 • Намоточные и размоточные машины, текстильное оборудование.
 • Испытательные стенды, центрифуги.
 • Приводы роботов.
 • Любые механизмы, требующие высокой динамики и точности.

Сравнительная таблица для выбора метода

Заключение

Выбор между скалярным и векторным управлением — это не выбор между «плохим» и «хорошим», а выбор адекватного инструмента под конкретную задачу.

 • Если привод работает с постоянной нагрузкой, не требует высокой точности и динамики, а основная цель — плавный пуск и общее снижение энергопотребления (насосы, вентиляторы), то скалярное управление — оптимальное и экономичное решение.
 • Если привод работает в условиях резко меняющейся нагрузки, требует точного поддержания скорости, работы на низких оборотах или управления моментом (транспортёры, смесители, подъёмники), необходим векторный режим без энкодера.
 • Для задач высокоточного позиционирования, работы с полным моментом на нулевой скорости или в системах с жёсткими требованиями к динамике (станки, роботы) требуется векторное управление с энкодером.

Специалисты ТПК «Техпривод» рекомендуют: Заложить требуемый метод управления на стадии технического задания. Это позволит правильно выбрать модель преобразователя частоты и избежать ситуации, когда возможностей скалярного управления окажется недостаточно для выполнения технологической задачи. Мы готовы провести анализ вашего применения и дать обоснованные рекомендации по выбору алгоритма управления и конкретного оборудования.