ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ И ПИД-РЕГУЛЯТОР

Практически все преобразователи частоты оснащены ПИД- регулятором, который расшифровывается, как пропорционально- интегрально-дифференциальный регулятор. ПИД-регулятор является одним из основных узлов замкнутой системы регулирования: давления, расхода, уровня, скорости, положения, температуры и т.д.

В самом простом варианте ПИД-регулятор имеет два входа. На один вход поступает сигнал задания величины параметра технологического процесса, этот сигнал задания еще называют «уставкой». На второй вход ПИД-регулятора преобразователя частоты поступает сигнал обратной связи. В зависимости от величины и знака рассогласования между этими сигналами на выходе ПИД-регулятора формируется сигнал, который изменяет выходную частоту преобразователя частоты таким образом, чтобы заданное значение технологического параметра поддерживалось с заданной точностью и с заданным качеством.

Например, если давление в водопроводе будет меньшим, нежели мы задали, то ПИД-регулятор увеличит выходную частоту преобразователя частоты, что приведет к увеличению скорости и, соответственно, производительности насоса и давление в системе начнет увеличиваться. Если же давление будет больше величины уставки, то ПИД-регулятор уменьшит выходную частоту и давление уменьшится. Это самое простое объяснение принципа работы ПИД-регулятора, хотя в действительности необходимо учитывать еще некоторые моменты, которые мы рассмотрим ниже.

Выходной сигнал ПИД-регулятора преобразователя частоты состоит из суммы трех составляющих: пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющей. О пропорциональной составляющей мы упоминали выше – это рассогласование между величиной уставки и сигналом обратной связи. Не вдаваясь в подробности, просто примем к сведению, что при использовании только пропорциональной составляющей всегда будет иметь место статическая ошибка. Например, в замкнутой системе поддержания давления в системе водоснабжения реальное давление будет меньше заданного. Для того, чтобы уменьшить статическую ошибку необходимо увеличить коэффициент усиления П-регулятора.

Однако чрезмерное увеличение коэффициента усиления пропорционального регулятора преобразователя частоты приводит к автоколебаниям и к неустойчивой работе замкнутой системы регулирования. Поэтому на практике поступают следующим образом: увеличивают коэффициент усиления пропорциональной составляющей до появления автоколебаний, и после этого уменьшают этот коэффициент на 20 – 30%. Для устранения статической ошибки используют интегральный регулятор, в котором, изменяя время интегрирования, получают требуемую точность и качество регулирования.

Что касается дифференциальной составляющей ПИД-регулятора преобразователя частоты, то она используется только в высоко динамичных системах регулирования скорости, положения, синхронизации и т.д. Поэтому во многих преобразователях частоты используются только ПИ-регуляторы, которых вполне достаточно для решения большинства задач, возникающих в замкнутых системах регулирования.

Мы привыкли к тому, что системы управления современных преобразователей частоты, в том числе и ПИД-регуляторы, реализованы на микропроцессорной технике. Однако ПИД-регуляторы могут быть не только цифровыми, но и аналоговыми, о которых буквально несколько слов. В свое время автор этих строк занимался разработкой ПИД-регуляторов на операционных усилителях для прецизионных лентопротяжных механизмов. И вот, один главный-конструктор, программист по образованию, не мог терпеть аналоговую схемотехнику и решил разработать цифровой регулятор скорости. Где-то с полгода его программисты «возились» с цифровым ПИД-регулятором и в конце концов этот главный-конструктор вынужден был обратиться к нам, потому, что его цифровой регулятор скорости не обеспечивал необходимое качество регулирования.

Буквально через неделю мы разработали, изготовили и настроили аналоговый регулятор скорости, который удовлетворял все требования технического задания. И каково же было удивление этого главного-конструктора, когда он увидел, что регулятор скорости был реализован буквально на одном операционном усилителе. Однако это совсем не говорит о том, что его программисты были плохими, а мы «крутыми», просто при подходе к выбору схемотехнического решения не было учтено одно очень важное обстоятельство, о котором очень коротко в следующем абзаце.

При регулировании скорости может оказаться так, что скорость двигателя будет поддерживаться с заданной точностью, но несколько оборотов будет с большой скоростью, а несколько с меньшей. Или пол-оборота с большей, а пол-оборота с меньшей скоростью, а в сумме получается требуемая точность. Для прецизионных механизмов важна не только точность поддержания скорости, но и коэффициент нестабильности скорости, который как раз и показывает, как изменяется скорость в течение одного оборота. Для того, чтобы ПИД-регулятор мог эффективно реагировать на самые малые изменения скорости ему нужен сигнал обратной связи, точность измерения скорости которого на порядок выше требуемого коэффициента нестабильности скорости.

Вот именно поэтому в регуляторах скорости в качестве датчика обратной связи используются цифровые датчики скорости с высокой разрешающей способностью, которые еще называют энкодерами. А теперь давайте, обратим внимание на время, через которое микропроцессор ПИД-регулятора будет считывать показания датчика скорости. В современном «навороченном» преобразователе частоты FC 302 компании Данфосс время сканирования на вход составляет одна миллисекунда (1 ms), в более старых разработках – 10 ms. Я не думаю, что в те далекие времена, когда главный-конструктор пытался разработать цифровой регулятор скорости, время сканирования на вход было меньшим 10 ms и для примера возьмем именно 10 ms. Пусть двигатель вращается со скоростью 10 оборотов за секунду, тогда время, в течение которого двигатель сделает один оборот, составит 100 ms.

Не сложно подсчитать, что 10% времени контроллер ПИД-регулятора «не видит» датчика скорости, а это значит, что какими бы «крутыми» небыли программисты, какую б высокую разрешающую способность не имел энкодер, а получить коэффициент нестабильности скорости меньше 10% не получится. Вот именно поэтому у того главного-конструктора цифровой регулятор скорости не смог обеспечить требуемое качество регулирования. В аналоговом регуляторе скорости «обрабатывается» каждый импульс энкодера, что позволят получить более высокое качество регулирования скорости.

Некоторые разработчики шкафов управления используют внешний ПИД-регулятор, хотя преобразователи частоты имеют штатные ПИД-регуляторы, которые ничем не хуже, а в большинстве случаев намного лучше внешних. А некоторые преобразователи частоты вообще имеют функцию автоматической настройки ПИД-регулятора, что само по себе очень удобно для потребителя. Использование внешних регуляторов только удорожает частотно-регулируемый электропривод на базе преобразователей частоты и может быть использовано только в тех случаях, когда внешний контроллер, на котором реализован ПИД-регулятор, обрабатывает не только сигнал обратной связи, но и еще какие-то сигналы, которые каким-то образом влияют на качество регулирования.

В системах автоматического регулирования с очень большой постоянной времени может оказаться, что штатный ПИД-регулятор будет работать неудовлетворительно. Например, на очистных сооружениях с помощью преобразователя частоты регулируют производительность воздуходувки для поддержания оптимального уровня кислорода в воде, при котором аэробные бактерии «работают» наиболее эффективно. Если в качестве обратной связи использовать датчик содержания кислорода в воде, то обычный ПИД-регулятор будет работать практически в старт/стопном режиме. То есть, при пониженном содержании кислорода ПИД-регулятор повысит скорость воздуходувки до номинальной, на которой она будет работать достаточно длительное время, ведь вода насыщается кислородом очень медленно. Как только уровень кислорода достигнет заданного значения – то воздуходувка остановится. Такой режим работы частотно-регулируемого электропривода не дает экономии электроэнергии и в таких случаях использование внешнего контроллера, на котором реализованы совсем другие подходы к регулированию, оправдано.

В заключение хочу сказать, что все преобразователи частоты и все их ПИД-регуляторы в той или в иной мере хороши, но при их покупке не ставьте во главу угла минимальную стоимость, а в первую очередь оценивайте их технические характеристики. Может оказаться, что очень хороший преобразователь частоты на «три копейки» дороже, но он окупится быстрее и даст большую экономию электроэнергии. Покупайте преобразователи частоты в нашем сервисном центре – и дешевле и надежнее.