Комментарии 24
«Можно стабилизировать скорость регулятором скорости с высокой точностью и быстродействием. Можно использовать асинхронный привод в качестве тягового (в транспорте), задавая требуемый момент тяги.»
Хороший и наглядный пример частотного привода — стиральная машина: два оборота вперед, полтора оборота назад, по токам статора косвенно определить вес белья и т.д.
Хороший и наглядный пример частотного привода — стиральная машина: два оборота вперед, полтора оборота назад, по токам статора косвенно определить вес белья и т.д.
В стиралках разные двигатели ставят. Асинхронники тоже есть кое-где, но по большей части применяют либо универсальный коллекторный двигатель (с щетками, как ДПТ) либо синхронный двигатель с постоянными магнитами (если это «прямой привод»). Но, впрочем, и там и там по току можно вес белья оценивать.
Вы пишете, что максимальная частота вращения не ограничена, но неужели это действительно так? Индуктивность обмоток не будет ограничивать частоту?
в обычных двигателях максимальную частоту вращения ограничивает конструкция: подшипники, прочность ротора и т.д.
Если это идеальный холостой ход (собственные потери не учитываются) — то теоретически (по формулам) не ограничена. В реальности момент на асинхронном двигателе с ростом частоты вращения падает довольно быстро (как раз в том числе из-за индуктивностей), поэтому на какой-то частоте вращения реализуемый момент сравняется с моментом потерь и двигатель прекратит разгон. Но на практике скорее всего раньше развалятся подшипники.
Большое спасибо за Ваши статьи!
Электродвигатель теслы в разы меньше по любому габариту, чем стандартный асинхронник той же мощности, от того же ABB.
Наверное не только из-за меди? Из-за специальной системы охлаждения?
Электродвигатель теслы в разы меньше по любому габариту, чем стандартный асинхронник той же мощности, от того же ABB.
Наверное не только из-за меди? Из-за специальной системы охлаждения?
Из-за продолжительности включения. Тесловские 306кВт (или сколько их там) — очевидно, не режим работы S1 — длительный. Двигатель развивает их только при разгоне машины. При установившейся скорости движения около 200км/ч требуемая мощность для движения седана примерно 90кВт. Скорее всего приблизительно такая мощность и является длительно-допустимой для их двигателя и именно её нужно сравнивать со «стандартным» асинхронником. А 306кВт — это работа в режиме перегрузки очень короткое время. Конечно, и при длительной мощности 90кВт массогабариты гораздо лучше промышленного АД, но у теслы жидкостное охлаждение, причем, насколько я видел, у них ещё и ротор жидкостью омывается внутри (патенты такие у них есть, но как по факту сделано я не знаю). Ну и да, медный ротор… Вот всё в сумме и дает такие показатели. Очень качественно оптимизированный под свою задачу двигатель, но ничего волшебного.
Тоже вопрос про Теслу. Одно из преимуществ электромобилей — отсутствие коробки передачь. Но посмотрев фильм про Теслу я «разочаровался» когда увидел редуктор на движке. Неужели нельзя было сделать прямой привод на каждое колесо? Или они тем самым снижают потребление энергии для поддержания момента, компенсируя это механикой?
Во-первых, редуктор — это не коробка передач. У теслы это просто понижающий редуктор, совмещенный с дифференциалом, без каких-либо переключений: одна передача.
Во-вторых, по многим причинам двигатели с большой частотой тока и частотой вращения получаются с более высокими массогабаритными показателями, чем тихоходный «прямой привод». Поэтому связка высокочастотный двигатель+редуктор получается, как ни странно, зачастую более компактной. Для большого момента требуется большой радиус, а он не всегда доступен.
В-третьих, мотор-колесо это уже столетняя недостижимая мечта. Как бы ни хотелось это сделать, как бы ни было много «концептов» и «экспериментальных образцов» таких автомобилей — реальность такова, что на сегодняшний день нет ни одного серийного легкового автомобиля с мотор-колесом (если я что-то пропустил, поправьте меня, пожалуйста, и укажите модель). Причин много. Это большая неподрессоренная масса такого колеса (хуже управление автомобилем). Это более низкая надежность — удары, ход подвески, изгиб кабелей, вода, грязь, тормозные колодки рядом, тепло от них… Потом нужно тщательно герметизировать колесо, иначе как проехать по луже? Да и цена такого прямого привода получается, как ни странно, выше, чем спрятать всё в корпус автомобиля и оставить классическое колесо с тормозами внутри. Эксплуатация… «поймали» яму на дороге: на обычной машине поменяли диск и всё, а если это мотор-колесо? А еще, как ни удивительно звучит, КПД высокочастотного двигателя+редуктора обычно получается выше(!) чем у прямого привода колеса. Потому что в первом случае двигатель проектируется на максимум КПД в рабочем диапазоне, а во втором чтобы кое-как впихнуться в колесо и уметь создавать огромный момент с огромными токами при малом габарите.
В-четвертых, можно применить схему мотор-полуось. Двигатели внутри корпуса, а на колеса раздается тяга «шрусами»: один двигатель — одно колесо. Такая схема, действительно, вполне жизнеспособна, только всё равно двигатели эффективнее применить высокочастотные с редукторами. Почему тесла не сделали именно так, я не знаю. Наверное, всё-таки получаются чуть большие габариты такого решения, чем один мощный двигатель + один редуктор.
Во-вторых, по многим причинам двигатели с большой частотой тока и частотой вращения получаются с более высокими массогабаритными показателями, чем тихоходный «прямой привод». Поэтому связка высокочастотный двигатель+редуктор получается, как ни странно, зачастую более компактной. Для большого момента требуется большой радиус, а он не всегда доступен.
В-третьих, мотор-колесо это уже столетняя недостижимая мечта. Как бы ни хотелось это сделать, как бы ни было много «концептов» и «экспериментальных образцов» таких автомобилей — реальность такова, что на сегодняшний день нет ни одного серийного легкового автомобиля с мотор-колесом (если я что-то пропустил, поправьте меня, пожалуйста, и укажите модель). Причин много. Это большая неподрессоренная масса такого колеса (хуже управление автомобилем). Это более низкая надежность — удары, ход подвески, изгиб кабелей, вода, грязь, тормозные колодки рядом, тепло от них… Потом нужно тщательно герметизировать колесо, иначе как проехать по луже? Да и цена такого прямого привода получается, как ни странно, выше, чем спрятать всё в корпус автомобиля и оставить классическое колесо с тормозами внутри. Эксплуатация… «поймали» яму на дороге: на обычной машине поменяли диск и всё, а если это мотор-колесо? А еще, как ни удивительно звучит, КПД высокочастотного двигателя+редуктора обычно получается выше(!) чем у прямого привода колеса. Потому что в первом случае двигатель проектируется на максимум КПД в рабочем диапазоне, а во втором чтобы кое-как впихнуться в колесо и уметь создавать огромный момент с огромными токами при малом габарите.
В-четвертых, можно применить схему мотор-полуось. Двигатели внутри корпуса, а на колеса раздается тяга «шрусами»: один двигатель — одно колесо. Такая схема, действительно, вполне жизнеспособна, только всё равно двигатели эффективнее применить высокочастотные с редукторами. Почему тесла не сделали именно так, я не знаю. Наверное, всё-таки получаются чуть большие габариты такого решения, чем один мощный двигатель + один редуктор.
Никто случайно не подскажет, из какой серии National Geographic кадр на рисунке 7?
Пожалуйста youtu.be/2XQt-BaNy4c?t=23m2s
Двигатель с первой картинки явно офигевает от того, что с ним будут делать дальше.
полноценное векторное управление
Скажите пожалуйста, чем управление, скажем, на at90pwm3b будет неполноценным? А на stm32 со строенным сигма-дельта АЦП?
Или есть задачи где отклонение на 1 % в течение 0,1 с несущественно, например, шпиндель фрезера, двигатель электромобиля, а вы занимаетесь управлением где нужна точность выше миллионной доли рад/с и нужно зорко следить за каждой микросекундой?
Действительно интересно, откуда такие требования по «вооружённости» МК?
На всех motor-control микроконтроллерах можно сделать полноценное векторное управление. at90pwm3b это 8ми битный микроконтроллер с тактовой частотой 16Мгц и таймерами ШИМ на 64Мгц (судя из данных на первой странице, внутрь даташита я не погружался). Этого недостаточно для серьезных задач, хотя простейшее векторное управление (какое-то там) на нем сделать, наверное, можно. Для серводвигателя, например, или для высокочастотных приводов важна частота обсчета контуров тока, скорости, положения. В «полноценном» векторном управлении это нужно успевать обсчитывать на частоте 20кГц или даже выше, что позволяет быстро отреагировать на возмущающее воздействие. Частоту ШИМ можно для сервопривода поднять до 100кГц (для уменьшения пульсаций) за счет ШИМ высокого разрешения и сохранив необходимую дискретность изменения скважности (3000-5000 дискрет задания напряжения для сервопривода это минимум).
Отклонение регулируемой величины в процентах от времени перевести напрямую в производительность микроконтроллера нельзя. Здесь нужно знать все параметры объекта управления, чтобы промоделировать, на какой частоте надо обсчитывать контура токов/скорости, чтобы получить требуемую точность. Кроме того, для качественного векторного управления нужно обсчитывать еще кучу сопутствующих задач. Навскидку это фильтрация токов фаз на периоде ШИМ фильтром скользящего среднего: если частота ШИМ 10кГц, то измерять надо минимум на 80кГц, чтобы точно знать среднее значение тока на периоде. Это фильтрация сигнала с датчика положения фильтром Калмана или фильтром на основе PLL, чтобы компенсировать «кривизну» датчика холла, скажем, и сформировать гладкий линейный угол. Это куча защит по токам, напряжению ЗПТ, отказу ДПР, перекосу фаз и т.п. Это различные дополнительные функции, такие как коррекция мертвого времени инвертора, чтобы сформировать более гладкий ток, это тепловая модель двигателя, расчет действующего значения тока, активной мощности. И все эти задачи должны считаться вместе с векторным управлением. 8ми разрядный МК это просто не потянет. Нужно производительное 32х разрядное ядро с частотой 100-200МГц. А еще нужна motor-control периферия. Несколько ШИМов, минимум 6, а лучше раза в два-три больше (инверторы разные бывают) с мертвым временем, теневыми регистрами и всей принятой для этого логикой. Нужны каналы датчиков положения — для энкодера и квадратурного датчика (аппаратная поддержка в МК), нужно быстродействующее АЦП (от 1МГц и выше) чтобы в нужные моменты измерять токи и т.п. Некоторые STM32 микроконтроллеры годны для того, чтобы сделать «полноценное векторное управление». Но иногда там не хватает количества ШИМов или каналов датчиков положения. Самый богатый выбор motor-control микроконтроллеров дает Texas Instruments — например, серия Piccolo, Delfino.
Для шпинделя промышленного станка, например, нужна высокая частота тока — чуть ли не до килогерца иногда. Соответственно, обсчитывать всю «векторную» надо на 20-30кГц, иначе напряжение не синус будет, а непонятно что. Если это тяговый привод, то там еще больше всего. И частоты там большие на высокой скорости, куча защит, плавающая частота ШИМ от 2 до 20кГц, обязательная тепловая модель как двигателя так и ключей инвертора, чтобы «на низах» работать с перегрузкой несколько крат и ничего не спалить, всевозможные фильтры токов и датчика положения, ограничение мощности при повышении/понижении напряжения звена постоянного тока (мягко, чтобы не было колебаний), а еще АБС/ПБС туда же можно навесить, интерфейсы связи быстродействующие (нужны для получения задания и выдачи телеметрии)…
Отклонение регулируемой величины в процентах от времени перевести напрямую в производительность микроконтроллера нельзя. Здесь нужно знать все параметры объекта управления, чтобы промоделировать, на какой частоте надо обсчитывать контура токов/скорости, чтобы получить требуемую точность. Кроме того, для качественного векторного управления нужно обсчитывать еще кучу сопутствующих задач. Навскидку это фильтрация токов фаз на периоде ШИМ фильтром скользящего среднего: если частота ШИМ 10кГц, то измерять надо минимум на 80кГц, чтобы точно знать среднее значение тока на периоде. Это фильтрация сигнала с датчика положения фильтром Калмана или фильтром на основе PLL, чтобы компенсировать «кривизну» датчика холла, скажем, и сформировать гладкий линейный угол. Это куча защит по токам, напряжению ЗПТ, отказу ДПР, перекосу фаз и т.п. Это различные дополнительные функции, такие как коррекция мертвого времени инвертора, чтобы сформировать более гладкий ток, это тепловая модель двигателя, расчет действующего значения тока, активной мощности. И все эти задачи должны считаться вместе с векторным управлением. 8ми разрядный МК это просто не потянет. Нужно производительное 32х разрядное ядро с частотой 100-200МГц. А еще нужна motor-control периферия. Несколько ШИМов, минимум 6, а лучше раза в два-три больше (инверторы разные бывают) с мертвым временем, теневыми регистрами и всей принятой для этого логикой. Нужны каналы датчиков положения — для энкодера и квадратурного датчика (аппаратная поддержка в МК), нужно быстродействующее АЦП (от 1МГц и выше) чтобы в нужные моменты измерять токи и т.п. Некоторые STM32 микроконтроллеры годны для того, чтобы сделать «полноценное векторное управление». Но иногда там не хватает количества ШИМов или каналов датчиков положения. Самый богатый выбор motor-control микроконтроллеров дает Texas Instruments — например, серия Piccolo, Delfino.
Для шпинделя промышленного станка, например, нужна высокая частота тока — чуть ли не до килогерца иногда. Соответственно, обсчитывать всю «векторную» надо на 20-30кГц, иначе напряжение не синус будет, а непонятно что. Если это тяговый привод, то там еще больше всего. И частоты там большие на высокой скорости, куча защит, плавающая частота ШИМ от 2 до 20кГц, обязательная тепловая модель как двигателя так и ключей инвертора, чтобы «на низах» работать с перегрузкой несколько крат и ничего не спалить, всевозможные фильтры токов и датчика положения, ограничение мощности при повышении/понижении напряжения звена постоянного тока (мягко, чтобы не было колебаний), а еще АБС/ПБС туда же можно навесить, интерфейсы связи быстродействующие (нужны для получения задания и выдачи телеметрии)…
будут ли статьи про медные роторы? получение, преимущества над алюминиевыми?
Очевидно, это уже слишком специфический материал, чтобы про него делать отдельный общеобразовательный пост. Кроме того, я никаких подробностей про технологию изготовления не знаю. Но там, кажется, ничего необычного. Если это классическая беличья клетка, то берутся медные стержни, вставляются в железо ротора, одеваются кольца… В Тесла, наверное, сделали по-другому, это уже их тогда надо просить статью писать :)
Преимущества очевидны — меньшее удельное сопротивление меди дает меньшие потери в роторе, соответственно, можно допускать более высокие токи. Более высокая температура плавления меди тоже плюс, можно греть ротор сильнее. Минус — медь дороже алюминия. Вот, собственно, и всё.
Преимущества очевидны — меньшее удельное сопротивление меди дает меньшие потери в роторе, соответственно, можно допускать более высокие токи. Более высокая температура плавления меди тоже плюс, можно греть ротор сильнее. Минус — медь дороже алюминия. Вот, собственно, и всё.
Спасибо огромное за статью! Хоть чуть-чуть приблизился к пониманию того, как эффективно управлять электродвигателями.
Я вот о чем подумал. Вы в самом начале привели одну из возможностей закрутить мотор — сначала включить магнитное поле, потом дождаться, пока вихревые токи затухнут из-за сопротивления ротора, и потом, когда внешнее поле снимается — то использовать новые вихревые токи, возникшие в момент отключения.
Интересно, если рассмотреть гипотетический ротор, выполненный из сверхпроводника (или идеального проводника), в котором вихревые токи не затухают вообще — можно ли на его основе сделать асинхронный двигатель? Если да — то как будет отличаться его поведение от обычных асинхронных двигателей? Как будет вести себя отставание магнитного поля ротора от его положения? Может быть, оно станет фиксированным, как у синхронных двигателей?
Эта идея к тому, чтобы дать начальное рассмотрения принципа работы двигателей в идеальном случае сверхпроводящего ротора. Мне этот способ помог понять многие магнитные явления (да и у Сивухина он приводится как один из продуктивных методов понять поведение системы). Потом уже можно учесть сопротивление.
Я вот о чем подумал. Вы в самом начале привели одну из возможностей закрутить мотор — сначала включить магнитное поле, потом дождаться, пока вихревые токи затухнут из-за сопротивления ротора, и потом, когда внешнее поле снимается — то использовать новые вихревые токи, возникшие в момент отключения.
Интересно, если рассмотреть гипотетический ротор, выполненный из сверхпроводника (или идеального проводника), в котором вихревые токи не затухают вообще — можно ли на его основе сделать асинхронный двигатель? Если да — то как будет отличаться его поведение от обычных асинхронных двигателей? Как будет вести себя отставание магнитного поля ротора от его положения? Может быть, оно станет фиксированным, как у синхронных двигателей?
Эта идея к тому, чтобы дать начальное рассмотрения принципа работы двигателей в идеальном случае сверхпроводящего ротора. Мне этот способ помог понять многие магнитные явления (да и у Сивухина он приводится как один из продуктивных методов понять поведение системы). Потом уже можно учесть сопротивление.
Если сделать ротор из сверпроводника, то «намагнитить» его будет невозможно, так как сколько бы времени не прошло, из-за отсутствия оммических потерь вихревые токи будут постоянно циркулировать там. «Временного» магнита не выйдет — как только уберем поле статора, перестанет быть магнитом и ротор. Если заранее создать в сверхпроводнике ток, либо поддерживать его там (как делают в сверхпроводниковых магнитах), то получится не асинхронный, а самый обычный синхронный двигатель. Так как такой ротор будет намагничен с одной определенной полярностью и, опять же, из-за отсутствия потерь, магнит в нем не будет постоянно «плыть» как в асинхроннике. Поэтому к такому двигателю для управления будут применимы все методы, описанные в предыдущей статье для синхронных двигателей.
Спасибо. Да, разумеется, «намагнитить» сверхпроводящий ротор будет невозможно, кроме случая, когда сверхпроводник создается в магнитном поле. Снятие внешнего поля после создания сверхпроводника приводит к наведению в последнем незатухающего вихревого тока и превращает его в постоянный магнит.
Но с постоянным магнитом все понятно — вы рассмотрели этот случай в статье про синхронные двигатели.
Вернемся теперь к случаю, когда исходная сила тока в сверхпроводнике была равна нулю в отсутствие внешнего поля. Можно ли создать на основе такого сверхпроводника двигатель? Я думаю, что можно.
Из общих соображений: есть теорема о сохранении магнитного потока, которая особенно справедлива для сверхпроводников. Сверхпроводящее кольцо будет поддерживать неизменный магнитный поток через себя, компенсируя любые изменения внешнего магнитного поля. И вот, допустим, такое кольцо помещено в катушку. В катушке включается ток, и через катушку создается магнитный поток Ф1. Но из-за влияния кольца, которое держит Ф2=0 внутри себя, магнитное поле катушки будет вытеснено из области, очерченной кольцом, и сосредоточится между ее витками и кольцом. По сравнению со случаем отсутствия кольца мы имеем один и тот же поток Ф1, но проходящий через разные площади: при наличии кольца площадь меньше. Раз площадь меньше — значит выше значение магнитной индукции B. А поскольку энергия магнитного поля пропорциональна B^2 — то энергия при наличии кольца выше, чем при его отсутствии. Следовательно, выталкивание кольца из катушки приводит к уменьшению энергии магнитного поля, которая переходит в кинетическую энергию кольца. Вот вам и движение.
Пока что не могу разобраться, как на основе этого принципа можно сделать индукционный двигатель и будет ли он асинхронным (как и обычные асинхронные) или же синхронным (хотя и индукционным).
Но с постоянным магнитом все понятно — вы рассмотрели этот случай в статье про синхронные двигатели.
Вернемся теперь к случаю, когда исходная сила тока в сверхпроводнике была равна нулю в отсутствие внешнего поля. Можно ли создать на основе такого сверхпроводника двигатель? Я думаю, что можно.
Из общих соображений: есть теорема о сохранении магнитного потока, которая особенно справедлива для сверхпроводников. Сверхпроводящее кольцо будет поддерживать неизменный магнитный поток через себя, компенсируя любые изменения внешнего магнитного поля. И вот, допустим, такое кольцо помещено в катушку. В катушке включается ток, и через катушку создается магнитный поток Ф1. Но из-за влияния кольца, которое держит Ф2=0 внутри себя, магнитное поле катушки будет вытеснено из области, очерченной кольцом, и сосредоточится между ее витками и кольцом. По сравнению со случаем отсутствия кольца мы имеем один и тот же поток Ф1, но проходящий через разные площади: при наличии кольца площадь меньше. Раз площадь меньше — значит выше значение магнитной индукции B. А поскольку энергия магнитного поля пропорциональна B^2 — то энергия при наличии кольца выше, чем при его отсутствии. Следовательно, выталкивание кольца из катушки приводит к уменьшению энергии магнитного поля, которая переходит в кинетическую энергию кольца. Вот вам и движение.
Пока что не могу разобраться, как на основе этого принципа можно сделать индукционный двигатель и будет ли он асинхронным (как и обычные асинхронные) или же синхронным (хотя и индукционным).
Хм, да, мне показалось этой интересной теоретической загадкой. То, что движение таким путем создать можно, следует хотя бы из опыта левитации сверхпроводника в магнитном поле — если магнитное поле выключать/включать, то сверхпроводник, судя по всему, будет туда-сюда подпрыгивать.
Но взаимодействие здесь получается не… магнита с магнитом, как в обычном случае в электродвигателях, а… взаимодействие со штукой, которая искажает линии магнитного поля, заставляя их идти не по тому маршруту, по которому им было бы энергетически выгодно.
Здесь можно сравнить этот эффект с внесением в магнитное поле магнитопровода. Если к катушке с проводом подносить магнитопровод, то магнитопровод будет втягиваться в катушку, так как линиям магнитного поля будет выгодно замыкаться более коротким путем через железо, чем через воздух. Аналогичным образом поднесение сверхпроводника будет его выталкивать, так как линиям магнитного поля будет невыгодно замыкаться по более далекому пути. Т.е. сверхпроводник тут работает как «антимагнитопровод».
Исходя из этого видится подходящий для этого класс двигателей — вентильно-индукторные, но иностранное название здесь подходит для объяснения лучше — Switched reluctance drives (SRD), т.е. двигатели, основанные на изменении магнитного сопротивления. В таких двигателях изменение магнитного сопротивления делается за счет зубцов на роторе и статоре, уменьшая и увеличивая воздушный зазор, т.е. меняя магнитное сопротивление от состояния «как у железа» до состояния «как у воздуха». В случае же со сверхпроводником магнитное сопротивление будет меняться от состояния «как у воздуха» до… бесконечности, видимо, так как магнитное поле через сверхпроводник не идет. Но принцип образования момента будет схож с SRD. Как-то примерно так на мой взгляд.
Но взаимодействие здесь получается не… магнита с магнитом, как в обычном случае в электродвигателях, а… взаимодействие со штукой, которая искажает линии магнитного поля, заставляя их идти не по тому маршруту, по которому им было бы энергетически выгодно.
Здесь можно сравнить этот эффект с внесением в магнитное поле магнитопровода. Если к катушке с проводом подносить магнитопровод, то магнитопровод будет втягиваться в катушку, так как линиям магнитного поля будет выгодно замыкаться более коротким путем через железо, чем через воздух. Аналогичным образом поднесение сверхпроводника будет его выталкивать, так как линиям магнитного поля будет невыгодно замыкаться по более далекому пути. Т.е. сверхпроводник тут работает как «антимагнитопровод».
Исходя из этого видится подходящий для этого класс двигателей — вентильно-индукторные, но иностранное название здесь подходит для объяснения лучше — Switched reluctance drives (SRD), т.е. двигатели, основанные на изменении магнитного сопротивления. В таких двигателях изменение магнитного сопротивления делается за счет зубцов на роторе и статоре, уменьшая и увеличивая воздушный зазор, т.е. меняя магнитное сопротивление от состояния «как у железа» до состояния «как у воздуха». В случае же со сверхпроводником магнитное сопротивление будет меняться от состояния «как у воздуха» до… бесконечности, видимо, так как магнитное поле через сверхпроводник не идет. Но принцип образования момента будет схож с SRD. Как-то примерно так на мой взгляд.
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий
Векторное управление для асинхронного электродвигателя «на пальцах»