Laboratorium. Sterowanie napędami elektrycznymi zagadnienia wybrane

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT MASZYN, NAPĘDÓW I POMIARÓW ELEKTRYCZNYCH ZAKŁAD NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO, MECHATRONIKI I AUTOMATYKI PRZEMYSŁOWEJ Laboratorium Sterowanie napędami elektrycznymi zagadnienia wybrane Ćwiczenie Badanie ślizgowych truktur terowania napędem z ilnikiem indukcyjnym. opracował mgr inż. Grzegorz Tarchała Wrocław 2013

2 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jet: - zapoznanie ię z metodami ślizgowego terowania momentem, prędkością kątową i położeniem wału ilników indukcyjnych trójfazowych, - analiza właściwości tatycznych i dynamicznych badanych układów terowania ślizgowego, - analiza powtającego zjawika chatteringu w regulowanych zmiennych i możliwości jego ograniczenia, - porównanie wyników badań ymulacyjnych z wynikami otrzymanych podcza badań ekperymentalnych. 2. Zakre ćwiczenia - prawdzenie tanu wiedzy tudentów, - analiza pracy ślizgowego terowania momentem SM-DTC ilnika indukcyjnego, - modyfikacja wyjściowego modelu ymulacyjnego w celu otrzymania układu terowania prędkością i położeniem, - oberwacja i akwizycja otrzymanych przebiegów na tanowiku laboratoryjnym, porównanie z wynikami ymulacyjnymi. 3. Literatura - materiały z wykładu Podtawy Automatyki - materiały z wykładu Sterowanie napędami elektrycznymi zagadnienia wybrane - Yan, Z., C. X. Jin, V. I. Utkin (2000). "Senorle liding-mode control of induction motor",ieee Tranaction on Indutrial Electronic,vol. 47, nr 6, tr Utkin, V. I. (1993). "Sliding Mode Control Deign Principle and Application to Electric Drive",IEEE Tranaction on Indutrial Electronic, vol. 40, nr 1, tr Tarchała, G., T. Orłowka-Kowalka (2010). "Comparative analyi of the direct liding-mode torque control trategie of the induction motor",computer application in electrical engineering,ed. R. Nawrowki,Poznań, tr

3 4. Sterowanie ślizgowe wtęp Sterowanie ślizgowe jet jedną z zaawanowanych algorytmicznych metod terowania, za pomocą której mogą być terowane wzytkie kluczowe zmienne ilnika indukcyjnego: moment obrotowy, prędkość oraz położenie wału ilnika. Sterowanie to poiada zereg intereujących właściwości. Wśród pozytywnych cech tego terowania należy wymienić: Dokonałą dynamikę, która w więkzości układów dodatkowo może być definiowana przez projektanta, Redukcję rzędu układu, Niewrażliwość na zakłócenia zewnętrzne (moment obciążenia) i parametryczne (zmiany parametrów ilnika w czaie czy ich błędna identyfikacja), Prototę implementacji i doboru parametrów, Naturalność dla przekztałtników energoelektronicznych w związku z użyciem funkcji znaku (ignum) w prawie terowania (włącz / wyłącz tranzytory falownika). Negatywne cechy ślizgowych układów terowania ą natępujące: Chattering, czyli ocylacje regulowanych zmiennych, wywołane użyciem funkcji znaku przy opóźnieniach wprowadzanymi przez czujniki pomiarowe oraz dykretny poób realizacji układu terowania, Uchyb utalony, Brak kontroli wewnętrznych zmiennych tanu w przypadku terowania prędkością i położeniem, Zmienna czętotliwość łączeń tranzytorów falownika, związana z brakiem modulatora. Nie wzytkie podane powyżej cechy dotyczą wzytkich układów terowaniaślizgowego. Celem laboratorium będzie zapoznanie ię z częścią wymienionych właściwości. 5. Bezpośrednie ślizgowe terowania zmiennymi tanu i momentem ilnika indukcyjnego podtawy teoretyczne 5.1. Bezpośrednie ślizgowe terowanie momentem elektromagnetycznym SM-DTC Projektowanie algorytmów terowania ślizgowego momentem elektromagnetycznym i trumieniem ilnika indukcyjnego dokonuje ię bazując bezpośrednio na modelu matematycznym ilnika, rozzerzonym o równanie macierzowe falownika napięcia (zakłada ię, że równania te ą znane). Algorytmy terowania ślizgowego definiują ygnały załączeń tranzytorów przekztałtnika k=[k A, k B, k C ] T nie jet więc konieczny dodatkowy modulator napięcia. Zakłada ię, że wielkości niedotępne pomiarowo etymowane ą w poób idealny.

4 Projektowanie ślizgowego układu bezpośredniego terowania momentem SM-DTC (ang. Sliding-Mode Direct Torque Control) rozpoczyna ię od zdefiniowania tzw. płazczyzn przełączających. Ponieważ obiektem terowania jet trójfazowy ilnik indukcyjny, w związku z czym itnieją trzy niezależne ygnały terujące k A, k B, k C, itnieje możliwość zdefiniowania trzech funkcji przełączających: T = 1 2, r 3. (1) Zadaniem układu terowania będzie prowadzenie wpomnianych funkcji do zera. Pierwza z funkcji przełączających ma za zadanie zapewnić kontrolę momentu elektromagnetycznego ilnika: 1 α1( e e ) = m m, (2) gdzie: indek wartość zadana, m e moment elektromagnetyczny Opiywana metoda terowania SM-DTC należy do grupy metod terowania ze tabilizacją amplitudy trumienia mazyny indukcyjnej, przy czym może to być zarówno amplituda trumienia tojana: lub amplituda trumienia wirnika: 2 2 ( ) 2 = α2 ( ψ ) ψ (3) d = α ψ ψ + T dt ( ψ ψ ), (4) 2r 2r r r ψ r r gdzie: T ψ =cont, tała czaowa definiująca dynamikę regulacji. Trzecia funkcja przełączająca może zotać zaprojektowana w celu zapewnienia trójfazowej ymetrii napięć: ( ) 3 = α 3 k A + kb + kc dt. (5) gdzie: α 1, α 2, α 2r, α 3 = cont. Aymptotyczna zbieżność wzytkich powyżzych funkcji przełączających zapewniona może zotać po przyjęciu natępującego prawa terowania dwutanowego: * * ign( ) T T k =, = D. (6) Macierz D pojawiająca ię w powyżzym prawie terowania ślizgowego momentem i trumieniem ilnika indukcyjnego wynika z potaci jego modelu matematycznego i jet natępująca: D1, r D = 1 1 1, (7)

5 gdzie dla terowania amplitudą trumienia tojana: T 1 c T c 1 1 iβ + ψ β iα ψ α D TM xσ TM xσ 1 = T T (8) N 2ψ α 2ψ β oraz trumienia wirnika: Tc Tc ψ rβ ψ rα m 1 TM T x M D 1r = T, (9) xxrσ T N Tψ ψ T rα ψ ψ rβ rr rr TN ψ r TN ψ r gdzie: T M tała mechaniczna napędu, T c = T M w przypadku terowania momentem. MacierzT macierz tranformacji z ygnałów załączeń kluczy tranzytorowych na napięcia we wpółrzędnych α-β: T = T T, (10) αβ ABC gdzie pozczególne macierze tranformacji: T αβ =, (11) oraz: u T = DC 1 2 1, ABC (12) gdzie: u DC napięcie w obwodzie pośredniczącym prądu tałego. Schemat blokowy truktury bezpośredniego terowania momentem i trumieniem SI przedtawiony zotał na Ry.1. Do pracy układu terowania SM-DTC niezbędna jet znajomość momentu elektromagnetycznego, kładowych wektora trumienia (lub jego amplitudy i kąta położenia) wybranego do tabilizacji, wektora prądu tojana oraz napięcia w obwodzie pośredniczącym prądu tałego. Sygnały momentu oraz trumienia muzą być etymowane przez odpowiednio dobrany etymator. Wartości kładowych wektora napięcia tojana, w więkzości przypadków niezbędne do realizacji algorytmu etymatora, mogą zotać wyznaczone na podtawie ygnałów załączeń kluczy tranzytorowych, wg zależności:

6 k A uα u k = B, u = T (13) β k C W związku z ograniczeniem dotępnego napięcia zailającego układ napędowy, konieczne jet zmniejzenie zadanej wartości amplitudy trumienia mazyny podcza pracy z prędkościami więkzymi od prędkości znamionowej. W tym celu zatoowany może zotać najprotzy mechanizm ołabiania pola, opiany natępującą zależnością: ψ, r ψ gdy ω ω = ω ψ gdy ω > ω, rn m mn mn, rn m mn ωm gdzie: ω m prędkość kątowa ilnika, indek N oznacza wartość znamionową. (14) ω m m e ψ,r u DC ψˆ,r mˆ e γˆψ,r i α,β u α,β α β i A i B Ry. 1 Schemat blokowy bezpośredniego ślizgowego terowania momentem SI 5.2. Bezpośrednie ślizgowe terowanie prędkością i położeniem wału ilnika indukcyjnego Bezpośrednie terowanie ślizgowe prędkością i położeniem projektuje ię w poób analogiczny do podanego powyżej, w przypadku terowania momentem elektromagnetycznym. Prawo terowania ślizgowego pozotaje niezmienne, natomiat zmienia ię pierwza funkcja przełączająca: = ω = ω ω T & ω, (15) 1 m m c m

7 gdzie: T c tała czaowa definiująca zadaną dynamikę. Podobnie w przypadku terowania pozycją wału ilnika zmienia ię pierwza funkcja przełączająca: = = θ θ T & θ T && θ, (16) 1 θ m m θ m c m gdzie: θ m położenie wału, T θ, T c = cont. Zadaniem tudentów podcza laboratorium będzie odpowiednia modyfikacja otrzymanego modelu ymulacyjnego bezpośredniego terowania ślizgowego momentem elektromagnetycznym, w celu umożliwienia terowania prędkością oraz położeniem wału ilnika indukcyjnego.