Myślę ze to trochę za trudne pytanie (nazwane "zagadki o charakterze edukacyjnym") jak na forum amatorskie gdzie kolega wymaga specjalistyczną wiedzę z zakresu maszyn elektrycznych i ich sterowania, natomiast inżynier po specjalizacji z energoelektroniki powinien dać rade (a na pewno są tutaj tacy, tak?). Kolega posiada pewna wiedzę gdyż są "rzucane" hasła w stylu SVM, 3-harmoniczna a w innych watkach np. przekształcenie Clarka czy Parka, pomijając prostsze zagadnienia jak np. regulatory PID. Niestety "rzucane" hasła przeważnie nie znalazły łatwego, zrozumiałego wytłumaczenia dla szerszej rzeszy formuowiczow.
Wracając do pytania, osobiście myślę ze odpowiedz na to pytanie nie jest podyktowana tylko jednym faktem, na odpowiedz mogą się składać kilka czynników.
Takich jak, "know how" danej firmy, lepsze obeznanie w technologi analogowej, innych znowu w PWM, narzędzia do symulacji i optymalizacji obwodów magnetycznych, być możne nawet szczegóły takie jak mniejsza ilość żłobków stojana albo mniejsza liczba użytych tranzystorów. Z matematycznego punktu widzenia symetryczny silnik dwu fazowy i trój-fazowy nie różnią się znacznie. Rożni je tak naprawdę przekształcenie Clarka które mówi ze każdy obwód trójfazowy symetryczny można sprowadzić do dwufazowego, czyli klasycznej postaci wektorowej. Sterowanie takim silnikiem za pomocą procesora DSP będzie pomijało taka transformaty(czyli będzie prostsze) jako ze uzwojenia stojana stanowią już system ortogonalny. W przypadku 3-fazowych, najpierw się sprowadza układ do dwufazowego (Clark) a potem do układu synchronicznego (Park) gdzie otrzymuje się wartości stale (potocznie nazywane d i q od ang. direct i quadrature) łatwe do regulacji klasycznymi regulatorami takimi jak PI. Moc w układzie dwu-fazowym i trój-fazowym jest stała w funkcji kata elektrycznego a co za tym idzie i moment obrotowy (w przeciwieństwie np. do maszyn jednofazowych). Przekształcenie Clarka to nic innego jak nieskomplikowane 2 wzory liniowe dajace potocznie nazywane komponentami alpha i beta, zamieniające jedna wielkość na inna. Przeksztalcenie Parka to tez dwa wzory, tym razem z funkcjami sin i cos, najprościej tłumacząc to tak jakbyśmy obserwowali prąd stojana silnika synchronicznego z pozycji obracającego się wirnika, czyli zobaczymy wartości stale, inaczej jest tez nazywane przesuniecie w dziedzinie częstotliwości.
Od momentu zaproponowania przez kol. cnc3d magicznych haseł jak SVM czy trzecia harmoniczna w tym wątku życie zamarło, a szkoda, postaram się trochę ożywić atmosferę. Lubie propagować wiedzę techniczna, mobilizować i pobudzać do myślenia i twórczości.
Dla mniej zorientowanych wytłumaczę ze SVM to z ang. Space Vector Modulation, technika modulacji sygnałów PWM bardzo chętnie używana w falownikach 3-fazowych. Potrzebnych Jest 6 sygnałów PWM (do 3 górnych i 3 dolnych tranzystorów), są podzielone na 3 pary odpowiadające 3 fazom, w każdej parze (mostku) jest sygnał komplementarny z czasem martwym (ang. dead time). Para komplementarna w DSP jest realizowana sprzętowo, należny podać tylko czas martwy. Redukuje się to do 3 niezależnych sygnałów PWM, odpowiadającym danym gałęziom / fazom falownika (reprezentowanych przeważnie przez 3 zmienne 16 lub 32 bitowa w DSP) na które trzeba zadać odpowiednie wartości i właśnie SVM jest za to odpowiedzialny. Inaczej mówiąc jest to funkcja/wzór matematyczny łatwy do zaimplementowania na procesorze DSP (np. TMS320F2808, TMS320F2812, ect).
I teraz ktoś się możne spytać czemu wymyślono jakieś SVM skoro wystarczy podać "zwyczajne" trzy sinusoidy przesunięte o 120 st? A no chodzi o to ze w przypadku SVM sygnały wyjściowe PWM (modulujace) nie maja ksztaltu sinusoidalnego! Ale wartość średnia napięcia pomiędzy zaciskami fazowymi jest sinusoidalna!.
Wiec jaka jest zaleta?. A no pierwsza najważniejsza zaleta jest ze układ SVM w większym stopniu wykorzystuje napięcie w kondensatorze obwodu pośredniczącego, nazywanego potocznie dc-link. Patrząc z innej strony, z danego takiego samego napięcia dc-link w przypadku SVM możliwe jest otrzymanie większego napięcia wyjściowego AC o 15% niż w przypadku modulacji sinusoidalnej ("zwykle" czyste sinusoidy przesuniętej o 120st, (dalej nazywane modulacja SIN)). Najłatwiej zilustrować i zrozumieć to będzie przy pomocy zalaczonego szkicu, trzy rodzaje modulacji, sinusoidalne, svm i "szesciokatna" (ang. six step). Nastepne zdjecie to przebiegi modulatora SVM i zakres amplitudy dla 3 harmonicznej.
Dla dociekliwych tylko,
Wchodząc bardziej w wywody matematyczne skąd te 15%? z nikad?
To z tad ze w przypadku modulacji SIN napięcie międzyfazowe skuteczne(rms) Vpp wyniesie Vpp=sqrt(3)*0.5*Vdc/sqrt(2) - czyli polowa napięcia dc-link to maksymalne napięcie szczytowe(peak) fazowe (nie miedzyfazowe!) możliwe do osiągnięcia.
W przypadku SVM maksymalne napięcie szczytowe (peak) międzyfazowe to napięcie dc-link czyli Vpp=Vdc/sqrt(2)
z tad łatwo znaleźć ze stosunek Vpp z SVM do Vpp z sin to = 1/(sqrt(3)*0.5) = 1.156 czyli z SVM otrzymamy 15% więcej napięcia wyjściowego ac.
Koniec części dla dociekliwych.
Inna cecha SVM jest to ze punkt neutralny odbiornika odniesiony do środka napięcia dc-link ma częstotliwość potrojnej harmonicznej podstawowej (często nazywane z ang. common mode voltage). W przypadku modulacji SIN nie występuje to napięcie.
Czyli wniosek jest taki ze 3 harmoniczna dodana do sygnału modulującego (sinusoidalnego ) z odpowiednim katem i amplituda zwiększy zakres napięcia wyjściowego AC.
Możliwe jest dodanie do modulacji SINusoidalnej, trzeciej harmonicznej (do wszystkich modulatorów dodajemy ta sama 3 harmoniczna ,(zgodna w fazie i takiej samej ampl.)) i otrzymujemy wynik bardzo zbliżony lub taki sam jak w modulacji SVM, otrzymując maksymalne wykorzystanie napięcia dc-link (cechę najbardziej pożądaną).
Wracając do pytania:
Dlaczego używa się silników 2-fazowych dla wrzecion wysokoobrotowych eg. >40kRPM.
Historycznie, zasilało się wrzeciona superwysokoobrotowe w sposób analogowy, poprzez wzmacniacze liniowe, dla wrzeciona 2-fazowego
potrzebne były tylko 4 tranzystory!. Dwa tranzystory na uzwojenie w układzie dzielonego napięcia dc-link, czyli inaczej mówiąc podobnie jak w bipolarnym wzmacniaczu audio dużej mocy (nie mostkowych). Czyli było napięcie powiedzmy +100V i -100V, jeden koniec uzwojenia dołączony do "środka"zasilacza a drugi załączany poprzez tranzystory raz do +100 lub -100, oczywiście układ taki musi działaś w konfiguracji sprzężenia (kontroli) prądu a następnie napięcia. Reasumując topologia układowa podobna do stereofonicznego wzmacniacza audio "prawie" nadawała by się do sterowania dwufazowym wrzecionem. Te "prawie" to dla tego ze musiała by być znacząca możliwość wymiany mocy biernej, czyli zabezpieczony bezpieczny obszar SOAR tranzystorów, dla uzupełnienia brakujących dwóch kwadrantów (source/sink)
Stosowanie wzmacniaczy liniowych często jest uzasadnione ograniczeniem częstotliwości wyjściowej i kontroli prądu klasycznego falownika PWM, dla przykladu dla 60kRPM, dla silnika dwupolowego, częstotliwość napięcia AC musiała by byc 1kHz. Żeby aktywnie i przyzwoicie kontrolować prąd to na jeden okres AC musimy mieć co najmniej 100 okresów PWM co daje częstotliwość przełączania PWM 100KHz. Obecnie PWM 100KHz dla mocy kilkuset watów/kilku kW nie stanowi problemu, ale powyżej 10..20kW już pewien problem.
Odmienna sprawa są straty w uzwojeniach podczas przełączania PWM i indukcyjność uzwojeń.
Taki silnik musi mieć tak zaprojektowane uzwojenie żeby jego indukcyjność dala sie "przeładować" napięciem które jest praktycznie/technicznie/realnie dostępne dla zadanej (wysokiej) znamionowej prędkości obrotowej. Czyli czym mniejsza indukcyjność tym lepiej. Ale z drugiej strony (i tu często jest "pies pogrzebany") mała indukcyjność
dla źle obliczonego falownik PWM powoduje ze ryple?? prądowe?? (przepraszam ze tak dziwnie brzmi, nie wiem jak to po polsku dobrze powiedzieć, po ang. bedzie current ripple a po polsku?) będą osiągały nadmierna wartość w stosunku do pierwszej harmonicznej prądu. Takie nadmierne "ryple pradowe" będą powodowały nadmierne straty w obwodzie magnetycznym silnika a być może i nawet co gorsze nasycenie obwodu magnetycznego, generalni będzie za dużo strat i mówiąc językiem formuowiczow silnik się "zagotuje". Zmniejszy "ryple pradowe" można poprzez zwiększanie częstotliwości PWM, ale ona tez nie jest z "gumy" i ma swoje realne granice przy których falownik będzie miał akceptowalna sprawności i straty.
Wzmacniacz liniowy/analogowy będzie pozbawiony tych wad, nie będzie "rypli prądowych", silnik będzie miał znacznie mniejsze straty wewnętrzne(akceptowalne) niż dla PWM. Wrzeciona szybkoobrotowe to dobry przykład trudnej sztuki gdzie trzeba umieć policzyć falownik do określonej indukcyjności uzwojeń. Czyli indukcyjność, ryple prądowe, częstotliwość PWM i napięcie dc-link są od siebie bardzo uzależnione. Niestety w wzmacniaczy liniowym sa straty mocy, ale jako benefit otrzymujemy "jakość" prądu. IMHO mnie najlepszym rozwiązaniem było by rozwiązanie hybrydowe gdy falownik pracował by zawsze w okolicach 100% modulacji a napięcie dc-link było by regulowane w jakiś bezstratny sposób (np .SMPS). Napiecie te oczywiście było by ściśle powiązane z zadana częstotliwością.
Wiadomo generalnie, była by zasada u/f = const dla maszyny indukcyjnej.
W przemyśle czy oddzialach badawczych czy urządzeniach testowych często nadal używa się wzmacniaczy liniowych/analogowych i to nawet pokaźnych mocy np, 50kW. Znam urządzenie, wzmacniacz liniowy o mocy 3 x 20kW, pasmo 50kHz, możliwość sink i source, jest to emulator sieci AC, można programować zadane przebiegi AC i rożne anomalie.
Wracając do silnika dwu-fazowego. Dla pojedynczego napięcia dc-link tez istnieje możliwość zasilania falownikiem 6 tranzystorowym, PWM, a nie jak z któryś z kolegów sugerował ze musi byc 8. Jeżeli napięcie będzie dzielone to wystarcza 4 tranzystory i PWM, czyli 2 na uzwojenie, ale w takiej konfiguracji będą bardzo duże ryple prądowe! (co w wersji analogowej jest najlepsza topologia). Najmniejsze ryple i najlepsze wykorzystanie vdc-link bedzie dla konfiguracji 8 tranzys. czyli "double H bridge".
Mozna powiedziec ze silniki dwufazowe są optymalne do zasilania z wzmacniacza liniowego, tylko 4 tranzystory!, brak rypli!
Jako ze ta krotka odpowiedz przekształciła się prawie w artykuł, przepraszam jeżeli złamałem jakiś punkt regulaminu odnośnie długości.
Nie zdziwię się również jeżeli od jednego z formuowiczow dostane odpowiedz w stylu "bardzo zimno, szukajcie nadal". Jeżeli nikt nie rozstrzygnie "zagadki" to było by milo jeżeli zadający pytanie przedstawił by swoje poglądy na ten temat. Moje poglądy starałem się zaprezentować, choć jestem pewien ze to nie wszystko. Zagadnienia "falownikowe" ,czy "control engineering" są trudne i nie da się ich często w krótkim poście przeszyjcie wytłumaczyć, ale mimo to popieram takie "akcje" zmuszjace do myslenia samodzielnego. Mam nadzieje ze wniosłem coś pożytecznego do tego forum i ktoś będzie miał z tego jakikolwiek pożytek.
W miarę możliwości czasowych chętnie odpowiem na inne zagadnienia z dziedziny sterowania.
Pozdrawiam serdecznie formuowiczow i zapaleńców CNC
Arek
