Zagadka: Dlaczego niektóre wrzeciona mają 2 fazy?
-
cnc3d
Autor tematu - Specjalista poziom 3 (min. 600)
- Posty w temacie: 15
- Posty: 635
- Rejestracja: 29 mar 2008, 16:48
- Lokalizacja: laski
Podrzeźbi,
Silniki trójfazowe rzeczywiście mają najczęściej wyprowadzone wszystkie końce uzwojeń, co umożliwia łączenie ich w gwiazdę lub trójkąt. Natomiast uzwojenia elektrowrzecion bardzo wysokoobrotowych są najczęściej wykonywane z połączonymi końcami uzwojeń i wyprowadzonymi tylko początkami.
W takich wrzecionach jest bardzo mało miejsca, a poza tym nie ma potrzeby wyprowadzania większej ilości przewodów przy sterowaniu falownikiem.
Można teoretycznie stworzyć falownik z mostkiem zawierającym 12 tranzystorów, ale o takim nie słyszałem. Ale o dziwo właśnie ta koncepcja może przybliżyć do rozwiązania zagadki.
Krank,
W twojej maszynie są dwa typy odbiorników trójfazowe i jednofazowe.
Falownik jest zasilany z trzech faz, ale tam jest prostownik i wystarczą dwie fazy aby falownik zadziałał, jednak po obciążeniu wrzeciona wystąpi błąd UnderVoltage.
Palug,
Nie ma wrzecion 3 polowych, Musi być zawsze parzysta ilość pól. Również twoje wrzeciono 800Hz 24.000 rpm nie ma 6 pól tylko 4, czyli 2 pary.
Widzę, że te pola, bieguny, fazy i przesunięcia fazowe trochę się pomieszały.
Postaram się dokładnie to wyjaśnić, ale za parę dni, będę trochę zajęty.
Silniki trójfazowe rzeczywiście mają najczęściej wyprowadzone wszystkie końce uzwojeń, co umożliwia łączenie ich w gwiazdę lub trójkąt. Natomiast uzwojenia elektrowrzecion bardzo wysokoobrotowych są najczęściej wykonywane z połączonymi końcami uzwojeń i wyprowadzonymi tylko początkami.
W takich wrzecionach jest bardzo mało miejsca, a poza tym nie ma potrzeby wyprowadzania większej ilości przewodów przy sterowaniu falownikiem.
Można teoretycznie stworzyć falownik z mostkiem zawierającym 12 tranzystorów, ale o takim nie słyszałem. Ale o dziwo właśnie ta koncepcja może przybliżyć do rozwiązania zagadki.
Krank,
W twojej maszynie są dwa typy odbiorników trójfazowe i jednofazowe.
Falownik jest zasilany z trzech faz, ale tam jest prostownik i wystarczą dwie fazy aby falownik zadziałał, jednak po obciążeniu wrzeciona wystąpi błąd UnderVoltage.
Palug,
Nie ma wrzecion 3 polowych, Musi być zawsze parzysta ilość pól. Również twoje wrzeciono 800Hz 24.000 rpm nie ma 6 pól tylko 4, czyli 2 pary.
Widzę, że te pola, bieguny, fazy i przesunięcia fazowe trochę się pomieszały.
Postaram się dokładnie to wyjaśnić, ale za parę dni, będę trochę zajęty.
-
krank1
- Specjalista poziom 1 (min. 100)
- Posty w temacie: 5
- Posty: 141
- Rejestracja: 30 cze 2006, 23:37
- Lokalizacja: Piątek
- Kontakt:
O to chodzi że maszyna śmiga na dwóch fazach w trybie włączonego wrzeciona. Po prostu frezuje. Jak długo by to działało nie sprawdzałem bo zawsze wyłączam w takich sytuacjach. Nie pamiętam tylko czy chłodziwo było załączone bo tam jest zwykły silnik trójfazowy.cnc3d pisze: W twojej maszynie są dwa typy odbiorników trójfazowe i jednofazowe.
Falownik jest zasilany z trzech faz, ale tam jest prostownik i wystarczą dwie fazy aby falownik zadziałał, jednak po obciążeniu wrzeciona wystąpi błąd UnderVoltage.
-
cnc3d
Autor tematu - Specjalista poziom 3 (min. 600)
- Posty w temacie: 15
- Posty: 635
- Rejestracja: 29 mar 2008, 16:48
- Lokalizacja: laski
Weźmy pod uwagę teoretyczny silnik aby nie uwzględniać teraz kwestii konstrukcyjnych w silnikach rzeczywistych. Dla uproszczenia przeanalizujemy silnik synchroniczny z magnesami trwałymi. Konstrukcja stojanów tych silników jest bardzo podobna więc w specyfikę działania silnika indukcyjnego na razie nie będziemy wnikać.
Załóżmy, że wirnikiem jest jeden magnes umieszczony tak jak igła w kompasie.
Mamy 3 cewki umieszczone co 120 stopni na obwodzie stojana. Zasilenie jednej z nich spowoduje przyciągnięcie do niej jednego z biegunów igły. Następnie załączenie zasilania do następnej cewki spowoduje przyciągnięcie do niej igły. Jeśli cewki byłyby tylko dwie to były by rozłożone co 180 stopni a więc po przełączeniu zasilania na następną cewkę, igła "nie wiedziała by" w którą stronę się obrócić ponieważ siła ciągnąca w obie strony byłaby identyczna.
Rzeczywiście określenie silnik dwufazowy jest nieco mylne ponieważ dotyczy w rzeczywistości silnika czterofazowego.
Silnik trójfazowy połączony w gwiazdę ma wyprowadzone 3 przewody, a końce uzwojeń są w środku połączone.
W silniku czterofazowym mogło by być tak samo. Jednak przy czterech fazach można to trochę uprościć. Wiemy, że przy zasilaniu sinusoidalnym napięciem, ten punkt środkowy powinien mieć potencjał neutralny, a poprzez to że co druga faza silnika czterofazowego jest przesunięta o 180 stopni, to można je połączyć razem, tyle tylko że w przeciwnym kierunku. W silnikach czterofazowych więc elektrycznie występują tylko dwa uzwojenia, które mają wyprowadzone 4 przewody jednak każde z tych uzwojeń to dwie fazy pracujące w przeciwfazie.
Więc silnik trójfazowy ma 3 wyprowadzenia i 3 cewki (praktycznie ma ich więcej ze względów konstrukcyjnych), a silnik dwufazowy ma 4 cewki zasilane po dwie w przeciwfazie i 4 wyprowadzenia.
Natomiast liczba par pól, to wielokrotność ilości cewek przy zachowaniu całkowitego równomiernego wypełnienia 360 stopni. Czyli silnik trójfazowy, który ma dwie pary pól (biegunów) ma cewki rozłożone nie co 120 stopni tylko co 60, więc do pełnego obrotu potrzebuje dwóch okresów prądu zasilającego. Czyli jak mamy silnik 24.000 rpm i 800Hz to wiemy, że ma on dwie pary biegunów.
Załóżmy, że wirnikiem jest jeden magnes umieszczony tak jak igła w kompasie.
Mamy 3 cewki umieszczone co 120 stopni na obwodzie stojana. Zasilenie jednej z nich spowoduje przyciągnięcie do niej jednego z biegunów igły. Następnie załączenie zasilania do następnej cewki spowoduje przyciągnięcie do niej igły. Jeśli cewki byłyby tylko dwie to były by rozłożone co 180 stopni a więc po przełączeniu zasilania na następną cewkę, igła "nie wiedziała by" w którą stronę się obrócić ponieważ siła ciągnąca w obie strony byłaby identyczna.
Rzeczywiście określenie silnik dwufazowy jest nieco mylne ponieważ dotyczy w rzeczywistości silnika czterofazowego.
Silnik trójfazowy połączony w gwiazdę ma wyprowadzone 3 przewody, a końce uzwojeń są w środku połączone.
W silniku czterofazowym mogło by być tak samo. Jednak przy czterech fazach można to trochę uprościć. Wiemy, że przy zasilaniu sinusoidalnym napięciem, ten punkt środkowy powinien mieć potencjał neutralny, a poprzez to że co druga faza silnika czterofazowego jest przesunięta o 180 stopni, to można je połączyć razem, tyle tylko że w przeciwnym kierunku. W silnikach czterofazowych więc elektrycznie występują tylko dwa uzwojenia, które mają wyprowadzone 4 przewody jednak każde z tych uzwojeń to dwie fazy pracujące w przeciwfazie.
Więc silnik trójfazowy ma 3 wyprowadzenia i 3 cewki (praktycznie ma ich więcej ze względów konstrukcyjnych), a silnik dwufazowy ma 4 cewki zasilane po dwie w przeciwfazie i 4 wyprowadzenia.
Natomiast liczba par pól, to wielokrotność ilości cewek przy zachowaniu całkowitego równomiernego wypełnienia 360 stopni. Czyli silnik trójfazowy, który ma dwie pary pól (biegunów) ma cewki rozłożone nie co 120 stopni tylko co 60, więc do pełnego obrotu potrzebuje dwóch okresów prądu zasilającego. Czyli jak mamy silnik 24.000 rpm i 800Hz to wiemy, że ma on dwie pary biegunów.
-
upadły_mnich
- ELITA FORUM (min. 1000)
- Posty w temacie: 1
- Posty: 1592
- Rejestracja: 09 gru 2005, 11:52
- Lokalizacja: Lublin
nie chciałem się udzielać w temacie ryzykując utratę imadła precyzyjnego 
. Bardziej liczyłem na wygraną Mercedesa co to już jedzie do mnie a tylko sms-a trza wysłac za 4 złote. 
przyłączę sie do Leoo:
kolego cnc3D...czy ten ploter w Lublinie będzie działał? Są szanse? Ten , o którym 3 miesiące temu pisałem a kolega był oburzony, i ja przepraszałem....? Ten który zamówiony w marcu jeszcze 100mm nie przefrezował? Nikt u Was telefonów nie odbiera. Widocznie powodzie podmyły światłowody. Czy mógłbyś poza konkursami na forum zająć się swoją firmą?
. Bardziej liczyłem na wygraną Mercedesa co to już jedzie do mnie a tylko sms-a trza wysłac za 4 złote. przyłączę sie do Leoo:
ja tez zapytam: I to jest rozwiązanie zagadki?Leoo pisze:Znaczy - i to jest rozwiązanie zagadki?
Proste ...prawda?cnc3d pisze:Czyli jak mamy silnik 24.000 rpm i 800Hz to wiemy, że ma on dwie pary biegunów.
kolego cnc3D...czy ten ploter w Lublinie będzie działał? Są szanse? Ten , o którym 3 miesiące temu pisałem a kolega był oburzony, i ja przepraszałem....? Ten który zamówiony w marcu jeszcze 100mm nie przefrezował? Nikt u Was telefonów nie odbiera. Widocznie powodzie podmyły światłowody. Czy mógłbyś poza konkursami na forum zająć się swoją firmą?
Ostatnio zmieniony 18 wrz 2010, 18:57 przez upadły_mnich, łącznie zmieniany 2 razy.
sprawność wg kobiety: stosunek wielkości wyjętej do wielkości włożonej
-
Arkady90
- Sympatyk forum poziom 2 (min. 50)
- Posty w temacie: 1
- Posty: 53
- Rejestracja: 12 paź 2006, 11:33
- Lokalizacja: Kristiansand
Witam wszystkich!
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
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
