Falownikowy układ sterowania napędem indukcyjnym w stanach awaryjnych: możliwości i ograniczenia

Transkrypt

1 Falownikowy układ sterowania napędem indukcyjnym w stanach awaryjnych: możliwości i ograniczenia Andrzej Radecki 1. Wstęp Zmniejszające się koszty falowników napięciowych powodują coraz powszechniejsze ich wykorzystanie do sterowania układów napędowych. Coraz częściej opracowywane są także nowatorskie konstrukcje falowników, które rozszerzając ich typowe struktury, nie tylko zapewniają sterowanie napędem w pełni sprawnym, lecz gwarantują również możliwość prawidłowej reakcji układu sterowania w sytuacji wystąpienia częściowego uszkodzenia napędu lub falownika, należącego do określonej klasy usterek. Można się spodziewać, że w ciągu najbliższych kilku, kilkunastu lat, wykorzystanie zaawansowanych energoelektronicznych struktur sterowania nie będzie stanowiło istotnych kosztów w relacji do kosztów napędów. Silniki trójfazowe mogą być postrzegane jako urządzenia, w których wielkości wektorowe napięcia, prądu i strumienia indukcji magnetycznej wytwarzane są w pewnym sensie przez strukturę redundancyjną. Uszkodzenie jednej z faz stojana w dalszym ciągu umożliwia ich realizację poprzez rozłożenie ich na składowe fazowe sprawnych uzwojeń w odpowiednich proporcjach [1]. Silniki trójfazowe nie są jednak projektowane z uwzględnieniem możliwości realizacji nominalnych wartości wektorów prądów i strumieni z wykorzystaniem jedynie dwóch faz, co wprowadza ograniczenia ich wykorzystania w stanie częściowej awarii. Uszkodzenia uzwojeń stojana silnika trójfazowego stanowią ok. 38% wszystkich uszkodzeń napędów indukcyjnych [2] i stanowią, obok uszkodzeń łożysk wirnika, największą grupę usterek. Zasadniczo napęd, w którym zostało zdiagnozowane uszkodzenie, powinien zostać zatrzymany, a uszkodzenie wyeliminowane. Nie jest jednak wskazane natychmiastowe zatrzymanie napędu po wykryciu usterki, gdy może to doprowadzić do zagrożenia jego obsługi lub sterowanego przez niego procesu. Ważne jest w takiej sytuacji, aby można było doprowadzić realizowany proces do zadanego punktu umożliwiającego bezpieczne odstawienie napędu. W celu podniesienia niezawodności oraz bezpieczeństwa pracy silników stosowane są układy sterowania tolerujące uszkodzenia [3, 4]. Układy te na podstawie detekcji usterki dokonują rekonfiguracji struktury sterowania i umożliwiają przeprowadzenie procesu sterowania w nowych warunkach pracy układu napędowego. 2. Typowe struktury falowników napięciowych Układy napędowe, sterowane metodami wektorowymi, wykorzystują do zasilania silników głównie falowniki napięciowe. Typowa struktura takiego falownika oparta jest na trzech gałę- Streszczenie: W artykule została przedstawiona metoda sterowania falownikowym napędem indukcyjnym, która umożliwia kontrolę momentu elektromagnetycznego silnika w stanach jego częściowego uszkodzenia. Zaprezentowane zostały możliwości oraz ograniczenia związane z wykorzystaniem falownika napięciowego opartego na potrójnym mostku H. W artykule zawarto wyniki badań symulacyjnych oraz wyniki badań laboratoryjnych, wskazujące na skuteczność opisywanych rozwiązań w sytuacji wystąpienia przerwy w jednej z faz stojana silnika trójfazowego. CONTROL SYSTEM OF INVERTER FED INDUCTION MOTOR DRIVE IN FAULTY CONDITIONS: CAPABILITIES AND LIMITATIONS Abstract: In this article a control strategy of inverter fed induction motor drive in faulty states was presented. It was shown that with using a voltage inverter based on three independent H-bridges, an electromagnetic torque of three phase induction motor with one open phase can be well controlled. Capabilities and limitations of using proposed control algorithm was included in this article as well as waveforms achieved from simulations and laboratory tests. ziach półmostka H (rys. 1 a) i umożliwia realizację sześciu wektorów napięcia stojana. W sytuacji podwyższonych wymagań dotyczących jakości realizowanego napięcia stojana (pośrednio prądu stojana) stosowane są falowniki trójpoziomowe [5] (rys. 1 b) lub wielopoziomowe [6, 7]. Umożliwiają one zmniejszenie zawartości wyższych harmonicznych w realizowanych przebiegach napięć i prądów. Falowniki te nie umożliwiają jednak prawidłowego sterowania silnikiem w sytuacji wystąpienia uszkodzenia uzwojeń stojana. Do sterowania układami napędowymi w stanach awaryjnych stosowane są zmodyfikowane struktury typowych falowników napięciowych. Najprostsza modyfikacja falownika napięciowego 6T związana jest z dołączeniem dodatkowej gałęzi półmostka H (rys. 1 c) lub gałęzi umożliwiającej podłączenie do punktu neutralnego połowy wartości napięcia obwodu pośredniczącego (rys. 1 d). W nominalnych warunkach pracy układu napędowego dodatkowa struktura falownika jest zwykle nieaktywna, a jej wykorzystanie odbywa się w stanie zdiagnozowanej usterki falownika lub silnika. Wykorzystanie właściwości takich falowników do sterowania częściowo uszkodzonym silnikiem wymaga Nr 5 Maj 2013 r. 71

2 Rys. 3. Siatka wektorów napięć możliwych do uzyskania, w falowniku napięciowym opartym na potrójnym mostku H, poprzez niezależne sterowanie napięciami fazowymi (U a, U b, U c ) Rys. 1. Struktury falowników napięciowych silników trójfazowych: a) klasyczny dwupoziomowy; b) klasyczny trójpoziomowy; c) z dodatkową gałęzią półmostka H; d) z awaryjnym załączeniem napięcia do punktu neutralnego Rys. 2. Falownik napięciowy oparty na potrójnym mostku H Rys. 4. Siatka wektorów napięć możliwych do uzyskania, w falowniku napięciowym opartym na potrójnym mostku H, w sytuacji przerwy: a) w fazie a; b) fazie b; c) w fazie c Rys. 5. Układ sterowania momentem elektromagnetycznym silnika indukcyjnego klatkowego bazujący na metodzie pośredniej zorientowanej prądowo 72 Nr 5 Maj 2013 r.

3 rekonfiguracji ich struktury sterowania [8, 9, 10]. W przypadku sterowania silnikiem z jedną rozwartą fazą falowniki te umożliwiają realizację zredukowanej liczby wektorów napięcia stojana, zapewniając jednak zdolność zadawania wektora napięcia stojana o dowolnej wartości argumentu. 3. Falownik napięciowy oparty na potrójnym mostku H Jedną z możliwych konstrukcji falownika napięciowego jest struktura oparta na wykorzystaniu trzech mostków H (falownik 3H) do niezależnego zasilania każdej z trzech faz silnika [11, 12] (rys. 2). Falownik taki charakteryzuje się taką samą liczbą wektorów napięcia stojana jak falownik trójpoziomowy (rys. 3), przy wykorzystaniu do jego konstrukcji tej samej liczby kluczy energoelektronicznych. Podobnie jak falowniki przedstawione na rysunkach 1 c i 1 d, falownik napięciowy 3H umożliwia sterowanie silnikiem z jedną fazą rozwartą. Wynika to z faktu, iż składowe wektora napięcia stojana lub wektora prądu stojana, tworzące niezerowy iloczyn wektorowy, mogą zostać wykorzystane do opisu wektora położonego w dowolnym punkcie przestrzeni rozpiętej na tych składowych. Falownik taki umożliwia zatem prawidłowe sterowanie nie tylko w pełni sprawnym silnikiem trójfazowym, ale również takim, w którym na skutek awarii uszkodzeniu uległy klucze energoelektroniczne jednego z mostków lub przerwaniu uległa jedna z faz silnika. W sytuacji takiego uszkodzenia liczba wektorów napięć stojana podlega redukcji do podzbioru zależnego od utraconej fazy (rys. 4). Istotna korzyść, wynikająca z wykorzystania falownika opartego na potrójnym mostku H, związana jest z możliwością prawidłowej realizacji wektora prądu stojana zarówno w sytuacji silnika sprawnego, jak i z uszkodzoną fazą, bez konieczności rekonfiguracji struktury sterowania. 4. Możliwości kontroli momentu elektromagnetycznego silnika indukcyjnego z przerwaną fazą stojana W falowniku opartym na potrójnym mostku H istnieje możliwość realizacji układu regulacji wektora prądu stojana I S, odpornego na asymetrię uzwojeń sto- Rys. 6. Przebiegi regulacji momentu elektromagnetycznego uzyskane: a) w procesie symulacji komputerowych; b) na stanowisku laboratoryjnym, gdzie: i a, i b, i c zmierzone prądy fazowe; e Is uchyb regulacji modułu wektora prądu stojana; e arg{is} uchyb regulacji kąta wektora prądu stojana; M z, M, M est moment elektromagnetyczny silnika: zadany, wytworzony i estymowany; Ω i Ω est prędkość kątowa wirnika zmierzona i estymowana Nr 5 Maj 2013 r. 73

4 jana oraz przerwę w jednej z jego faz. Bazując na układzie sterowania wektora prądu stojana opartym na kompensacji wektora uchybu prądu stojana ΔI S poprzez uchyby prądów fazowych [5, 10], można wykorzystać falownik 3H do niezależnej kompensacji uchybów prądów fazowych w każdej ze sprawnych faz. Umożliwi to realizację wektora prądu w każdej sytuacji, w której tylko osiągalne składowe fazowe będą w stanie go opisać. Sterowanie takie umożliwia prawidłową realizację wektora prądu stojana zarówno z wykorzystaniem trzech, jak i dwóch faz (przy założeniu możliwości zadania napięcia fazowego, niezbędnego do realizacji prądów fazowych), bez konieczności rekonfiguracji struktury sterowania, co w dalszej konsekwencji eliminuje niekorzystny efekt występujący w układach sterowania tolerujących uszkodzenia, a związany z utratą kontroli nad momentem elektromagnetycznym w czasie niezdiagnozowanego uszkodzenia silnika. Podstawą do realizacji układu sterowania silnikiem trójfazowym, odpornego na przerwanie fazy silnika, powinna być wobec powyższego metoda regulacji zorientowana prądowo, w której realizacja zadanego wektora prądu stojana I ZS będzie zapewniała prawidłowe sterowanie momentem elektromagnetycznym. Jedną z takich metod opracowanych dla silników indukcyjnych jest wektorowa metoda pośredniego sterowania momentem elektromagnetycznym i strumieniem skojarzonym wirnika [13, 14] o wartościach zadanych odpowiednio M Z i Ψ R (rys. 5). Niezależne wyjścia napięciowe (U a, U b, U c ) wypracowywane w każdym z niezależnych regulatorów fazowych kompensują uchyby prądów fazowych. Przy czym w zależności od pożądanych dodatkowych właściwości dynamicznych układu regulacji mogą być to zarówno regulatory liniowe PI (w połączeniu z modulatorami sygnałów napięciowych), jak i regulatory dwu- lub trójpołożeniowe, których wartości wyjściowe w sposób naturalny są realizowane przez mostki H. W celu weryfikacji struktury sterowania wykorzystującej falownik 3H do regulacji wektora prądu stojana silnika sprawnego i z przerwaną fazą zostały przeprowadzone badania symulacyjne w środowisku Matlab-Simulink 2009 oraz na stanowisku laboratoryjnym z silnikiem indukcyjnym klatkowym o mocy 2,2 kw. W trakcie procesu sterowania napędem sprawnym została, w chwili czasowej t = 0,12 s, rozwarta faza a (rys. 6). W wyniku zastosowania falownika 3H i opisywanego w artykule układu sterowania wygenerowane uszkodzenie w chwili czasowej t = 0,12 s powoduje jedynie krótkotrwałe zaburzenie procesu regulacji składowych wektora prądu stojana, co przekłada się na chwilowe zaburzenie momentu elektromagnetycznego. Nie jest przy tym potrzebna detekcja uszkodzenia, ponieważ odporny układ regulacji w chwili wystąpienia zakłócenia wektora prądu bezzwłocznie dokonuje kompensacji prądu fazy przerwanej prądami faz pozostałych. Rys. 7. Przebiegi regulacji oraz hodograf wektora prądu stojana wyznaczone dla zadanego nominalnego momentu elektromagnetycznego generowanego w nominalnym zakresie prędkości kątowej wału w przypadku: a) sprawnego silnika trójfazowego; b) silnika z przerwaną fazą c 5. Ograniczenia sterowania momentem elektromagnetycznym silnika indukcyjnego z przerwaną fazą stojana Możliwość sterowania momentem silnika trójfazowego z wykorzystaniem dwóch faz nie oznacza, że zachowa on swoje nominalne właściwości w stanie pracy awaryjnej. Należy rozważyć dwa podstawowe aspekty ograniczające proces sterowania silnikiem trójfazowym z wykorzystaniem jedynie dwóch faz stojana. Po pierwsze, amplitudy prądów fazowych, kompensujących fazę rozwartą, są blisko dwukrotnie 74 Nr 5 Maj 2013 r.

5 większe od nominalnych warunków pracy. Pomijając oczywiste względy związane z większymi stratami mocy, może to prowadzić zarówno do przekroczenia wartości dopuszczalnych tych prądów i uszkodzenia termicznego uzwojeń, jak i lokalnego nasycenia rdzenia indukcją magnetyczną. Po drugie, zwiększonym wymaganiom prądowym musi sprostać zubożony zbiór wektorów napięcia stojana (rys. 4). Prowadzić to będzie do szybszej utraty możliwości sterowania wektorem prądu stojana przy dużych prędkościach obrotowych (dużych wartościach siły elektromotorycznej) (rys. 7). Problem ten można próbować rozwiązać, dokonując adaptacji algorytmu odwzbudzania silnika indukcyjnego klatkowego z wykorzystaniem metody opartej na analizie odfiltrowanego napięcia sterującego [15]. 6. Podsumowanie W artykule zaprezentowano możliwości oraz ograniczenia, jakie związane są z wykorzystaniem falownika napięciowego opartego na potrójnym mostku H do sterowania silnika trójfazowego z przerwaną fazą stojana. Wykazano możliwość kontroli momentu elektromagnetycznego silnika indukcyjnego pod warunkiem prawidłowej realizacji wektora prądu stojana. Wskazane zostały problemy z realizacją wektora prądu stojana w sytuacji wejścia wektora napięcia stojana w stan ograniczenia związany z utratą jednej fazy silnika. Literatura [1] Radecki A.: Odporna regulacja wektora prądu stojana do sterowania tolerującego uszkodzenia napędów falownikowych. Przegląd Elektrotechniczny, 4b/2012, s [2] Khalaf S.G., Haider M.: Diagnosis and Fault Tolerant Control of the Induction Motors Techniques a Review, Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 2010, s [3] Campos-Delgado D.U., Espinoza-Trejo D.R., Palacios E.: Fault- -tolerant control in variable speed drives: a survey. IET Electric Power Applications, 2/2008, s [4] Khalaf S.G., Haider M.: Diagnosis and Fault Tolerant Control of the Induction Motors Techniques a Review, Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 2010, s [5] Pawlaczyk L.: Sterowanie prądem wyjściowym trójpoziomowego falownika napięcia, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 62/2008, s [6] Płachtyna O., Żarnowski R.: Wielopoziomowy falownik w zastosowaniu do silnika indukcyjnego lub autonomicznej prądnicy indukcyjnej albo synchronicznej, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, 86/2010, s [7] Khoucha F., Lagoun S.M., Marouani K., Kheloui A., El Hachemi Benbouzid M.L.: Hybrid Cascaded H-Bridge Multilevel-Inverter Induction-Motor-Drive Direct Torque Control for Automotive Applications, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Volume 57, 3/2010, s [8] Hoang K.D., Zhu Z.Q., Foster M.P., Stone D.A.: Comparative study of current vector control performance of alternate fault tolerant inverter topologies for three-phase PM brushless ac machine with one phase open circuit fault, 5th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives, 2010, s [9] Welchko B.A., Lipo T.A., Jahns T.M., Schulz S.E.: Fault Tolerant Three-Phase AC Motor Drive Topologies: A Comparison of Features, Cost, and Limitations. IEEE Transactions on Power Electronics, 4/2004, s [10] Hai Lin, Hong Li, Yintao Wang, Mingfeng Li, Peng Wen, Chunhui Zhang: On inverter fault-tolerant operation vector control of a PMSM drive, IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems, 2009, s [11] Ertugrul N., Soong W., Dostal G., Saxon D.: Fault tolerant motor drive system with redundancy for critical applications. IEEE 33rd Annual Power Electronics Specialists Conference, Volume 3, 2002, s [12] Corzine K.A., Sudhoff S.D., Whitcomb C.A.: Performance characteristics of a cascaded two-level converter, IEEE Transactions on Energy Conversion, Volume 14, 3/1999, s [13] Dębowski A.: Pośrednie sterowanie w napędzie elektrycznym przy wykorzystaniu stymulatora stanu. Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, 552/1991, Rozprawy Naukowe z [14] Chudzik P., Radecki A.: Korekta syntezy kąta wektora prądu w układach sterowania napędami indukcyjnymi. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, 84/2011, s [15] Radecki A., Chudzik P.: Badania porównawcze wybranych metod odwzbudzania silnika indukcyjnego zasilanego z sieci o dużych chwilowych spadkach napięć. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, 90/2011, s dr inż. Andrzej Radecki Politechnika Łódzka, Instytut Automatyki, andrzej.radecki@p.lodz.pl artykuł recenzowany reklama Nr 5 Maj 2013 r. 75