Разобрано несколько устоявшихся заблуждений в области современного электропривода, которые в том или ином виде присутствуют в учебно-методической литературе разных авторов. Рассмотрен вопрос именования параметров ПИ-регулятора, произведено сравнение релейного и ПИ-регуляторов, векторного управления и прямого управления моментом, дана оценка эффективности матричных преобразователей и показано назначение емкости звена постоянного тока у традиционных ПЧ.
Введение Современный электропривод является достаточно точной наукой, где все явления определяются законами математики и физики. Однако в последнее время — 20 или 30 лет — появились серые области, которые используются для извлечения прибыли из среднестатистического потребителя электропривода. Часть мифов возникла благодаря заблуждениям ученых, часть — благодаря фальсификации или подгонке результатов исследований и выставлении не лучших решений в хорошем свете, часть — благодаря стараниям маркетологов, стремящихся любой ценой увеличить продажи оборудования конкретной компании. Особенно эти явления заметны на территории бывшего СССР, где в прежнее время существовала развитая научно-методическая школа электропривода и явные заблуждения, будучи развенчанными, не проходили в массы. Сейчас из-за общего спада промышленности и объемов исследований в предметной области, а также благодаря появившемуся активному маркетингу, заблуждения проникают в нашу жизнь, являются основанием для серьезных научных исследований, за которыми не стоит сколько-нибудь полезный экономический эффект. Отдельного внимания заслуживают устоявшиеся утверждения, которые перестали быть актуальными из-за развития техники, но тиражируются на протяжении десятков лет из учебника в учебник. Автор хочет сразу оговориться, что научные исследования критикуемые в статье по практическим признакам, несомненно, нужны с научной точки зрения. Они могут пригодиться в будущем, однако не следует скрывать явные недостатки, что обычно делают авторы работ. В рамках данного доклада автор хочет рассмотреть всего несколько вопросов из огромного списка, требующих разбора проблем.
Миф 1. ПИ-регулятор имеет два основных параметра — пропорциональный коэффициент и постоянная интегрирования
Этот миф происходит с тех давних времен, когда ПИ-регулятор реализовывался исключительно на операционных усилителях. У ПИ-регулятора нет постоянной интегрирования, есть интегральный коэффициент. Если мы регулируем ток в Амперах в какой-либо электрической цепи, задавая задание питающего эту цепь напряжения в Вольтах, то пропорциональный коэффициент имеет размерность В/А, то есть Ом, интегральный коэффициент имеет размерность Ом/с, а дифференциальный коэффициент имеет размерность Ом*с. То есть говорить, что у ПИ-регулятора есть постоянная времени можно лишь тогда, когда он выполнен на операционном усилителе или на входе и выходе одинаковые размерности, но так бывает все реже и реже. С появлением микроконтроллеров, работающих с плавающей точкой, система управления может быть выполнена в физических единицах и постоянные времени исчезают как класс. В качестве упражнения определите размерность коэффициента усиления тиристорного выпрямителя, если задание выходного напряжения поступает по CAN-сети.
Миф 2. Релейный регулятор быстрее ПИ-регулятора
Данное утверждение было справедливо, когда преимущественно использовались тиристорные преобразователи, а цифровые системы управления не обладали достаточной производительностью для реализации регуляторов предельного быстродействия . В самом деле, релейные регуляторы могли применяться только с относительно быстрыми силовыми преобразователями —транзисторными. Для малых мощностей с аппаратными релейными регуляторами это давало на порядок большее быстродействие по сравнению с тиристорным электроприводом. Применительно к асинхронному электроприводу для скачка задания тока от нуля до номинала требуется от 3 до 6 периодов ШИМ, чтобы преодолеть индуктивность обмоток при максимальном управляющем напряжении. То есть ПИ-регулятор большую часть времени находится в насыщении, а при подходе к заданному значению из него выходит. Только в этот момент он начинает проигрывать релейному регулятору, хотя сигнал уже находится в 5% от заданного значения (см. рис.1).
Небольшое преимущество имеется у релейного регулятора только в момент изменения задания, так как отработка управляющего воздействия и переключение выхода не связано с началом очередного периода ШИМ (происходит на более высокой частоте для цифровых релейных систем). Развитие методов регулирования с предельным быстродействием позволит комбинировать релейный и непрерывный режим, обеспечив большую скорость реакции на изменение задания.
Миф 3. Система прямого управления моментом быстрее системы векторного управления
Данный миф относится к маркетинговым. Каждая компания, продвигая на рынок свое оборудование, старается показать его лучшие стороны. Для систем векторного управления регулирование момента осуществляется ПИ регулированием тока по моментообразующей оси. В режиме прямого управления моментом релейный регулятор момента устанавливает напряжение инвертора, которое приведет к скорейшему изменению момента двигателя. И в том и другом случаях изменение момента связано с нарастанием тока по оси, перпендикулярной потокосцеплению ротора, для векторного управления и по оси, перпендикулярной потокосцеплению статора, для прямого управления моментом. Скорость нарастания тока в обоих случаях определяется отношением разности напряжения инвертора и ЭДС к индуктивностям рассеяния и почти одинакова для этих двух способов регулирования. Если ПИ-регулятор настроен на режим предельного быстродействия, то разницы в темпе нарастания тока и момента не будет. Для обычной настройки ПИ-регулятор тока также попадет в насыщение при скачке задания в 100% и ожидать существенного снижения быстродействия нельзя. В качестве примера искажения свойств конкурирующих систем можно привести . Так, на слайде 31 на регулирование момента в системе векторного управления уходит приблизительно 25 периодов ШИМ, что говорит о совершенно неправильной настройке ПИ регулятора тока, дезинформируя об истинном быстродействии данного способа регулирования.
Миф 4. Для работы системы прямого управления моментом не требуется датчик положения ротора
Миф возник из-за того, что наблюдатель потокосцеплений статора и момента, построенный в статорных величинах и стационарной системе координат, связанной с неподвижными обмотками статора, не содержит скорости или положения, а состояние машины полностью определено через напряжения и токи фаз. Далее обычно следует оговорка, что для работы такого наблюдателя необходимо «точное знание активного сопротивления статора», иначе система будет неработоспособной из-за накапливающейся ошибки интегрирования при расчете потокосцеплений статора. «Точное знание активного сопротивления» включает в себя еще и все нелинейности инвертора, смещения и погрешности датчиков тока и напряжения звена постоянного тока. То есть «точного знания» не может быть на практике. Несколько лучше система работает, если активное сопротивление в модели принять меньше реального, а с большим модельным сопротивлением система разваливается. В для обеспечения работоспособности системы прямого управления моментом со всеми видами имеющихся погрешностей в наблюдателе предлагается исключать ошибку интегрирования, фильтруя постоянную составляющую, что не способствует работоспособности системы на малых скоростях. На ненулевых скоростях поведение системы не отличается от работы системы векторного управления с оценкой ЭДС. Представленные на рис. 2 механические характеристики, хоть и отличаются в деталях, весьма похожи. Основной проблемой классической модели асинхронного двигателя является то, что она работоспособна только при точных знаниях всех параметров и управляющих воздействий. Однако если мы где-то ошибаемся, требуется корректирующий сигнал — скорость или положение. Определить положение или скорость можно только имея дополнительные данные, например, ЭДС, и для малых скоростей круг замкнулся. Хотя есть принципиальная возможность определения положения по магнитной анизотропии ротора, данная технология пока применяется в промышленности только для синхронных машин . Необходимо сделать оговорку, что в мифах 3 и 4 рассмотрена система прямого управления моментом, описанная в открытой литературе. Автор не может сказать, как именно реализована данная система у компании ABB и какие свойства она имеет. Необходимо сделать оговорку, что в мифах 3 и 4 рассмотрена система прямого управления моментом, описанная в открытой литературе. Автор не может сказать, как именно реализована данная система у компании ABB и какие свойства она имеет.
Миф 5. НПЧ имеет больший КПД, чем двухзвенный ПЧ за счет однократного преобразования энергии
Данный миф родился в эпоху, когда НПЧ были тиристорными. По сути, они такими и остались, хотя появились опытные образцы транзисторных матричных преобразователей. Действительно тиристорный НПЧ имеет КПД выше, обычного современного общепромышленного ПЧ, построенного по схеме «выпрямитель – инвертор», однако энергетика определяется поведением всего объекта. Так, гармонические искажения выходного напряжения и токов в транзисторном НПЧ вызывают дополнительные потери, а использование двигателя до частот 25 Гц тоже не идет на пользу энергетике комплектного электропривода.С появлением транзиторных НПЧ были устранены недостатки тиристорных по форме входного и выходного токов, однако главное преимущество высокого КПД преобразователя исчезло. Рассмотрим схему транзисторного НПЧ, чтобы разобраться в причинах снижения КПД. Каждая фаза сети подключается через полностью управляемый ключ, состоящий из двух последовательных транзисторов, к каждой фазе двигателя [6]. Если нарисовать для какого-то момента времени состояние сети и работающие в этом состоянии транзисторы (рис. 3), то с включенными транзисторами VTaAM и VTbAPL схема преобразуется в изображенную на рис. 4, которая напоминает нам стойку обычного инвертора. НПЧ при этом не является однозвенным. На самом деле выпрямитель «спрятался» в инвертор в виде ключей VTaAM и VTbAPL и стал управляемым. Таким образом, от сети до фазы двигателя ток проходит путь через один из транзисторов и один параллельный диод. В двухзвенном ПЧ со звеном постоянного тока этот же путь лежит через диод выпрямителя и транзистор инвертора. Но схема с НПЧ будет иметь КПД ниже, так как падение напряжения на параллельном диоде выше, чем падение на диоде выпрямительного моста.
Миф 6. Емкость звена постоянного тока в двухзвенном ПЧ служит для обмена реактивной энергией между фазами двигателя
В том, что данный миф до сих пор существует, автор убедился совсем недавно, когда на семинаре, проводимом в МЭИ Центром силовой электроники при участии профессора Ральфа Кеннела, вопрос расчета емкости звена постоянного тока вызвал оживленную дискуссию. Какой же должна быть емкость конденсатора звена постоянного тока? В первую очередь необходимо уточнить, что емкость не служит для обмена реактивной энергией. Если приводить осциллограмму тока и напряжения одной фазы асинхронного двигателя при питании от ПЧ, то на периоде основной частоты за счет сдвига между напряжением и током фаза будет находиться как в двигательном режиме, так и в генераторном. Генераторный режим и является возвратом той самой реактивной энергии, для которой нужен конденсатор звена постоянного тока. Однако в тот момент, когда происходит этот возврат, другие фазы энергию потребляют. Если двигатель не работает в генераторном режиме, то энергия из двигателя никогда не возвращается на конденсатор, ее потребляют соседние фазы. Зачем в этом случае необходим конденсатор звена постоянного тока? В первую очередь он необходим, как снаббер, но C-снаббер имеет емкость на порядки ниже, чем та, что устанавливается на общепромышленных преобразователях часто-ты. Дальнейшее увеличение емкости необходимо для некоторого увеличения среднего выпрямленного напряжения на звене постоянного тока. Если емкость мала, то напряжение на звене опускается до 465 В, а с большой емкостью его можно удержать в пределах 500 В. Кроме того, на холостом ходу и малой нагрузке при скалярном управлении асинхронный двигатель может кратковременно попадать в генераторный режим. Если такой режим исключить за счет применения векторного управления или специальных подходов для скалярного управления, то емкость может быть существенно уменьшена и преобразователь может работать, имея только снабберную емкость в звене постоянного тока . При этом существенно улучшается коэффициент гармонических искажений потребляемого ПЧ тока. Минимальное же значение емкости звена постоянного тока в этом случае определяется режимом аварийного отключения инвертора. В случае срабатывания максимально токовой защиты при отключении инвертора возникает кратковременный генераторный режим, когда энергия, запасенная в индуктивности рассеяния, возвращается через обратные диоды отключенного инвертора на звено, заряжая его емкость. Заряд не должен вызвать рост напряжения, который может привести к выходу из строя элементов преобразователей частоты. Например, конденсатора емкостью 20 мкФ хватает для стандартного асинхронного двигателя 4 кВт, чтобы напряжение звена в случае аварийного отключения не превышало 800 В при напряжении отключения 540 В.
Выводы
Современный электропривод, как динамично развивающаяся область техники, требует постоянной систематизации и обобщения знаний. Необходима разработка новых учебных пособий, в которых современные вопросы электропривода должны быть выверены и исключены какие-либо серые зоны в очевидных вопросах, подобных рассмотренным в докладе.
Источник: Мифы и легенды современного электропривода. Myths and Legends of Modern Electric Drive System. Анучин А.С., к.т.н. Anuchin A., PhD.