KOMPENSACJA USZKODZEŃ WYBRANYCH CZUJNIKÓW POMIAROWYCH W UKŁADACH NAPĘDOWYCH Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM POPRZEZ REDUNDANCJĘ SPRZĘTOWĄ

Transkrypt

1 Prace Naukowe Intytutu Mazyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 70 Politechniki Wrocławkiej Nr 70 Studia i Materiały Nr Kamil KLIMKOWSKI* ilnik indukcyjny, napęd elektryczny, enkoder, czujnik prądu, fault tolerant, FTC, czujniki pomiarowe, detekcja uzkodzeń KOMPENSACJA USZKODZEŃ WYBRANYCH CZUJNIKÓW POMIAROWYCH W UKŁADACH NAPĘDOWYCH Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM POPRZEZ REDUNDANCJĘ SPRZĘTOWĄ W artykule opiano zagadnienie identyfikacji uzkodzeń czujników prądu tojana oraz prędkości kątowej w układach wektorowego terowania polowo zorientowanego (DRFOC) ilnikiem indukcyjnym. Przedtawiono wpływ uzkodzeń tych czujników na pracę napędu oraz zaproponowano algorytm ich detekcji. Opracowano trukturę napędu odpornego na uzkodzenia tych elementów opartego na redundancji przętowej. Badania ymulacyjne wykonano w środowiku Matlab/SimPowerSytem. 1. WPROWADZENIE W celu zapewnienia bezpiecznego i prawnego funkcjonowania nowoczenych układów napędowych wektorowych z ilnikami indukcyjnymi wymagane ą układy pomiarowe podtawowych zmiennych tanu. Projektowane i wdrażane ą ytemy pozbawione wybranych przężeń zwrotnych, a brakujące ygnały (trumień tojana, wirnika, moment elektromagnetyczny, prędkość kątowa wirnika) mogą być etymowane na podtawie ygnałów z itniejących przężeń [1] [3]. Może to być realizowane przy wykorzytaniu ymulatorów, oberwatorów zmiennych tanu, Filtrów Kalmana czy ieci neuronowych [1], [2], [8], [10]. W związku z tym, że rozwiązania te wymagają prawidłowego działania czujników pomiarowych, układy napędowe powinny poiadać dodatkowe ytemy diagnotyki, aby zapobiegać ich nagłym uzkodzeniom w intalacjach przemyłowych [5] [7]. * Politechnika Wrocławka, Katedra Mazyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowkiego 19, Wrocław, kamil.klimkowki@pwr.edu.pl

2 145 Więkzość dotępnych obecnie publikacji z tematyki ytemów FTC (Fault Tolerant Control) odnoi ię do uzkodzeń jednego czujnika pomiarowego w danym cyklu pracy napędu [12] [14]. Głównym celem artykułu jet przetetowanie algorytmu wykrywania awarii dwóch czujników (prędkości kątowej i prądu tojana) oraz przedtawienie układu odpornego na te uzkodzenia opartego na redundancji przętowej. Zawarte wyniki dotyczą truktury wektorowego terowania polowo zorientowanego ilnikiem indukcyjnym i zotały zrealizowane w środowiku MATLAB/SimPowerSytem. 2. MODEL MATEMATYCZNY UKŁADÓW STEROWANIA Jedną z najprotzych metod terowania ilnikiem indukcyjnym jet terowanie kalarne, w którym wykorzytuje ię zależności obowiązujące dla tanów utalonych pracy mazyny. Układ terowania nie oddziałuje na wzajemne położenie wektorów prądów i trumieni kojarzonych i tym amym nie ma możliwości prawidłowej kontroli proceów przejściowych w takim napędzie. W układzie terowania kalarnego U/f = cont tabilizacja trumienia magnetycznego w ilniku uzykiwana jet na podtawie proporcjonalnej zmiany wartości napięcia i czętotliwości zailania tj. przez utrzymanie tałego tounku U/f [4]. Wadą terowania kalarnego jet brak kontroli ilnika w tanach przejściowych nad itotnymi wielkościami ilnika takimi jak m.in. prąd, moment elektromagnetyczny czy trumień magnetyczny [4]. Realizacja takiego układu może odbywać ię w pętli otwartej, tj. bez przężeń zwrotnych, oraz zamkniętej z obwodem regulacji prędkości. Na ryunku 1 przedtawiono chemat blokowy truktury terowania w zamkniętym układzie regulacji prędkości ilnika indukcyjnego określonego zależnością (1) [4]: u r = x x 1 xr ωωrσ r rr 2 x + ω σx 1 r + ωr rr r 2 x + ωr r gdzie: x r, x reaktancja włana uzwojenia wirnika i tojana, ω r pulacja w wirniku, pulacja poślizgu, ω pulacja w tojanie, r r, r rezytancja uzwojenia wirnika x 2 m i tojana, σ = 1 wpółczynnik całkowitego rozprozenia mazyny. x x r Zaletą metod kalarnych jet wykorzytywanie jednego czujnika prędkości, bądź żadnego w przypadku terowania w otwartej pętli. Pozwala to na prawidłową pracę napędu w chwili uzkodzenia jakiegokolwiek czujnika pomiarowego. r r 2 (1)

3 146 Ry. 1. Struktura terowania u = f(ω, ω r ) w otwartym (linia przerywana) i zamkniętym (linia ciągła) układzie regulacji prędkości ilnika indukcyjnego [4] Ry. 2. Struktura układu bezpośredniego terowania polowo zorientowanego DRFOC ilnikiem indukcyjnym

4 147 Kolejną trukturą terowania wykorzytaną w niniejzej pracy jet metoda terowania DRFOC. Jej idea polega na wymuzeniu w zamkniętej trukturze terowania polowo zorientowanych kładowych wektora prądu tojana i x oraz i y, które kztałtują trumień wirnika i moment elektromagnetyczny. Schemat blokowy truktury DRFOC przedtawiono na ry. 2. Szczegółowy opi i analizę prezentowanej truktury terowania przedtawiono w [11]. 3. WPŁYW USZKODZEŃ CZUJNIKÓW PRĄDU I PRĘDKOŚCI NA PRACĘ UKŁADU NAPĘDOWEGO Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM Pomiar prądu tojana ilnika indukcyjnego ma bardzo duże znaczenie dla poprawnej pracy całego układu napędowego, gdyż uzykiwane z nich wartości ą ygnałami wejściowymi dla podrzędnej pętli regulacji prądu. Ponadto do prawidłowej etymacji zmiennych tanu konieczna jet informacja o aktualnej wartości prądu tojana [4], [9]. Czujnik prądu może wkazywać błędne wyniki pomiarów wynikające z naycenia rdzenia magnetycznego lub przeunięcia w fazie ygnału w pętli przężenia zwrotnego. Jednym z najniebezpieczniejzych typów uzkodzeń jet całkowita jego awaria [6], [7]. Poniżej przedtawiono wpływ uzkodzeń czujnika prądu tojana na pracę napędu terowanego metodą wektorową DFOC (ry. 3 i 4). Analizę przeprowadzono tylko dla podtawowego trybu pracy, czyli pracy ilnikowej napędu przy wymuzeniu znamionowej wartości prędkości. Zawarte wyniki dotyczą całkowitego przerwania pętli pomiarowej z czujnika prądu fazy i A. a) b) Ry. 3. Przebieg prędkości kątowej (a) oraz kładowych x y prądu tojana (b) przy wytąpieniu całkowitego uzkodzenia czujnika prądu i A przy terowaniu DFOC (badania ymulacyjne)

5 148 a) c) b) d) Ry. 4. Przebieg prądu fazowego i A (a), momentu elektromagnetycznego (b), wartości bezwzględnej różnicy pomiędzy etymowaną i mierzoną wartością trumienia wirnika (c) oraz kładowych α β prądu tojana (d) przy wytąpieniu całkowitego uzkodzenia czujnika prądu i A przy terowaniu DFOC (badania ymulacyjne) Całkowite uzkodzenie czujnika prądu jet najbardziej niekorzytne dla pracy napędu z ilnikiem indukcyjnym. Bezpośrednio z wartością prądu związany jet moment elektromagnetyczny oraz trumień wirnika. W przebiegach tych zmiennych tanu pojawiają ię ilne ocylacje o dużej amplitudzie. Ponadto brak pomiaru jednej fazy prądu uniemożliwia śledzenie zadanej trajektorii prędkości, a także jej etymację. Na ryunkach 5 i 6 przedtawiono wyniki badań wpływu przerwania pętli przężenia zwrotnego na przebieg prędkości mierzonej, etymowanej przy wykorzytaniu etymatora MRAS CC [9] oraz momentu elektromagnetycznego w trukturze DFOC [4], [9]. Napęd pracuje ze znamionową prędkością. Uzkodzenie enkodera natąpiło w chwili t = 3. Nagły zanik ygnału z enkodera powodował wzrot prędkości kątowej ilnika oraz momentu elektromagnetycznego. Ry. 5. Przebieg prędkości mechanicznej i etymowanej przy całkowitym uzkodzeniu czujnika prędkości, przy terowaniu DFOC (badania ymulacyjne)

6 149 Ry. 6. Przebieg kładowych x y prądu tojana przy całkowitym uzkodzeniu czujnika prędkości, przy terowaniu DFOC (badania ymulacyjne) Jednym z najniebezpieczniejzych rodzajów uzkodzeń jet całkowite przerwanie prędkościowej pętli pomiarowej. W tym momencie układ regulacji wytawia makymalną możliwą wartość zadanego momentu elektromagnetycznego a prędkość rzeczywita bardzo zybko rośnie. Konieczne jet jak najzybze wykrycie tego typu awarii. Szczegółowe wyniki badań wpływu uzkodzeń czujników prędkości i prądu tojana zotały przedtawione w pracach [6], [7]. 4. DETEKCJA USZKODZEŃ CZUJNIKÓW PRĄDU STOJANA I PRĘDKOŚCI KĄTOWEJ W przypadku czujnika prędkości najzybzym i najprotzym poobem detekcji awarii jet porównywanie przebiegów prędkości mechanicznej oraz etymowanej przez dowolny etymator tej wielkości [6], [7]. Przy uzkodzeniu tego typu przetworników pomiarowych w trukturach terowania wektorowego wytępuje różnica pomiędzy prędkością mierzoną a etymowaną. Dlatego zdecydowano ię wykorzytać dodatkowe ygnały diagnotyczne, które zwiękzą niezawodność detekcji. Dla metody polowo zorientowanej wybrano uchyb pomiędzy wartością kładowej i x prądu tojana a jej wartością referencyjną. Detektor zotaje aktywowany jeśli wartości uchybów ą więkze niż dopuzczalne wartości graniczne. Układ generuje wtedy impul logiczny informujący o wytąpieniu uzkodzenia. Zaadę działania algorytmu przedtawia zależność (2). et ωm ωm ε1 IF i ref ε y iy 2 THEN flaga Analogiczne zaprojektowano układ do wykrywania awarii czujnika prądu. W tym przypadku zdecydowano ię wykorzytać różnicę pomiędzy wartością etymowaną ω = 1 (2)

7 150 a zadaną modułu trumienia wirnika oraz wartością kładowej i y prądu tojana a jej wartością referencyjną zależność (3). ref et Ψr Ψr ε3 IF ref i x ix ε 4 THEN flaga i = 1 (3) ref gdzie: ε1 = 0,02 + 0,1 ωm, ε 2, ε3, ε 4 dopuzczalne progi graniczne uchybów dla analizowanego układu napędowego terowanego metodą DFOC. Do etymacji prędkości kątowej wykorzytano etymator MRAS CC opiany w pracy [9]. Zaada działania algorytmu polega na ciągłej oberwacji różnicy pomiędzy wartością zadaną a etymowaną trumienia wirnika i kładowej x prądu tojana. Wynikiem działania takiego detektora jet wartość porównywana z dopuzczalną wartością graniczną. Jeśli wartość ta jet więkza to układ generuje impul logiczny informujący o wytąpieniu uzkodzenia. Wyniki badań ymulacyjnych oraz ekperymentalnych dla powyżej opiach detektorów przedtawiono w [7], [8]. Ry. 7. Przebiegi mierzonej, referencyjnej oraz etymowanej prędkości kątowej przy wytąpieniu całkowitego uzkodzenia enkodera w chwili t = 1,5 oraz czujnika prądu i A w chwili t = 2,5 przy terowaniu DFOC (badania ymulacyjne) Kolejne badania dotyczą uzkodzenia czujnika prędkości oraz prądu w jednym cyklu pracy napędu(ry. 7 10). Założono, że w po czaie 1,5 uzkodzeniu uległ czujnik prędkości kątowej, a w chwili t = 2,5 pojawiła ię awaria czujnika prądu tojana. Po pierwzej awarii układ zotał przełączony w tryb bezczujnikowy z etymatorem MRAS w pętli przężenia zwrotnego. Po wytąpieniu kolejnego uzkodzenia nie możliwa jet praca w ytemie terowania wektorowego, gdyż do jego prawidłowej pracy niezbędne ą informacje o aktualnej wartości prądu. Sytem zotał przełączony w tryb terowania kalarnego bez przężenia zwrotnego od prędkości kątowej. Ety-

8 151 macja prędkości jet niemożliwa w tym układzie pracy gdyż etymator także wykorzytuje ygnał z czujników prądu tojana. (w badaniach założono, że nie dyponujemy redundantnym czujnikiem prądu tojana). a) b) Ry. 8. Przebiegi kładowych x y prądu tojana (a), momentu elektromagnetycznego oraz kładowych α β prądu tojana (b) przy wytąpieniu całkowitego uzkodzenia enkodera w chwili t = 1,5 oraz czujnika prądu i A w chwili t = 2,5 przy terowaniu DFOC (badania ymulacyjne) W chwili t = 1,5 widoczne ą krótkotrwałe impuly w przebiegach momentu elektromagnetycznego i prądu tojana. Natomiat w chwili t = 2,5 także wytąpiły impuly w przebiegach podtawowych zmiennych tanu, a ponadto wytąpił padek prędkości kątowej ilnika o 25%. Po około 0,5 ekundzie wartość prędkości powróciła do wartości referencyjnej. Ry. 9. Przebiegi mierzonej, referencyjnej oraz etymowanej prędkości kątowej przy wytąpieniu całkowitego uzkodzenia czujnika prądu i A w chwili t = 1,5 oraz enkodera w chwili t = 2,5 przy terowaniu DFOC (badania ymulacyjne)

9 152 Drugim rozpatrywanym przypadkiem jet uzkodzenie czujnika prądu w pierwzej kolejności, a po upływie 1 ekundy enkodera. Wyniki przedtawiono na ry. 9, 10. a) b) Ry. 10. Przebiegi kładowych x y prądu tojana (a), momentu elektromagnetycznego oraz kładowych α β prądu tojana (b) przy wytąpieniu całkowitego uzkodzenia czujnika prądu i A w chwili t = 1,5 oraz enkodera w chwili t = 2,5 przy terowaniu DFOC (badania ymulacyjne) Po wykryciu awarii czujnika prądu natąpiło przełączenie truktury terowania na kalarną z zamkniętą pętlą przężenia zwrotnego. W przeciwieńtwie do poprzedniego przypadku możliwa jet praca z pomiarem prędkości. Także przebiegi momentu elektromagnetycznego i prądu tojana nie zotały zakłócone w takim amym topniu jak miało to miejce poprzednio. Dopiero w chwili t = 2,5 dozło do uzkodzenia enkodera. Układ detekcji w tym momencie nie mógł przejść na etymację prędkości ze względu na fakt, że nie jet ona możliwa przy błędnym pomiarze prądu. Natąpiło zatem przełączenie truktury terowania na kalarną bez prędkościowej pętli przężenia zwrotnego. Przejście to nie wywołało dynamicznych zmian w przebiegach innych zmiennych tanu i możliwa była dalza praca napędu. Na ryunku 11. zaprezentowano a) b) Ry. 11. Przebieg uchybów pomiędzy wartościami kładowych i x, i y prądu tojana a ich wartościami referencyjnymi: dla przypadku z ry. 7 8 (a) oraz z ry (b), przy terowaniu DFOC (badania ymulacyjne)

10 153 przebiegi ygnałów diagnotycznych: uchyby pomiędzy wartościami kładowych i x, i y prądu tojana a ich wartością referencyjnymi dla obu przedtawionych wyżej przypadków. Przedtawione wyniki wkazują w jaki poób odbyła ię poprawna detekcja uzkodzonych czujników. 5. PODSUMOWANIE W artykule przedtawiono wpływ uzkodzeń czujnika prądu oraz prędkości na pracę układu napędowego z ilnikiem indukcyjnym. Ponadto zaproponowano metodę kompenacji awarii opartą na redundancji przętowej tj. zmianie topologii truktury terowania. Zaprezentowany algorytm pozwala na dalzą pracę ilnika w ytuacji wytępujących po obie uzkodzeń obu czujników pomiarowych. Należy jednak zaznaczyć, że przełączenie terowania wektorowego na kalarne o dużo mniejzej dynamice może powodować niekontrolowane zjawika w przebiegach zmiennych tanu ilnika oraz prędkości. Ponadto taki rodzaj kompenacji nie jet wkazany dla pracy napędu przy nikich prędkościach (tj. nikiej czętotliwości) oraz przy dużym obciążeniu wału ilnika momentem mechanicznym. Przejście układu terowania na metodę kalarną z otwartą pętlą regulacji powinno kutkować awaryjnym wyłączeniem całego proceu technologicznego w odpowiednio zybkim czaie po twierdzeniu wytąpienia awarii obu czujników pomiarowych. Praca zrealizowana w ramach projektu finanowanego przez Narodowe Centrum Nauki na podtawie decyzji DEC-2013/09/B/ST7/ LITERATURA [1] ISERMANN R., Fault Diagnoi Sytem. An Introduction from Fault Detection to Fault Tolerance, Springer, New York [2] BLANKE M., KINNAERT M., LUNZE J. et al., Diagnoi and fault-tolerant control, Springer- -Verlag, [3] KLIMKOWSKI K., DYBKOWSKI M., Układy napędowe z ilnikami indukcyjnymi terowane metodami wektorowymi DFOC oraz DTC-SVM odporne na uzkodzenia przemiennika czętotliwości, Prace Naukowe Intytutu Mazyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławkiej, Nr 33, Seria: Monografie, Nr 20, Wrocław [4] ORŁOWSKA-KOWALSKA T., Bezczujnikowe układy napędowe z ilnikami indukcyjnymi, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławkiej, Wrocław [5] RODRÍGUEZ-BLANCO et al., A Failure-Detection Strategy for IGBT Baed on Gate-Voltage Behavior Applied to a Motor Drive Sytem, IEEE Tran. Indutrial Electronic, 2011, Vol. 58, No. 5, [6] KLIMKOWSKI K., DYBKOWSKI M., Wpływ uzkodzenia wybranych czujników pomiarowych na pracę napędu indukcyjnego terowanego metodą wektorową, Poznań Univerity of Technology, Academic Journal, Electrical Engineering, 2014, No. 77, [7] KLIMKOWSKI K., DYBKOWSKI M., Analiza wektorowego układu napędowego z ilnikiem indukcyjnym odpornego na uzkodzenia wybranych czujników pomiarowych, Poznań Univerity of Technology, Academic Journal, Electrical Engineering, 2014, No. 77,

11 154 [8] KLIMKOWSKI K., ORŁOWSKA-KOWALSKA T., DYBKOWSKI M., Speed Fault Tolerant Direct Torque Control of Induction Motor Drive, Proc. of the 16th Int. Conf. Power Electronic and Motion Control PEMC 2014, Antalya, Turkey, [9] DYBKOWSKI M. Etymacja prędkości kątowej w układach napędowych o zwiękzonym topniu bezpieczeńtwa, Prace Naukowe Intytutu Mazyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławkiej, Nr 67, Seria: Monografie, Nr 20, Wrocław [10] KHALAF SALLOUM GAEID, HEW WOOI PING, Fault Tolerant Control of Induction Motor, Modern Applied Science, 2011, Vol. 5, No. 4, [11] BLASCHKE F., The principle of field orientation a applied to the new TRANSVECTOR cloedloop control ytem for rotating field machine, Siemen Review, 1972, 34, [12] ROMERO M.E., SERON M.M., DE DONA J.A., Senor fault-tolerant vector control of induction motor, IET Control Theory and Application, [13] HANEN BERRIRI, MOHAMED WISSEM NAOUAR, ILHEM SLAMA-BELKHODJA, Eay and Fat Senor Fault Detection and Iolation Algorithm for Electrical Drive, IEEE Tranaction on Power Electronic, 2012, Vol. 27, No. 2. [14] ROTHENHAGEN K., FUCHS F.W., Current Senor Fault Detection by Bilinear Oberver for a Doubly Fed Induction Generator, IEEE Indutrial Electronic, IECON COMPENSATION ALGORITHM BASED ON HARDWARE REDUNDANCY OF CHOSEN MEASUREMENT SENSORS FAULTS IN DRIVE SYSTEMS WITH INDUCTION MOTOR In the paper the iue of identifying tator current and angular velocity enor fault i decribed. The Direct Field Oriented Control (DRFOC) wa applied and teted during faulted condition. An influence of the choen enor fault to the performance of drive ytem i preented. The compenation algorithm wa propoed and teted. A fault tolerant drive baed on hardware redundancy wa developed and preented. Simulation reult are performed in MATLAB/SimPowerSytem.