STEROWANIE AUTONOMICZNYM GENERATOREM INDUKCYJNYM ZE WZBUDZENIEM PRZEKSZTAŁTNIKOWYM

Transkrypt

1 Zezyty Poblemowe Mazyny Elektyczne N 88/ BłaŜej Jakubowki, Kzyztof Pieńkowki Politechnika Wocławka STEROWANIE AUTONOMICZNYM GENERATOREM INDUKCYJNYM ZE WZBUDZENIEM PRZEKSZTAŁTNIKOWYM CONTROL OF ISOLATED INDUCTION GENERATOR WITH CONVERTER EXCITATION Abtact: The pape peent the poblem of contol of iolated elf-excited induction geneato ued to opeate unde vaiable peed. The ytem of thee-phae iolated induction geneato with excitation fom a thee-phae PWM invete with a ingle capacito on the DC ide ae peented. The ue of a tatic PWM invete fo contolling of induction geneato excitation give a bette tanient epone and a mooth vaiation of excitation cuent. The ytem of PWM excitation with PWM invete placed in eie o hunt with induction geneato and hybid ytem ae peented. The vecto contol method of elf-excited induction geneato ae developed and dicued. The contol cheme baed on geneato magnetic field oientation ae peented. The diect and indiect contol baed on oto flux oientation and contol baed on diect tato flux oientation ae decibed. The tato flux oiented vecto contol equie decoupling block in the contol cicuit. Some elected eult of imulation of contol pefomance ae peented. 1. Wtęp Geneatoy indukcyjne z winikiem klatkowym znajdują powzechne zatoowanie w wielu układach geneacji enegii elektycznej, zczególnie w układach enegii odnawialnej. Jet to powodowane pototą kontukcji, nikimi koztami ekploatacji oaz duŝą niezawodnością pacy mazyny indukcyjnej. Stąd w układach geneacji enegii o małej i śedniej mocy wytępuje wzot zainteeowania zatoowaniem geneatoów indukcyjnych. Geneatoy indukcyjne mogą pacować pzy oddawaniu enegii elektycznej do ieci lub w układach autonomicznych. W układach klaycznych tan amowzbudzenia geneatoa uzykuje ię pzez dołączenie bateii naładowanych kondenatoów do zacików tojana geneatoa. Watość napięcia i czętotliwości wytwazanych w tanach pacy utalonej jet uzaleŝniona od pędkości kątowej winika geneatoa, pojemności kondenatoów pzyłączonych do tojana, chaakteytyki magneowania obwodu magnetycznego geneatoa oaz paametów odbionika pzyłączonego do geneatoa. Do znacznych wad układów z geneatoami indukcyjnymi o wzbudzeniu kondenatoowym naleŝy bak moŝliwości teowania i tabilizacji napięcia wyjściowego z geneatoa pzy zmiennej w zeokim zakeie pędkości obotowej winika geneatoa i paametów obciąŝenia. Obecnie powadzone ą badania nad moŝliwością zatoowania pzekztałtników AC/DC jako źódła mocy bienej dla autonomicznych geneatoów indukcyjnych [1,3-8]. Pzez odpowiednie teowanie zawoów enegoelektonicznych pzekztałtnika AC/DC uzykuje ię płynne teowanie mocy bienej dopowadzanej do geneatoa, a pzez to dokładną tabilizację napięcia wyjściowego z geneatoa. W pacy pzedtawiono układy pacy geneatoów indukcyjnych ze wzbudzeniem pzekztałtnikowym oaz moŝliwości teowania wektoowego geneatoów w tych układach. 2. Układy geneatoów indukcyjnych ze wzbudzeniem pzekztałtnikowym Układy autonomicznych geneatoów indukcyjnych ze wzbudzeniem klaycznym i wzbudzeniem pzekztałtnikowym PWM pzedtawiono na yunku 1. WyóŜnić moŝna natępujące podtawowe układy pacy geneatoa indukcyjnego ze wzbudzeniem pzekztałtnikowym PWM: 1) Układ z pzekztałtnikiem PWM połączonym zeegowo z geneatoem indukcyjnym - y.1b; 2) Układ z pzekztałtnikiem PWM połączonym z ównolegle (bocznikowo) - y.1c; 3) Układ hybydowy z pzekztałtnikiem PWM połączonym z geneatoem zeegowo lub bocznikowo i z zatoowaniem ównieŝ 3-fazowej bateii kondenatoów, pzyłączonej do zacików tojana geneatoa y.1d.

2 124 Zezyty Poblemowe Mazyny Elektyczne N 88/2010 PWM pzez pzekztałtnik AC/DC i wzbudzenie klayczne z zatoowaniem 3- fazowej bateii kondenatoów. Zatoowanie dodatkowej bateii kondenatoów pozwala na zmniejzenie obciąŝenia mocą bieną pzekztałtnika AC/DC. Pzekztałtnik teowany AC/DC moŝe mieć tuktuę falownika napięcia lub falownika pądu. Najczęściej jet toowany układ o topologii falownika napięcia, pzedtawiony na yunku 2. Tójfazowy pzekztałtnik AC/DC tanowi układ motkowy 6 teowanych kluczy, złoŝonych z połączonych ównolegle tanzytoów i diód mocy. W obwodzie pośedniczącym pądu tałego pzekztałtnika włączony jet kondenato o duŝej pojemności. Między zaciki obwodu 3-fazowego pzekztałtnika i zaciki tojana geneatoa indukcyjnego mogą być włączone dławiki, zmniejzające wpływ wyŝzych hamonicznych geneowanych pzez pzekztałtnik. Ry.1. Układy teowania autonomicznym : a)układ ze wzbudzeniem kondenatoowym; b) d) układy ze wzbudzeniem pzekztałtnikowym W układzie zeegowym pzekztałtnik AC/DC jet źódłem mocy bienej dotaczanej do geneatoa indukcyjnego oaz pzenoi ównieŝ moc czynną wytwazaną pzez geneato i dotaczaną do odbionika lub obwodu pądu tałego. Stąd obciąŝenie pzekztałtnika jet duŝe i konieczne jet zatoowanie w nim zawoów enegoelektonicznych o duŝej obciąŝalności. W układzie ównoległym pzekztałtnik AC/DC jet tylko źódłem mocy bienej dotaczanej do geneatoa indukcyjnego oaz pobieanej pzez odbioniki pądu zmiennego pzyłączone bezpośednio do zacików geneatoa. Zaletą tego układu jet to, Ŝe obciąŝenie pzekztałtnika nie jet duŝe i moŝliwe jet zatoowanie zawoów enegoelektonicznych o małej obciąŝalności. W układach hybydowych toowane jet jednocześnie wzbudzenie pzekztałtnikowe Ry.2. Schemat pzekztałtnika AC/DC wpółpacującego z autonomicznym 3. Opi matematyczny układu Opi matematyczny ozpatywanych układów teowania geneatoami indukcyjnymi kłada ię z modelu matematycznego geneatoa indukcyjnego, układu enegoelektonicznego pzekztałtnika i układu teowania. Pzy modelowaniu geneatoa indukcyjnego pzyjęto załoŝenia upazczające toowane powzechnie pzy modelowaniu mazyny indukcyjnej. W analizie zczegółowej i obliczeniach ymulacyjnych pzyjęto model mazyny indukcyjnej uwzględniający nieliniowość obwodu głównego [2]. Natomiat ze względów poglądowych i pototę opiu pzedtawione poniŝej ównania dotyczą analizy mazyny indukcyjnej o liniowym obwodzie magnetycznym. Równania wektoowe dla obwodów tojana i winika mazyny indukcyjnej oaz ównania

3 Zezyty Poblemowe Mazyny Elektyczne N 88/ tumieniowo-pądowe wyaŝone w ogólnym układzie wpółzędnych wiującym z dowolną zadaną pędkością kątową ω k mają natępującą potać: u R i + p + jωk (1) 0 R i + p + j( ω k ωe) (2) L i Lmi (3) + L i Lm i (4) + gdzie: u,i,i - wekto napięcia tojana, pądu tojana i pądu winika;, - wekto tumienia pzęŝonego tojana i winika; R,R,L,L,L m - ezytancja fazowa tojana i winika, indukcyjność całkowita tojana, winika i magneowania; ω e - elektyczna pędkość kątowa winika; pd/dt. Moment elektomagnetyczny M e geneatoa indukcyjnego wynoi: * M e 3 2 p Lm Im i i (5) b ( ) gdzie: p b - liczba pa biegunów. Pzy modelowaniu pzekztałtnika AC/DC pzyjęto, Ŝe pzekztałtnik jet układem beztatnym, złoŝonym z tzech dwutanowych kluczy epezentujących zeczywite zawoy elektomagnetyczne pzekztałtnika [4]. Równania napięciowo-pądowe dla obwodów pzekztałtnika AC/DC mają natępującą potać: ( Rg ik + Lg pik) + u pk ( k U, V, W) (6) u k C d p ud ( K iu + K 2iV + K 3i u gdzie: u u pu pv pw 1 W ) u ( 2K1 K 2 K 3) ud 3 ( K1 + 2K 2 K 3) ud 3 ( + ) 3 K 1 K 2 2K 3 u d d R L (7) u k, i k, u pk -napięcia i pądy fazowe tojana geneatoa indukcyjnego oaz napięcia fazowe pzekztałtnika ( ku,v,w ); u d -napięcie w obwodzie pośedniczącym pzekztałtnika; R g,l g -ezytancja i indukcyjność fazowa dławika w obwodzie 3-fazowym pzekztałtnika; C d,r L -pojemność kondenatoa i ezytancja obciąŝenia w obwodzie pośedniczącym pzekztałtnika; K 1,K 2,K 3 - funkcje pzełączające tanów kluczy o watościach (1,0) [4]. 4. Steowanie wektoowe wzbudzeniem geneatoa indukcyjnego 4.1. Steowanie polowo-zoientowane względem wektoa tumienia winika Pzy oientacji układu wpółzędnych (x,y) względem wektoa tumienia winika i uwzględnieniu w ównaniach ogólnych (1)-(5) waunków: x, y 0 oaz ω k ω otzymuje ię: T p + Lmix (8) M e 3 2 p Lm L iy (9) b gdzie: T L /R - tała czaowa obwodu winika. ZaleŜności te wkazują, Ŝe teowanie tumienia magnetycznego i momentu elektomagnetycznego w mazynie indukcyjnej moŝe być dokonywane niezaleŝnie pzez odpowiednie teowanie kładowej x i y wektoa pądu tojana. Wyke wektoowy dla ozpatywanego teowania polowozoientowanego pzedtawiono na yunku 3. W odóŝnieniu od pacy ilnikowej kładowa pądu tojana i y oaz kąt γ l okeślony pzez pulację poślizgu winika mają watości ujemne. Ry.3. Wyke wektoowy dla teowania polowo-zoientowanego geneatoem indukcyjnym z oientacją względem wektoa tumienia winika Steowanie polowo-zoientowane z oientacją względem wektoa tumienia pzęŝonego winika moŝe być zealizowane jako teowanie bezpośednie DFOC lub teowanie pośednie IFOC. Pzy teowaniu z zatoowaniem metody DFOC watość modułu i kąta połoŝenia wektoa tumienia magnetycznego winika jet

4 126 Zezyty Poblemowe Mazyny Elektyczne N 88/2010 wyznaczana pomiaowo za pośednictwem czujników lub etymowana na podtawie pomiau odpowiednich wielkości elektomagnetycznych i wykozytania modelu matematycznego mazyny indukcyjnej. Układ teowania polowo-zoientowanego autonomicznym z pzekztałtnikiem AC/DC z zatoowaniem metody DFOC pzedtawiono na yunku 4. W układzie wytępują dwa podtawowe układy teowania: teowanie watością modułu tumienia winika I teowanie watością napięcia tałego w obwodzie pośedniczącym pzekztałtnika AC/DC. Pętla egulacji napięcia tałego jet ównowaŝna pętli teowania momentu w układach teowania polowego ilnika indukcyjnego. i xz i yz ω R PI xy Ru PI z αβ u dz Ety mato Ψ i αz i βz Ψ γ u d ω αβ i UVW Wz u αβ u UVW αβ i αβ i UVW UVW i Uz i Vz ω RH T i UVW G 3~ R L C d Ry.4. Układ DFOC teowania polowozoientowanego z oientacją względem wektoa tumienia winika Pzy zatoowaniu metody IFOC kąt połoŝenia γ wektoa tumienia pzęŝonego winika jet obliczany na podtawie miezonej watości pędkości kątowej winika ω e lub kąta połoŝenia winika oaz obliczanej pulacji poślizgu winika ω l : ( + ) dt ωe + ω l ϑ ωe ω l ω ; (10) gdzie: Lm ω l ω ωe iy (11) T Układ teowania polowo-zoientowanego autonomicznym z pzekztałtnikiem AC/DC z zatoowaniem metody IFOC pzedtawiono na yunku 5. Ry.5. Układ IFOC teowania polowozoientowanego z oientacją względem wektoa tumienia winika 4.2. Steowanie polowo-zoientowane względem wektoa tumienia tojana Pzy teowaniu polowo-zoientowanym z oientacją względem wektoa tumienia pzęŝonego tojana paca mazyny indukcyjnej jet ozpatywana w wiującym układzie wpółzędnych potokątnych (x,y) o oi x wpółliniowej z chwilowym połoŝeniem wektoa tumienia magnetycznego tojana. Moduł i kąt połoŝenia wektoa tumienia pzęŝonego tojana moŝe być etymowany z zaleŝności fomułowanych dla modelu mazyny indukcyjnej w nieuchomym względem tojana potokątnym układzie wpółzędnych potokątnych (α,β): ( u R i ) dt + j (12) α β ; tg ϑ α β β α (13) Pędkość kątowa wiowania wektoa tumienia magnetycznego tojana moŝe być etymowana natępująco: β ω pϑ p( actg ) α (14) α ( uβ R iβ ) β ( uα R iα) α Pzy oientacji układu wpółzędnych (x,y) względem wektoa tumienia pzęŝonego tojana i uwzględnieniu w ównaniach β

5 Zezyty Poblemowe Mazyny Elektyczne N 88/ ogólnych (1)-(5) waunków: x, y 0 oaz ω k ω po pzekztałceniach ównań mazyny indukcyjnej otzymuje ię: ( 1+ T p) ( 1+ σ T p) L ix ω lσ T L iy lt ( L ix) L ( + σ p) i (15) ω σ 1 T y (16) M e 3 2 p iy (17) b gdzie: ω l ω ωe (18) σ wpółczynnik ozpozenia mazyny indukcyjnej. ZaleŜności (15)-(18) wkazują, Ŝe teowanie tumienia magnetycznego i momentu elektomagnetycznego w mazynie indukcyjnej moŝe być dokonywane pzez odpowiednie teowanie kładowej x i y wektoa pądu tojana. Wyke wektoowy dla ozpatywanego teowania polowozoientowanego pzedtawiono na yunku 6. Ry.6. Wyke wektoowy dla teowania polowo-zoientowanego geneatoem indukcyjnym z oientacją względem wektoa tumienia tojana Z analizy ównań (15)-(16) wynika, Ŝe pzy teowaniu polowo-zoientowanym względem wektoa tumienia tojana między wielkościami elektomagnetycznymi wytępuje niepoŝądane pzęŝenie. W celu wyeliminowania tej niedogodności konieczne jet zatoowanie w układzie teowania odpowiedniego bloku odpzęgającego [5]. Układ teowania polowo-zoientowanego autonomicznym z pzekztałtnikiem AC/DC z zatoowaniem oientacji względem tumienia pzęŝonego tojana pzedtawiono na yunku 7. Ry.7. Układ teowania polowozoientowanego z oientacją względem wektoa tumienia tojana 5. Badania ymulacyjne Wybane wyniki badań ymulacyjnych teowania pzekztałtnikowego wzbudzeniem geneatoa indukcyjnego dla układu z oientacja względem wektoa tumienia tojana pzedtawiono na yunku 8. Pzyjęto układ połączenia zeegowego geneatoa indukcyjnego z pzekztałtnikiem AC/DC z ezytoem obciąŝenia w obwodzie DC pzekztałtnika. Symulowano najpiew tan pacy jałowej geneatoa, a natępnie tan kokowej zmiany obciąŝenia. Z yunku 8a wynika, Ŝe układ teowania zapewnia tabilizację modułu wektoa tumienia tojana niezaleŝnie od topnia obciąŝenia geneatoa. W momencie koku obciąŝenia wyteuje nieznaczne zmniejzenie napięcia tałego w obwodzie pośedniczącym i napięcia fazowego pzekztałtnika yunek 8b. Ryunek 8c wkazuje, Ŝe wpółpaca geneatoa indukcyjnego z pzekztałtnikiem AC/DC wpowadza pewne odkztałcenia pądów fazowych geneatoa od pzebiegów inuoidalnych. a) Ψβ [V] Ψα [V] Ψ

6 128 Zezyty Poblemowe Mazyny Elektyczne N 88/2010 b) 750 v d,v pu [V ] 500 c) i U [A] v d v pu t [ ] t [] Ry.8. Badania ymulacyjne układu teowania polowo-zoientowanego geneatoem indukcyjnym z oientacją względem wektoa tumienia tojana: a)tajektoia wektoa tumienia tojana, b)napięcie fazowe pzekztałtnika i obwodu pośedniczącego, c)pąd fazowy tojana geneatoa 6. Podumowanie Steowanie pzekztałtnikowe autonomicznym moŝe być zealizowane z zatoowaniem teowania polowo-zoientowanego z wyboem óŝnych oientacji układu wpółzędnych. Pzy teowaniu polowo-zoientowanym względem wektoa tumienia pzęŝonego winika bloki etymujące wekto tumienia winika lub pulację poślizgu winika ą zaleŝne od tudnych do identyfikacji oaz zmiennych w funkcji naycenia obwodu magnetycznego i tempeatuy paametów elektomagnetycznych winika. Pzy teowaniu pądowym uzykuje ię niezaleŝne, odpzęŝone teowanie tumienia magnetycznego winika i momentu elektomagnetycznego czyli mocy geneatoa indukcyjnego. Pzy teowaniu polowozoientowanym względem wektoa tumienia pzęŝonego tojana uzykuje ię pote zaleŝności na wyznaczenie etymowanego wektoa tumienia tojana, ale w układzie teowania konieczne jet zatoowanie bloków odpzęgających dla zmiennych teujących w pozczególnych oiach. Liteatua [1] Ahmed T., Nihida K., Nakaoka M.: Advanced contol fo PWM convete and vaiable-peed induction geneato. IET Elect. Powe Appl., 1, (2), 2007, pp [2] Bown J.E., Kovac K.P., Va P.: A method of including the effect of main flux path atuation in the genealized equation of a.c. machine. IEEE Tan. on Powe App. and Sytem, V.PAS-102, No.1, 1983, pp [3] Lya R.O.C., Silva S.R.: Diect and indiect flux contol of an iolated induction geneato. Poc. of Intenational Conf. on PEDS, Singapoe, 1995, pp [4] Pieńkowki K.: Induction Geneato With Pwm- Invete Excitation. Poceeding of XVI Sympodium on Electomagnetic Phenomena in Nonlinea Cicuit, Kaków, Poland, 2000, pp [5] Seyoum D., Rahman F., Gantham C.: Teminal Voltage Contol Of A Wind Tubine Diven Iolated Induction Geneato. Poc. of AUPEC 02, Melboune, Autalia, [6] Silva S.R., Lya R.O.C.: PWM convete fo excitation of induction geneato. Poc. of Fifth Euopean Confeence on Powe Electonic and Application, Bighton, UK, vol.8, 1993, pp [7] Singh G. K.: Self-excited induction geneato eeach A uvey. Electic Powe Sytem Reeach, vol. 69, 2004, pp [8] Sügevil T., Akpına E.: Modelling of a 5- kwwind enegy conveion ytem with induction geneato and compaion with expeimental eult. Renewable Enegy, 30, 2005, pp Autozy Mg inŝ. BłaŜej Jakubowki, doktoant PW, Intytut Mazyn, Napędów i Pomiaów Elektycznych, Politechnika Wocławka, Tel./fax: (071 ) blazej.jakubowaki@pw.woc.pl D hab. inŝ. Kzyztof Pieńkowki, pof. PW, Intytut Mazyn, Napędów i Pomiaów Elektycznych, Politechnika Wocławka, Tel./fax: (071 ) kzyztof.pienkowki@pw.woc.pl Recenzent Pof. d hab. inŝ. Piot Dozdowki