AKTYWNE TŁUMIENIE I UNIKANIE WZBUDZENIA OBWODU WEJŚCIOWEGO NAPĘDÓW TRAKCYJNYCH

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 167 Daniel Lewanowski, Piotr Lipnicki Korporacyjne Centrum Baawcze ABB, Kraków AKTYWNE TŁUMIENIE I UNIKANIE WZBUDZENIA OBWODU WEJŚCIOWEGO NAPĘDÓW TRAKCYJNYCH ACTIVE DAMPING AND AVOIDING EXCITATION OF INPUT FILTER IN TRACTION DRIVES Streszczenie: Przekształtniki trakcyjne, zawierają w swej konstrukcji obowiązkowy obwó wejściowy LC, którego przeznaczeniem jest filtrowanie prąu przekształtnika oraz wygłazanie napięcia na zasobniku jakim jest konensator. Doatkowo filtr wejściowy chroni sieć trakcyjną prze zakłóceniami w postaci wyższych harmonicznych wytwarzanych przez przełączenia kluczy tranzystorowych. Niewątpliwymi zaletami takiego obwou jest prostota konstrukcji i łatwość wyznaczenia parametrów elementów pasywnych. Uciążliwą waą jest niestety skłonność o oscylacji, które w skrajnych sytuacjach mogą oprowazić o awaryjnego wyłączenia przekształtnika przez zabezpieczenia nanapięciowe i naprąowe. W artykule przestawiono porównanie właściwości wóch meto stabilizacji obwou pośreniczącego przekształtnika trakcyjnego. Pierwsza z nich to klasyczna koncepcja ukłau tłumienia oscylacji obwou pośreniczącego, współpracującego ze sterowanym wektorowo napęem. Drugą metoą jest zastosowanie elementu kształtującego wartość zaaną momentu napęowego wraz z ukłaem aktywnego rozpraszania energii oscylacji w rezystorze hamowania. Proponowana metoa wykorzystuje zasaę zachowania ciągłości i ograniczoności pierwszej pochonej sygnału sterującego o unikania wzbuzania oscylacji. W ramach baań symulacyjnych rozważono zasaność takiego rozwiązania ze wzglęu na powyższony wskaźnik strat. Abstract: Traction converters inclue in its construction manatory LC input circuit whose purpose is to filter the inverter current an voltage smoothing on the DC bus capacitor. In aition, this LC filter protects the traction power network against interference coming from higher harmonics generate by the transistor switching. Unoubte avantages of such solution are simplicity of esign an ease of etermining the parameters of passive components. One of the obvious isavantages is tenency to oscillate, which in extreme cases can lea to emergency shutown of the inverter by overvoltage an overcurrent protection. This paper presents a comparison of two methos of stabilization for LC input circuit for traction converter. The first is the classic circuit oscillation amping metho, working with vector controlle rive. The secon metho is to use a torque set point forming element together with an active energy issipation system for circuit oscillations, using a braking resistor. The propose metho uses the principle of continuity an bouneness of the first erivative of control signal, to avoi the excitation of oscillations. The simulation stuy reviewe the valiity of this approach taking into consieration the increase loss ratio. Słowa kluczowe:stabilność napęów trakcyjnych, tłumienie oscylacji, filtr wartości zaanej Keywors:stability of traction rives, oscillation amping, set-point filter 1. Wstęp Nowoczesne ukłay napęowe stosowane w pojazach trakcyjnych pozwalają na uzyskanie barzo obrych właściwości ynamicznych. W szczególności rozwiązania oparte o falownikowe napęy asynchroniczne spełniają wysokie wymagania stawiane przez transport publiczny. Zolność o właściwego kształtowania chwilowej wartości momentu na wale maszyny jest nieozowna w takich aplikacjach. W szczególności możliwość eliminacji niekontrolowanych zaburzeń momentu i strumienia magnetycznego silnika, spowoowane przez stany przejściowe, znacząco ponosi komfort eksploatacji pojazu. Przy opowienim oborze struktury sterowa- nia, osiągnięcie zaanej wartości momentu jest możliwe w barzo szerokim zakresie zmian napięcia zasilającego. Ukłay te zasilane są zwykle z sieci trakcyjnej prąu stałego, ostarczanego przez postacje ioowe. W celu poprawienia właściwości zasilania w przekształtnikach tych wykorzystuje się szeregowo ołączone ławiki o wysokiej inukcyjności razem z pojemnością obwou pośreniczącego, tworzące obwó wejściowy typu LC [8]. Występowanie znacznej inukcyjności pomięzy źrółem zasilania, a przekształtnikiem wpływa na obniżenie właściwości tłumiących obwou RLC (obwó uwzglęnia rezystancje

2 168 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) przewoów, inukcyjności i pojemności konensatora obwou pośreniczącego). To z kolei prowazi o możliwości powstawania oscylacji prąu i napięcia, które potrafią osiągać istotne wartości, a w skrajnych przypakach spowoować awaryjne wyłączenie ukłau napęowego poprzez zaziałanie zabezpieczeń nanapięciowych i naprąowych [4]. Fakt istnienia takich oscylacji sprawia, iż z punktu wizenia algorytmów sterowania stabilność w obwozie LC jest zaganieniem krytycznym. 2. Stabilizacja obwou LC Obwó pośreniczący LC wraz z ukłaem napęowym, traktowanym jako iealne źróło prąowe, można przestawić tak, jak na rysunku 1 [6]. u t R i L u i P = const Rys. 1. Schemat zastępczy przekształtnikowego napęu trakcyjnego Natomiast moel matematyczny napęu trakcyjnego można opisać liniowym równaniem różniczkowym Gzie x t = Ax + Bi + Du t (1) i x = jest wektorem zmiennych stanu, u na który skłaają się prą i ławika i napięcie u na konensatorze. Natomiast są macierzami moelu liniowego, a R, L, C parametrami obwou pośreniczącego. Zaburzeniami la tego obiektu regulacji jest prą napęu i oraz napięcie trakcji u t. Pierwsze wynika bezpośrenio z pozycji zaajnika motorniczego. Natomiast rugie jest wypakową wielu czynników, takich jak oległość pojazu o stacji zasilającej, ilość innych pojazów, oraz ich stan pobór lub zwrot energii o sieci trakcyjnej. Najgorszym przypakiem jest zmiana napięcia trakcji, w przypaku gy pojaz okonuje tzw. przejaz po izolatorem, w trakcie którego następuje zmiana postacji zasilającej. Napięcie la obu ocinków sieci trakcyjnej mogą różnić się iametralnie, a oatkowo przez krótki okres czasu, zależny oczywiście o prękości przejazu, ukła napęowy nie jest zasilany. Napięcie trakcji, a szczególnie jego zmiany, stanowią zatem zaburzenie zewnętrzne, które wprowaza o rozważanego systemu zakłócenia o charakterze impulsowym. Cechą charakterystyczną napęów trakcyjnych jest stosunkowo stałe zapotrzebowanie na jego moc, co można wyrazić następująco P = u i = const (2) Zależność ta wynika ze znacznej masy, a więc i bezwłaności pojazu trakcyjnego. Z równania (2) można wyprowazić związek pomięzy prąem napęu i funkcją napięcia na konensatorze [7] P = u u (3) i 2 gzie u jest napięciem na konensatorze w stanie ustalonym. Z równania (3) wynika, że przy zachowaniu stałej mocy spaek napięcia na konensatorze pociąga za sobą wzrost pobieranego prąu. To z kolei wymusza alszy spaek napięcia, co jest początkiem oscylacji w obwozie pośreniczącym [1]. Przy niewielkich mocach, rzęu kilku procent mocy znamionowej, ukła pozostaje stabilny, a oscylacje mają charakter gasnący [6, 7]. W pozostałych przypakach uże zmiany mocy prowazą o wzbuzenia obwou LC. Problem ten jest szczególnie istotny w trakcie tzw. hamowania nagłego, w trakcie którego wymaga się o napęu maksymalnego momentu hamującego, a niestabilności w jego pracy mogą wpłynąć na bezpieczeństwo [3]. Jenym z rozwiązań powyższego problemu jest zastosowanie oatkowych ukłaów energoelektronicznych lub zastosowanie innej konfiguracji obwou wejściowego [5]. Rozwiązania te przekłaają się na wyższe koszty wytworzenie i eksploatacji napęu, stą ich niska popularność. Innym rozwiązaniem jest wprowazenie oatkowego sprzężenia zwrotnego opracowanego w oparciu o moel ujemnej amitancji [2]. Wielkością polegającą korekcji jest moment napęowy przy założeniu, że jest on zmienną w pełni kontrolowaną przez ukła ste-

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 169 rowania, co jest prawziwe la napęów trakcyjnych sterowanych metoami wektorowymi. Jenakże zbytnie usztywnienie kryterium stabilności obwou pośreniczącego może niekorzystnie wpłynąć na ziałanie całego napęu. Pulsacje momentu bęące wynikiem ziałania sprzężenia stabilizującego są propagowane w ukłazie silnik przekłania koła szyna i mogą objawiać się niekorzystnymi wibracjami w owolnym jego elemencie, które mogą być oczuwalne przez pasażerów. W ramach baań symulacyjnych rozważono analogiczne rozwiązanie. Zastosowano jenak pewne uproszczenie, przyjmując że ostateczną zmienną polegającą korekcji jest prą napęu. Przy takim uproszczeniu wyznaczono ujemne sprzężenie zwrotne la moelu liniowego określonego w otoczeniu punktu pracy (u, i). gzie i i i i K u i, u = u u, są (4) ochyleniami zmiennych stanu o przyjętego punktu pracy. Współczynniki wektora K wyznaczono w oparciu o metoę przesuwania wartości własnych Rys. 2. Przebieg wartości zaanej mocy napęu i napięcia trakcji Działanie zaproponowanego ukłau stabilizacji obwou pośreniczącego sprawzono w przypaku pobuzenia napęu poprzez zmianę wartości zaanej mocy i napięcia trakcji, przestawionych na rysunku 2. Ponieważ rozważano wyiealizowany ukła, uzyskane wyniki są zgone z oczekiwaniami ukła pozostaje stabilny w każym przypaku. Oczywiście bezpośrenia aplikacja rozwiązania w rzeczywistym ukłazie jest problematyczna, np. żąanie o napęu realizacji korekty mocy na postoju po prostu nie jest możliwe. Również skokowa zmiana mocy napęu przekłaa się bezpośrenio na gwałtowne korekty momentu, które są nie akceptowalne. Jenakże uproszczony moel ukłau aktywnej stabilizacji obwou pośreniczącego LC ostarcza interesujących wniosków. W przypaku pobuzenia ukłau skokową zmianą wartości zaanej mocy, sprzężenie wprowaza korektę zmieniając kształt prąu napęu. Uzyskane przebiegi zbliżone o krzywej typu S, potwierziły przypuszczenie, że la zachowania stabilności funkcja kształtująca wartość zaaną powinna zachowywać ciągłość pierwszej pochonej. 3. Unikanie oscylacji obwou LC Uzyskane wyniki la wyiealizowanego ukłau napęowego z stabilizującym sprzężenie zwrotnym wskazują na to, że interesującym rozwiązaniem może być zastosowanie elementu kształtującego wartość zaaną mocy napęu. W automatyce jest on znany jako filtr wartości zaanej i stosowany w wielu ukłaach regulacji, właśnie w celu złagozenia wpływu jej zmian na obiekt regulacji. Oczywiście wprowazenie zbyt mocnego osłabienia ynamiki wartości zaanej jest często nie akceptowalne ze wzglęu na całościową wyajność pracy całego ukłau. W przypaku napęów trakcyjnych oatkowym utrunieniem jest, wspomniane już wcześniej, zapewnienie opowieniej ynamiki i stabilności w przypaku hamowania [2, 3]. Konieczność spełnienia opowieniej wartości opóźnienia jest nakłaana przez wymagania homologacyjne, które musi spełniać pojaz prze opuszczeniem o normalnej eksploatacji. Pożąane jest to również z punktu wizenia bezpieczeństwa, gzie zatrzymanie pojazu w ściśle określonym czasie jest koniecznością. Zbyt słaba ynamika hamowania może w skrajnym przypaku oprowazić o wypaku. Waą filtru wartości zaanej jest brak wpływu na stabilność napęu w przypaku zróżnicowanych zaburzeń pochozących np. o sieci trakcyjnej. Z tego powou proponowane rozwiąza-

4 170 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) nie unikania oscylacji obwou LC rozszerzono o ukła gaszący współpracujący z rezystorem hamowania. Takie rozwiązanie nie jest często stosowane ze wzglęu na prawopoobne obniżenie wskaźników sprawności napęu. Interesującym zaganieniem jest zatem określenie jakiej wielkości straty mogą być wprowazane przez ukła gaszenia oscylacji, którego głównym ograniczeniem jest możliwość pracy wyłącznie jako element pozwalający wytracać energię. Dla takiego systemu unikania oscylacji zbaano właściwości wybranych elementów ynamicznych, które można zastosować jako filtr wartości zaanej: człon inercyjny I rzęu, człon inercyjny II rzęu, filtr Gaussa, filtr Czybyszewa, element ograniczający prękość zmian wartości zaanej. Dla każego przypaku zbaano wa warianty związane z oczekiwanym opóźnieniem w realizacji wartości zaanej, wprowazanym przez człon ynamiczny stała czasowa opóźnienia10 30 ms oraz stała czasowa opóźnienia ms. Do oceny systemu wybrano wa wskaźniki. Pierwszy związany jest z akceptowalnością oscylacji powstających w obwozie LC, powstających w opowiezi ukłau na skokowe zmiany wartości zaanej mocy i napięcia trakcji (rysunek 2). Oscylacje takie muszą być silnie tłumione, tzn. ich czas zanikania musi być znacznie mniejszy niż stała czasowa obwou pośreniczącego. Również amplitua oscylacji nie może przekraczać przyjętych ograniczeń, np. la pojazu trakcyjnego napięcie w obwozie pośreniczącym nie może być mniejsze niż 400V lub większe niż 820V. Napięcie poza tymi wartościami jest wskazaniem o awaryjnego wyłączenia napęu. We wzbuzonym obwozie LC takie wartości mogą być błyskawicznie osiągnięte, a o rozpraszania ich energii naaje się rezystor hamowania. Stą jego zastosowanie w ukłazie unikania oscylacji jest naturalne. Z kolei rugim wskaźnikiem oceny systemu jest wielkość energii wytraconej w rezystorze w wyniku ziałań pojętych w celu tłumienia oscylacji oniesiona o całkowitej energii bezwzglęnej napęu (pobranej i oanej) la rozważanego przypaku. Tabela 1. Porównanie meto kształtowanie wartości zaanej (NA metoa nieakceptowalna, A metoa akceptowalna) Metoa Gaussa Stała 100 ms Gaussa Stała 10 ms Chebyszewa Stała 100 ms Chebyszewa Stała 10 ms inercyjny I rzęu - stała 100ms inercyjny I rzęu - stała 10ms inercyjny II rzęu - stała 100ms inercyjny II rzęu - stała 10ms Oscylacje Stosunek mocy wytracanej o mocy napęu A 0.44 % NA 1.11 % A 0.44 % NA % A 0.45 % NA 0.53 % A 0.39 % A 0.43 % Rampa 10 [ka/sec] NA 3.55 % Rampa 1 [ka/sec] A 0.81 % Opowieź na skok jenostkowy Z przestawionej tabeli 1wynika, że najbarziej interesujący jest filtr Gaussa i Czebyszewa o łuższej stałej czasowej, la których oscylacje są na akceptowalnym poziomie, a strata energii w rezystorze jest stosunkowo niewielka. Również la tego przypaku opóźnienie wprowazane w realizacji wartości zaanej nie obniżają ynamiki, natomiast zecyowanie łagozą przejścia mięzy kolejnymi zmianami mocy rozwijanej przez napę. Takie zachowanie ponosi kulturę napęu stosowanego w transporcie publicznym. Pozostałe przypaki nie posiaają równie korzystnej oceny. W szczególności chętnie stosowana w praktyce przemysłowej rampa osiągnęła barzo słabe wyniki, co jest

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 2/2013 (99) 171 skutkiem nieciągłości pierwszej pochonej i wynikającej stą łatwości o wzbuzania obwou LC. Konieczność aktywnego gaszenia oscylacji wpływa również na zwiększenie współczynnika strat. Inny chętnie stosowany filtr wartości zaanej element inercyjny pierwszego i rugiego rzęu także nie uzyskał korzystnych ocen. Chociaż uzyskane wyniki są lepsze niż elementu ograniczającego prękość zmian wartości zaanej, to niekorzystną właściwością inercji jest ługi czas osiągania wartości zaanej. Zaletą tych wóch elementów jest jenak łatwość ich implementacji i niskie wymagania obliczeniowe. 4. Wnioski W artykule przestawiono wa rozwiązania zaganienia stabilizacji obwou pośreniczącego w pojazach trakcyjnych. Pierwsze to ukła aktywnej stabilizacji w oparciu o ujemne sprzężenie zwrotne, wprowazające korektę prąu pobieranego przez napę. Rozwiązanie to choć skuteczne, nie jest pozbawione pewnych wa. W szczególności poejście to może koliować z postawowym zaaniem napęu trakcyjnego, jakim jest rozwijanie stałego i stabilnego momentu. Drugim rozwiązaniem jest zastosowanie filtru wartości zaanej, kontrolującego charakter zmian zmiennej sterującej. Ponieważ stosowanie samego tylko kształtowania zmiennej sterującej nie jest wystarczające o zapewnienia pełnej stabilności napęu, ukła uzupełniono o sprzężenie zwrotne opowiezialne za gaszenie oscylacji z wykorzystaniem rezystora hamowania. Przeprowazone baania symulacyjne wskazują, że akceptowalna wyniki uzyskuje się stosując formowanie sygnału wartości zaanej mocy za pomocą funkcji gaussa lub czybyszewa. Takie połączenie zapewnia skuteczność porównywalną z aktywnym sprzężeniem stabilizującym, ale jest pozbawione jego wa. W szczególności jego ziałanie jest niezależne o stanu pracy samego napęu i może stabilizować obwó LC również na postoju. Waą proponowanego rozwiązania jest obniżenie wskaźników sprawności napęu, spowoowane wytracaniem energii oscylacji w obwozie pośreniczącym w rezystorze hamowania. Jenakże la rozważanego przypaku przebiegu zaburzeń i wartości zaanej mocy napęu, uział strat w oniesieniu o mocy całego napęu jest mniejszy niż 0,5%. Wartość to wskazuje, że proponowane rozwiązanie unikania oscylacji w obwozie LC jest skutecznym rozwiązaniem, które tylko w znikomym stopniu obniża sprawność całego napęu. 5. Literatura [1]. Chuzik P., Raecki A.: Stabilizacja napięcia pośreniczącego falownikowych ukłaów napęowych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 86/2010. [2]. Chuzik P., Raecki A.: Eliminacja oscylacji w ukłazie zasilania pojazu trakcyjnego. Przeglą Elektrotechniczny Nr 2/2010. [3]. Dębowski A., Chuzik P.: Control of rotor flux in AC tram rive uring suen braking operation. EPE-PEMC'2008. [4]. Duek R., Kosiorowski S., Stobiecki A.: Oscylacje w filtrach wejściowych przekształtnikowych napęów trakcyjnych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 86/2010. [5]. Duek R., Kosiorowski S., Stobiecki A.: Zmoyfikowany filtr wejściowy przekształtnikowych napęów trakcyjnych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 90/2011. [6]. Mosskull H.: Stabilization of an Inuction Machine Drive. PhD Thesis, [7]. Mosskull H.: Stabilization of Inuction Motor rives with Poorly Dampe Input Filters.IEEE Transactions on Inustrial Electronics, vol. 54, no. 5, [8]. Skibicki J. Wpływ parametrów filtra wejściowego LC pojazu na stabilność trakcyjnego ukłau zasilania. Zeszyty Naukowe Wyziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gańskiej Nr 21, Autorzy r inż. Daniel Lewanowski aniel.lewanowski@pl.abb.com mgr inż. Piotr Lipnicki piotr.lipnicki@pl.abb.com Korporacyjne Centrum Baawcze ABB ul. Starowiślna 13A, Kraków