ANALIZA STEROWANIA WEKTOROWEGO NAPĘDEM INDUKCYJNYM Z PRZEKSZTAŁTNIKIEM DWUSTRONNYM AC/DC/AC W STANACH PRACY SILNIKOWEJ I HAMOWANIA ODZYSKOWEGO

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 58 Politechniki Wrocławskiej Nr 58 Studia i Materiały Nr * * Michał KNAPCZYKF F, Krzysztof PIEŃKOWSKIF przekształtnik dwustronny AC/DC/AC, prostownik PWM, silnik indukcyjny, sterowanie wektorowe, hamowanie odzyskowe, analiza ANALIZA STEROWANIA WEKTOROWEGO NAPĘDEM INDUKCYJNYM Z PRZEKSZTAŁTNIKIEM DWUSTRONNYM AC/DC/AC W STANACH PRACY SILNIKOWEJ I HAMOWANIA ODZYSKOWEGO Artykuł prezentuje analizę stanów pracy wektorowego układu sterowania napędem indukcyjnym zasilanym z przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC. Zastosowany układ przekształtnikowy zapewnia wielostopniowe przetwarzanie energii elektrycznej z możliwością jej dwukierunkowego przepływu. W układzie przekształtnikowym AC/DC/AC występują następujące przekształtniki: przekształtnik sieciowy AC/DC- nazywany również prostownikiem PWM i przekształtnik silnikowy DC/AC wykonany jako układ falownika napięcia (VSI). Przedstawiono schemat układu jednoczesnego sterowania przekształtnikiem sieciowym AC/DC i przekształtnikiem silnikowym DC/AC w oparciu o metody: bezpośredniego sterowania mocą przekształtnika (VF-DPC) i bezpośredniego sterowania momentem i strumieniem silnika indukcyjnego (DTC). Przedstawiono wybrane wyniki badań symulacyjnych wymienionych metod sterowania przekształtnikiem AC/DC/AC w stanie pracy silnikowej i hamowania odzyskowego ze zwrotem energii do sieci zasilającej. 1. WSTĘP Silniki indukcyjne klatkowe ze względu na prostą konstrukcję, dużą niezawodność, możliwość pracy w trudnych warunkach środowiskowych oraz niskie koszty produkcji i eksploatacji stanowią obecnie najczęściej stosowany napęd elektryczny wielu maszyn roboczych. Do sterowania prędkością kątową tych silników są stosowane różnego rodzaju przekształtniki energoelektroniczne. Jednym z wielu wymagań stawianym nowoczesnym układom przekształtnikowym z silnikami indukcyjnymi jest * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Wrocław, ul. Smoluchowskiego 19, michal.knapczyk@pwr.wroc.pl, krzysztof.pienkowski@pwr.wroc.pl.

2 zapewnienie możliwości hamowania elektrycznego. Powszechne dążenie producentów do zwiększenia efektywności procesów technologicznych stymuluje ciągły rozwój zaawansowanych metod i układów hamowania elektrycznego. Zastosowanie układów hamowania elektrycznego silnika napędowego pozwala skrócić czas trwania procesów elektromechanicznych. Powoduje to zwiększenie wydajności maszyny roboczej i zmniejszenie kosztów produkcji [6]. Obecnie są intensywnie rozwijane układy hamowania odzyskowego, umożliwiające odzyskiwanie energii hamowania i jej zwrot do źródła zasilania. Opracowywane są różne topologie układów hamowania odzyskowego z zastosowaniem specjalnej konstrukcji przekształtników energoelektronicznych, zapewniających możliwość dwukierunkowego przepływu energii elektrycznej oraz metody sterowania tymi przekształtnikami [1,2,3,4,7,8,9,10]. 2. UKŁAD TOPOLOGICZNY I ZASADA DZIAŁANIA DWUSTRONNEGO PRZEKSZTAŁTNIKA AC/DC/AC Układy napędowe z silnikami indukcyjnymi klatkowymi, zasilanymi przez falowniki napięcia, stanowią obecnie największą grupę regulowanych napędów prądu przemiennego stosowanych w przemyśle. Falownik napięcia stanowi integralną część topologiczną przetwornicy częstotliwości i zapewnia możliwość sterowania przepływem energii elektrycznej i momentem elektromagnetycznym silnika. Rys. 1. Typowy przekształtnik AC/DC/AC z prostownikiem diodowym i przekształtnikiem tyrystorowym do zwrotu energii hamowania do sieci Fig. 1. Typical AC/DC/AC converter with the diode rectifier and the thyristor converter for returning energy of braking back to the mains Podczas hamowania energia kinetyczna wirującego wału po zamianie w silniku na energię elektryczną jest przekazywana do obwodu pośredniczącego przetwornicy czę-

3 stotliwości i gromadzona w kondensatorze dołączonym do tego obwodu. Gdy wartości tej energii są duże, konieczne jest przekazanie jej do innych obwodów. W przeciwnym wypadku może wystąpić nadmierny wzrost napięcia w obwodzie pośredniczącym, niebezpieczny dla elementów układu energoelektronicznego i obwodów silnika. W klasycznych przekształtnikach AC/DC/DC stosowany jest dodatkowy prostownik tyrystorowy o komutacji sieciowej (rys. 1). Podczas hamowania prostownik ten znajduje się w stanie pracy falownikowej, umożliwiając zwrot energii do sieci [6,7]. Najbardziej korzystnym rozwiązaniem, z technicznych i ekonomicznych względów, jest zastosowanie przekształtnika sieciowego AC/DC o dwukierunkowym przepływie energii. Przekształtnik ten, nazywany prostownikiem PWM, jest urządzeniem energoelektronicznym o komutacji wewnętrznej i sterowaniu impulsowym [3,7,9]. Rys. 2. Przekształtnik AC/DC/AC z prostownikiem PWM o dwukierunkowym przepływie energii Fig. 2. The AC/DC/AC converter with the PWM reversible rectifier Przekształtnik sieciowy AC/DC wraz z odpowiednim układem sterowania zapewnia pobór prądów z sieci zasilającej, zbliżonych kształtem do przebiegów sinusoidalnych, praktycznie bez poboru mocy biernej (współczynnik mocy cos(ϕ) bliski jedności). W światowej literaturze technicznej opisano różne metody sterowania przekształtnikami sieciowymi AC/DC [3,4,8]. Ze względu na podobieństwo topologii układu prostownika PWM i falownika napięcia jest celowe zastosowanie podobnych metod sterowania do obu przekształtników w przetwornicy częstotliwości. Zasada sterowania przekształtnika AC/DC może być oparta na zastosowaniu algorytmu wykorzystywanego w metodzie bezpośredniego sterowania momentem i strumieniem silnika indukcyjnego, znanej jako metoda DTC (Direct Torque Control). Ze względu na wybór innych zmiennych stanu do sterowania prostownikiem PWM metodę regulacji tym przekształtnikiem nazywa się bezpośrednim sterowaniem mocą VF-DPC (Virtual Flux Based Direct Power Control).

4 3. UKŁAD STEROWANIA WEKTOROWEGO PRZEKSZTAŁTNIKA DWUSTRONNEGO AC/DC/AC Schemat blokowy układu sterowania przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC przedstawiono na rys.3. Rys. 3. Schemat układu sterowania przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC z zastosowaniem metody VF-DPC i DTC Fig. 3. Virtual Flux based Direct Power Control and Direct Torque Control of AC/DC/AC double-sided converter Do realizacji zadań regulacji zastosowano metodę DTC w układzie sterowania falownikiem napięcia. Układ regulacji prostownika PWM realizował metodę bezpośredniego sterowania mocą VF-DPC. Analiza stanów pracy przekształtnika sieciowego AC/DC z zastosowaniem metody bezpośredniego sterowania mocą wykazuje szereg korzystnych właściwości tej metody regulacji [3, 4]. W metodzie VF-DPC wektor wirtualnego strumienia sieci jest obliczany według następującego równania macierzowego:

5 Ψ g updt + L = gi g (1) gdzie u p = [u pα, u pβ ] T macierz składowych wektora napięcia wejściowego przekształtnika, zależnych od stanów kluczy S a, S b, S c i wartości napięcia U dc ; i g = [i gα, i gβ ] T macierz składowych wektora prądu sieci zasilającej [3]. Na podstawie znajomości estymowanych wartości wektora wirtualnego strumienia sieci (1) i mierzonych prądów sieciowych i g estymowane są chwilowe wartości mocy czynnej i biernej, według zależności (2), przy założeniu stałej wartości częstotliwości sieci ω g. p = ω q = ω ( Ψgαigβ Ψgβ igα ) Ψ i + Ψ i ) g g ( gα gα gβ gβ Wartości sygnałów wyjściowych regulatorów histerezowych mocy czynnej p i mocy biernej q wraz z numerem sektora, w którym aktualnie znajduje się wektor wirtualnego strumienia sieci Ψ g, określają położenie wektora napięcia przekształtnika u p w tablicy przełączeń (rys. 3). Zasada bezpośredniego sterowania momentem i strumieniem silnika indukcyjnego (DTC) opiera się na regulacji chwilowych wartości kąta δ między wektorami strumienia stojana Ψ s i strumienia wirnika Ψ r [6]. Zasadę tą opisuje następująca zależność: (2) M e Lm = ΨrΨs sinδ (3) L L r σ W celu polepszenia właściwości dynamicznych pętli regulacji napięcia stałego obwodu pośredniczącego U dc przekształtnika AC/DC/AC wprowadzono dodatkowy tor sygnałowy mocy elektromagnetycznej silnika p e estymowanej według zależności (4). p = ω (4) e M e Chwilowe wartości strumienia stojana i momentu elektromagnetycznego silnika niezbędne do prawidłowego procesu sterowania według metody DTC mogą być pozyskiwane jedną z wielu metod estymacji, analizowanych i opisywanych szczegółowo w literaturze [6]. W badaniach zastosowano symulator tych wartości. m 4. WYBRANE WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH

6 Badania symulacyjne zostały przeprowadzone dla układu sterowania przekształtnikiem dwustronnym AC/DC/AC przedstawionego na rys. 3. Parametry silnika indukcyjnego, sieci zasilającej i obwodu pośredniczącego zastosowane w badaniach zamieszczono w tabeli 1. Tabela. 1. Parametry modelu symulacyjnego Table 1. Parameters of the simulation model Parametry silnika indukcyjnego klatkowego: P N = 10 kw J = 0,067 kg m 2 U 1fN = 220 V R s = 0,4937 Ω I 1fN = 20,5 A R r = 0,3756 Ω ω N = 152 rad/s L sσ = L rσ = 2,9mH p b = 2 L m = 51,9mH Parametry sieci zasilającej i obwodu DC: e g = 230 V L g = 30mH f g = 50 Hz C d = 15mF R g = 0,1 Ω Analizowano zachowanie układu symulacyjnego przy rozruchu, przy skokowym obciążeniu silnika i przy zwrocie energii do sieci. Na rys. 4 przedstawiono przebieg prędkości kątowej przy łagodnym rozruchu częstotliwościowym oraz zmianach wartości i kierunku momentu obciążenia silnika. Układ sterowania falownikiem napięcia utrzymuje zadaną wartość prędkości kątowej ω ref = 100 rad/s. Rys. 4. Prędkość kątowa silnika przy rozruchu i skokowych zmianach obciążenia silnika Fig. 4. Rotor angular velocity by start-up and under step changes of the motor load Ze względu na częstotliwościowy charakter rozruchu silnika wartość średnia momentu elektromagnetycznego m e została ograniczona do wartości równej ok. połowie

7 wartości momentu znamionowego silnika (rys. 5). Silnik został obciążony momentem znamionowym M obc = 65 Nm, a następnie zmieniono kierunek działania momentu obciążenia, wprowadzając układ napędowy w stan hamowania odzyskowego. Rys. 5. Moment elektromagnetyczny silnika przy rozruchu i skokowych zmianach obciążenia silnika Fig. 5. Electromagnetic torque by start-up and under step changes of the motor load Przebiegi napięcia fazowego stojana u sa i prądu silnika i sa przedstawia rys. 6. Prąd i sa charakteryzuje się kształtem zbliżonym do przebiegu sinusoidalnego, natomiast napięcie fazowe stojana u sa jest ciągiem impulsów o modulowanej szerokości. Rys. 6. Napięcie fazowe i prąd stojana w stanie pracy silnikowej i hamowania odzyskowego Fig. 6. Stator voltage and stator current under drive mode and regenerative braking

8 Przy zastosowaniu modulacji szerokości impulsów napięcia wyjściowego przekształtnika silnikowego DC/AC składowe prostokątne alfa i beta wektora strumienia stojana charakteryzują się przebiegami zbliżonymi do sinusoidy. Z tego względu koniec wektora strumienia stojana porusza się z prędkością synchroniczną po trajektorii zbliżonej do okręgu (rys. 7). Rys. 7. Hodograf wektora strumienia stojana Fig. 7. Stator flux vector hodograph Rys. 8. a) Napięcie obwodu pośredniczącego przy rozruchu i skokowych zmianach obciążenia silnika; b) Prąd obwodu pośredniczącego przy rozruchu i skokowej zmianie obciążenia silnika Fig. 8. a) DC-link voltage by start-up and under step changes of the motor load; b) DC-link current by start-up and under the step change of the motor load Nadrzędny tor regulacji napięcia stałego z regulatorem PI utrzymuje wartość napięcia obwodu pośredniczącego przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC na zada-

9 nym poziomie U dc = 600 V (rys. 8a). Przebieg prądu stałego I dc w obwodzie pośredniczącym w różnych stanach pracy napędu przekształtnikowego przedstawia rys. 8b. Rys. 9. a) Napięcie i prąd sieci przy przejściu układu do hamowania odzyskowego; b) Współczynnik mocy cos(ϕ)przejściu układu do hamowania odzyskowego Fig. 9. a) Line voltage and current by getting into regenerative braking mode; b) Power factor cos(ϕ)by getting into regenerative braking mode Rys. 10. Moc czynna sieci i moc na wale przy rozruchu i skokowych zmianach obciążenia silnika Fig. 10. Line active power and shaft power by start-up and under step changes of the motor load Na rys. 9a przedstawiono przebiegi napięcia sieci zasilającej i prądu pobieranego przez przekształtnik AC/DC/AC. Prąd przewodowy sieci zasilającej i ga charakteryzuje się przebiegiem zbliżonym kształtem do sinusoidalnego i w stanie pracy silnikowej jest w fazie z napięciem fazowym sieci e ga (cos(ϕ) = 1). W stanie hamowania odzy-

10 skowego współczynnik mocy cos(ϕ) ma znak ujemny (rys. 9b), a nadmiar mocy mechanicznej, po konwersji w przekształtniku dwustronnym AC/DC/AC na moc elektryczną, zwracany jest do sieci. Dla zapewnienia jednostkowego współczynnika mocy wymaga się utrzymania zerowej wartości mocy biernej q (rys. 10). Rys. 11. Napięcie obwodu pośredniczącego przy rozruchu i skokowych zmianach obciążenia silnika- (1) bez dodatkowego toru sygnału estymowanej mocy mechanicznej (łącznik A otwarty, rys.3.); (2) z dodatkowym torem sygnału estymowanej mocy mechanicznej (łącznik A zamknięty, rys.3.); - dla jednakowych wartości nastaw regulatora napięcia RU typu PI Fig. 11. DC-link voltage by start-up and under step changes of the motor load - (1) without the additional estimated shaft power feed-forward signal (switch A off, fig.3.); (2) with the additional estimated shaft power feed-forward signal (switch A on, fig.3.); for the same voltage controller RU (PI type) values of parameters W układzie regulacji przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC wprowadzono dodatkowy tor sygnałowy estymowanej mocy elektromagnetycznej silnika indukcyjnego (rys. 3). Zapewniło to możliwość polepszenia dynamiki działania toru regulacji napięcia stałego obwodu pośredniczącego. Na rys. 10 przedstawiono przebiegi napięcia stałego U dc w przypadku braku i przy obecności dodatkowego toru sygnału estymowanej mocy elektromagnetycznej silnika p e. Zmienna częstotliwość łączeń tranzystorów IGBT przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC jest wynikiem zastosowania w układzie sterowania tablic wyboru wektora napięcia prostownika PWM i falownika napięcia (rys. 12).

11 Rys. 12. Częstotliwość łączeń kluczy przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC Fig. 12. Switching frequency of power devices of the AC/DC/AC double-sided converter 4. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono analizę sterowania wektorowego napędem indukcyjnym z przetwornicą częstotliwości w układzie dwustronnego przekształtnika AC/DC/AC. Zastosowanie przekształtnika dwustronnego zapewnia czterokwadrantową pracę układu napędowego z możliwością zwrotu energii hamowania do sieci zasilającej. Dwustronnie modulowany przekształtnik AC/DC/AC przy zastosowaniu odpowiednich metod sterowania zapewnia pobór prądów sieci o przebiegach kształtem zbliżonych do sinusoidy. Jednocześnie układ sterowania zapewnia możliwość pracy przekształtnika przy dowolnie nastawianej wartości współczynnika mocy cos(ϕ). Wówczas układ napędowy charakteryzuje się właściwościami kompensacyjnymi mocy biernej pobieranych przez odbiorniki zainstalowane w pobliżu. Metody bezpośredniego sterowania mocą przekształtnika (VF-DPC) i bezpośredniego sterowania momentem i strumieniem silnika indukcyjnego (DTC) nie wymagają stosowania układów transformacji współrzędnych i nie posiadają wewnętrznych pętli sprzężenia prądowego. To powoduje uproszczenie struktury regulacji i zmniejszenie kosztów układu. Układ przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC znajduje zastosowanie przede wszystkim w napędach szynowych pojazdów trakcyjnych, maszyn wyciągowych (wind, dźwignic i dźwigów) oraz przenośników taśmowych. Ze względu na intensywne zwiększenie zastosowań przekształtnikowych układów napędowych z możliwością hamowania odzyskowego jest celowe kontynuowanie dalszych prac, dotyczących analizy teoretycznej i badań energoelektronicznych układów zasilania o dwukierunkowym przepływie energii elektrycznej.

12 LITERATURA [1] JASIŃSKI M., KAŹMIERKOWSKI M. P., ŻELECHOWSKI M., Direct Power and Torque Control Scheme for Space Vector Modulated AC/DC/AC Converter-Fed Induction Motor, XVI International Conference on Electrical Machines ICM 2004, Cracow, [2] KNAPCZYK M., PIEŃKOWSKI K., Analiza nieliniowych metod sterowania przekształtnikiem sieciowym AC/DC, Materiały Konferencyjne XIV Seminarium Technicznego KOMEL, Ustroń Jaszowiec, [3] KNAPCZYK M., PIEŃKOWSKI K., Bezczujnikowe metody sterowania przekształtnikami sieciowym AC/DC o dwukierunkowym przepływie energii, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 56, Studia i Materiały, Nr 24, Wrocław, [4] MALINOWSKI M., Sensorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifiers, Ph.D.Thesis, Warsaw University of Technology, Warsaw, [5] MALINOWSKI M., KAŹMIERKOWSKI M. P., HANSEN S., BLAABJERG F., MARQUES G. D., Virtual-Flux-Based Direct Power Control of Three-Phase PWM Rectifiers, IEEE Transactions on industry applications, vol.37, no.4, July/August [6] ORŁOWSKA-KOWALSKA T., Bezczujnikowe układy napędowe z silnikami indukcyjnymi, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, [7] PIEŃKOWSKI K., Analiza układów hamowania elektrycznego silników indukcyjnych klatkowych z przekształtnikami energoelektronicznymi, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 52, Monografie, Nr 15, Wrocław, [8] PIEŃKOWSKI K., KNAPCZYK M., Przekształtniki energoelektroniczne AC/DC/AC i AC/AC układy topologiczne i sterowanie, Materiały Konferencyjne XIV Seminarium Technicznego KOMEL, Ustroń Jaszowiec, [9] PÖLLÄNEN R., Converter-Flux-Based Current Control of Voltage Source PWM Rectifiers Analysis and Implementation, Ph.D.Thesis, Lappeenranta University of Technology, Lappeenranta, [10] SINGH B., SINGH B. N., CHANDRA A., AL-HADDAD K., PANDEY A., KOTHARI D. P., A Review of Three-Phase Improved Power Quality AC-DC Converters, IEEE Transactions on industrial electronics, vol.51, no.3, June ANALYSIS OF VECTOR CONTROL SYSTEM OF INDUCTION DRIVE WITH AC/DC/AC DOUBLE-SIDED CONVERTER IN DRIVING- AND REGENERATIVE BRAKING-MODE The paper presents an analysis of vector control system of induction drive witch AC/DC/AC doublesided converter. In particular the start-up, driving-mode and regenerative braking-mode of the drive system were examined and discussed. Virtual Flux based Direct Power Control (VF-DPC) of AC/DC line-side converter and Direct Torque Control of DC/AC motor-side converter were proposed and described. The drive system analysis based on computer simulations is carried out. The main task of the line-side converter control system is to maintain the required value of the dc-link voltage, while line currents should be almost sinusoidal and in phase with respective phase line voltages to satisfy the unity power factor condition. Direct Torque Control was chosen as a precise and not complicated control strategy of induction motor fed by Voltage Source Inverter. Both control structures bounded up into one control system of the AC/DC/AC double-sided converter - provide excellent dynamics in four-quadrant operation with returning energy of braking back to the mains.