Як працює частотник, akpc806a
akpc806a's corner
Дивно, але в українськомовній літературі немає жодного людського опису того, як функціонує частотний перетворювач для управління асинхронним електродвигуном у векторному режимі. Тим не менш, цілком можливо "на пальцях" пояснити принцип роботи частотника, що я спробую зробити. Далі я вважатиму, що електродвигун має одну пару полюсів, справний і працює в нормальному режимі.
0. Що таке трифазний асинхронний електродвигун.
Це такий електричний девайс, який має три дроти, якщо його включити до трифазної мережі його вал починає крутитися. Прикол полягає в тому, з якою швидкістю він крутиться: ця швидкість трохи нижче частоти мережі живлення. Різниця між частотою мережі живлення і швидкістю обертання називається ковзанням.
Завдання полягає у підтримці заданої швидкості обертання валу двигуна. Можна було б реалізувати зворотний зв'язок за швидкістю і просто регулювати частоту напруги живлення. Так працює скалярний режим із датчиковим керуванням. Але це не круто з різних причин (насамперед через погану динаміку регулювання), тому індустріальним стандартом є векторне управління.
1. Як частотник думає про двигун.
По-перше, опис двигуна за допомогою трьох фазних напруг і трьох фазних струмів - надто громіздко і математично надмірно, тому три величини (неважливо, струми або напруги) згортаються в дві за допомогою перетворення Кларка [wiki]. Це перетворення оборотне, тому можна повернутися до нормальних параметрів трифазної мережі.
Потім, фазні напруги і струми мають синусоїдальну форму, тобто. змінні у часі. Набагато зручніше працювати з постійнимивеличинами. Це можна зробити, якщо вимірювати напруги і струми в системі координат, що обертається, швидкість обертання якої дорівнює частоті їх коливання. (Взагалі-то тут можна було помітити, що струми і напруги можна представляти як вектори, що обертаються [wiki], але я не люблю векторні діаграми, тому що просто не люблю малювати).
Коротше, ми можемо два змінні струми та дві змінні напруги після перетворення Кларка звести до постійних величин за допомогою ще одного перетворення — перетворення Парку (або Парку-Горьова, як його називають в українськомовній літературі) [wiki]. У результаті ми отримуємо скрізь постійні величини, і трифазний двигун змінного струму начебто перетворюється на машину постійного струму. Дуже круто!
Отже, що ми отримуємо на вході: - струми і - два компоненти (постійних) струмів статора після перетворення Парку, - напруги - два компоненти (постійних) напруги статора після перетворення Парку, На виході двигуна ми маємо: - крутний момент - механічну швидкість обертання валу
2. Що взагалі робить частотник?
Частотник знає таку річ про двигун: момент пропорційний добутку струмів і . Тут доречно помітити, що уявлення двигуна в системі координат, що обертається, дуже схоже на двигун постійного струму з незалежним збудженням, де - це струм якоря, - струм намагнічування (збудження).
Звідси ми повинні зробити одночасно два управління: - стабілізувати струм намагнічування на постійному значенні, забезпечуючи необхідний рівень магнітного поля в двигуні. - регулювати при цьому, для забезпечення необхідного моменту на валу.
Оскільки ми можемо незалежно управляти двома струмами і робити це одночасно, то саме таке управління називаєтьсявектор. Воно наближає асинхронний двигун за характеристиками керування практично до машини постійного струму із незалежним збудженням.
Як змінювати струм - за законом Ома. Ми можемо змінювати, регулюючи напругу. Аналогічно, регулюючи напругу. Таким чином, у частотнику знаходиться два ПІД-регулятори, кожен з яких регулює відповідний струм статора, змінюючи при цьому напруги і , які далі перераховуються назад за допомогою перетворення Парку і Кларка (інверсних) на змінні напруги трифазної мережі (які робляться ШИМом).
Тут є одна дуже важлива хитрість. Перетворення Парку (що обертає систему координат) та інверсне перетворення Парку потребують завдання швидкості обертання систем координат. Ця швидкість називається синхронною швидкістю обертання - швидкість обертання синхронного двигуна, включеного в ту саму мережу, що й асинхронний. Вочевидь, вона дорівнює швидкості обертання валу асинхронного двигуна плюс швидкість ковзання.
Це означає, що: -необхідне точне вимірювання швидкості валу, -необхідне обчислення швидкості ковзання. Швидкість валу вимірюється за допомогою інкрементального енкодера. Швидкість ковзання – обчислюється за допомогою моделі двигуна. У найпростішому випадку це лінійна модель.
Чому не можна швидкість ковзання тупо виміряти? Ми знаємо частоту напруги, яку подаємо в даний момент на двигун, ми знаємо актуальну швидкість, їхня різниця дає ковзання. Тут важливо розуміти причинно-наслідковий зв'язок: ми взагалі не можемо подати напругу на двигун, не знаючи її частоти, що у свою чергу визначається ковзанням. Тому модель двигуна працює на випередження, вона передбачає яке ковзання має бути в даний момент.
Регулювання швидкості відбувається здопомогою ще одного ПІД-регулятора, який бере неузгодженість між уставкою швидкості та її дійсним значенням по енкодеру і змінює при цьому струм, який впливає на момент. Тобто. використовується відомий факт, що швидкість – це інтеграл моменту.
Власне, те, що я описав називається indirect field oriented control (IFOC) (векторне управління з орієнтуванням по полю ротора). Існують інші варіанти векторного управління, але менш популярні. Картинка алгоритму, описаного вище словами
Описане в попередньому пункті є вірним, але можливі численні важливі поліпшення алгоритму.
По-перше, це стосується моделі двигуна, за якою обчислюється швидкість ковзання. Представляти асинхронний електродвигун як лінійний об'єкт управління надто неадекватно навіть для номінальних режимів роботи. Причина одна: магнітне насичення. Відомо, що застосування нелінійних моделей двигунів для керування (у тому числі і для обчислення ковзання) дозволяє суттєво покращити характеристики регулювання.
Потім цікава річ із законом Ома для компонентів статорного струму. Змінюючи ми змінюємо як струм , а й трохи . І аналогічно змінюючи ми змінюємо струми, але й небагато. Щоб позбутися взаємовпливу використовується спеціальне математичне перетворення, що лінеарізує та розв'язує характеристики регулювання струмів між собою. Щось на зразок лінеаризації по зворотному зв'язку [wiki].
Ще щодо параметрів двигуна. Лінійна модель двигуна, що використовується в частотнику, вимагає від нас принаймні значень індуктивності та опору ротора. Їх автоматично може визначити сам частотник, провівши деякі маніпуляції із підключеним до нього двигуном. Нелінійнімоделі двигуна вимагає завдання конструктивних параметрів, зокрема параметрів осердя і т.д. Слід до речі сказати, деякі виробники поставляють частотники лише з своїми двигунами (SEW-Eurodrive, наприклад), це зокрема пов'язані з використанням нелінійних моделей двигунів.