LABORATORIUM Z AUTOMATYKI NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO

Transkrypt

1 Intytut Mazyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławkiej ZAKŁAD NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH LABORATORIUM Z AUTOMATYKI NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO Bezpośrednie terowanie momentem ilnika indukcyjnego Wrocław 2007

2 1. Metoda DTC Bezpośrednie Sterowanie Momentem 1.1. Wtęp Metoda DTC jet jedną z odmian terowania wektorowego jej umiejcowienie wśród innych metod terowania wektorowego prezentuje ryunek 2.1. ψ r = cont ψ r = var Regulacja z wymuzeniem dwóch elektromagnetycznych zmiennych tanu Regulacja z wymuzeniem jednej elektromagnetycznej zmiennej tanu Bezpośrednie terowanie napięciowe Wymuzenie prądowe i Sterowanie wektorowe polowo zorientowane Sterowanie wektorowe DTC Pośrednia tabilizacja trumienia Bezpośrednia tabilizacja trumienia Pośrednia tabilizacja trumienia Sterowanie przy ω r = cont Zailanie ze źródła napięcia Zailanie ze źródła prądu Wymuzenie u ψ Sterowanie poprzez i = f(ω r ) (R Ψ ) Sterowanie poprzez u = f(ω,ω r ) Sterowanie przy inδ = cont Pośrednie Bezpośrednie Pośrednie Bezpośrednie Ry. 1.1 Podział truktur terowania Metoda DTC (Direct Torque Control) zotała zaproponowana w 1986 roku przez Takahaki ego i Noguchi ego [1]. Schemat blokowy na ryunku 2.2. Metoda ta zakłada terowanie momentem oraz trumieniem kojarzonym tojana ilnika w poób bezpośredni a nie za pomocą kontroli prądu tojana. Efekt ten uzykać można poprzez bezpośrednie terowanie kluczami falownika na podtawie wyjść komparatorów hiterezowych momentu elektromagnetycznego, trumienia kojarzonego tojana ilnika oraz detekcji aktualnego położenia wektora przetrzennego trumienia kojarzonego tojana. Stany komparatorów oraz położenie wektora trumienia ą podtawą do wyboru odpowiednich tanów kluczy z predefiniowanej tablicy przełączeń optymalnych. Taka metoda terowania zapewnia uzykanie odprzężenia oraz linearyzacje torów terowania (dzięki nieliniowej tranformacji wpółrzędnych) co z kolei zapewnia bardzo dobre właności układu terowania. W proceie terowania nie jet też niezbędny pomiar położenia wału ilnika, co jet jedną z podtawowych zalet tej metody. Prota truktura oraz tounkowo mała liczba wykonywanych obliczeń nie wymaga dużych mocy obliczeniowych. W 1988 roku Depenbrock zaproponował podobną metodę terowania DSC (Direct Self Control) [2].

3 Ψ * * m e dψ dm N Tablica przełączeń u Ψˆ Ψˆ I α I β 3 2 mˆ IM Ry. 1.2 Schemat blokowy układu terowania DTC 1.2. Opi metody Kluczowym elementem metody DTC jet etymacja wektora trumienia kojarzonego tojana ilnika. W celu wyetymowania wektora trumienia tojana należy znać wartość wektora napięcia tojana. Wektor napięcia tojana może zotać wyliczony na podtawie napięć zmierzonych na wyjściu falownika lub etymowany na podtawie tanu kluczy falownika według wzoru: u 2 3 i 2π i 4π 3 3 ( A, B, C) = U ( A + Be + Ce ) DC (2.1) gdzie: u - wektor przetrzenny napięcia tojana w układzie α-β U DC napięcie w obwodzie pośrednim falownika. A,B,C tan kluczy Znając ocenę wartości wektora napięcia tojana oraz dyponując pomiarem wartości wektora prądu wyjściowego falownika można korzytając z zależności: = u i (2.2) dψ dt R

4 całkując powyżze równanie etymować wartość wektora trumienia tojana: gdzie: Ψ - trumień kojarzony tojana R - ocena wartości rezytancji uzwojeń tojana t 1 = n ň 0 ( ) Ψ u R i dt T (2.3) i - pomiar wartości wektora prądu (na wyjściu falownika) i reprezentowany w potaci wektora przetrzennego w układzie α-β Należy zwrócić uwagę na wrażliwość etymatora na wartość oceny rezytancji uzwojeń. W czaie pracy ilnika wartość ta zmienia ię w granicach ±20%. W przypadku małych prędkości obrotowych wartość napięcia u jet mała w porównaniu z drugim kładnikiem podcałkowym, więc popełniany jet duży błąd oceny trumienia kojarzonego tojana. Dodatkowo przy kontrukcji etymatora należy uwzględnić pracę w dykretnych przedziałach czaowych. Do oceny momentu elektromagnetycznego ilnika proponowany jet etymator potaci: 3 me = 2 pψ i (2.4) gdzie: p liczba par biegunów ilnika Na podtawie oceny wektora przetrzennego trumienia dokonywana jet detekcja jego położenia w jednym z ześciu ektorów. β Sektor 3 Wektor 3 (0,1,0) Wektor 2 (1,1,0) Sektor 2 Sektor 4 Wektor 4 (0,1,1) Wektor 1 (1,0,0) Sektor 1 α Sektor 5 Wektor 5 (0,0,1) Wektor 6 (1,0,1) Sektor 6 Ry. 1.3 Podział płazczyzny α-β na ektory

5 Wpomniany wcześniej wektor napięcia tajania może przyjmować ześć nie zerowych tanów oraz dwa zerowe. Tabela 1.1 Tablica wektorów N (A,B,C) 0 (0,0,0) 1 (1,0,0) 2 (1,1,0) 3 (0,1,0) 4 (0,1,1) 5 (0,0,1) 6 (1,0,1) 7 (1,1,1) 1 0 A B C Ry. 1.4 Przykładowe utawienie kluczy Przedtawiając chematycznie falownik w potaci trzech par kluczy jak na ryunku 4, można powiedzieć, że para jet w tanie 0, gdy włączony jet dolny klucz, oraz 1 gdy włączony jet górny (na ryunku 4 chematycznym przedtawiono tan 3 (0,1,0) zaczerpnięty z tabeli 2.1). W obrębie jednego ektora możliwe jet uzykanie czterech tanów aktywnych oraz obu tanów zerowych. Tabela 1.2 Tablica przełączeń optymalnych dψ,dm,n N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 dm= dψ=1 dm= dm= dm= dψ=0 dm= dm= Tabela przełączeń optymalnych (tabela 2.2) jet jednym z kluczowych elementów metody DTC. Jet ona predefiniowaną tablicą zawierającą ygnały terujące kluczami falownika. Numery w tabeli odpowiadają wektorom napięcia (tany kluczy falownika (A,B,C) z tabeli 2.1). Oznaczenia w tabeli: dψ wyjście komparatora trumienia dm wyjście komparatora momentu N numer ektora, w którym aktualnie znajduje ię trumień tojana Sygnały terujące umożliwiające wybór odpowiedniego wektora z tabeli uzykiwane ą poprzez obliczenie różnicy między wartością zadaną a oceną wartości rzeczywitej. Tak uzykany uchyb kierowany jet na komparatory odpowiednio dwutawny trumienia i trójtawny momentu.

6 Komparator hiterezowy trumienia zwraca 0 w przypadku, gdy aktualna amplitudy trumienia kojarzonego tojana ma wartość poniżej zadanej oraz poza trefą hiterezy, oraz 1 gdy aktualna wartość jet więkza od zadanej i przekracza trefę hiterezy. Komparator hiterezowy momentu zwraca -1 gdy wartość momentu aktualnego znajduje ię poniżej dolnej wartości zadanej, 1 gdy jego wartość znajduje ię powyżej górnej wartości zadanej komparatora oraz poza trefą hiterezy, oraz 0 gdy jego wartość aktualna znajduje ię pomiędzy wartością dolną a górną i poza ich trefami hiterezy. Sygnał odpowiadający detekcji ektora uzykiwany jet poprzez obliczenie kąta pomiędzy wektorem przetrzennym trumienia kojarzonego tojana a oią α układu α-β (oią rzeczywitą płazczyzny zepolonej) i porównanie go z zakreami kątów pozczególnych tref. Tak uzykane ygnały terujące pozwalają wybrać odpowiedni wektor z tabeli przełączeń. Ważnym dla zrozumienia metody DTC jet zatanowienie ię jak wpływa na ruch trumienia kojarzonego tojana włącznie pozczególnych ekwencji tanów kluczy falownika. Przy założeniu tałego ruchu wektora trumienia tojana do przodu można powiedzieć, iż włączanie tanów aktywnych zgodnych, co do kierunku ruchu wektora trumienia kojarzonego wirnika powoduje przypiezanie wektora trumienia kojarzonego tojana (zwiękzenie kąta δ) a co za tym idzie zwiękzenie momentu elektrycznego ilnika co przedtawia ryunek 2.5. β Zmiana kąta trumienia przy w łączeniu tanu kolejności zgodnej y Zatrzymanie w ektora trumienia tojan przy użyciu tanu zerow ego Ψ Zmiana kąta trumienia przy włączeniu tanu kolejności przeciw nej δ Ψ r x α Ry. 1.5 Spoób kontroli wartości kąta δ W przypadku włączenia tanu aktywnego nie zgodnego z kierunkiem ruchu wektora trumienia kojarzonego wirnika natępuje gwałtowne zmniejzenie kąta między wektorami a co za tym idzie zmniejzenie momentu elektrycznego. Włączanie tanów zerowych powoduje zatrzymanie wektora trumienia kojarzonego tojana, co przy założeniu ruchu wektora wirnika do przodu powoduje zmniejzenia momentu elektrycznego. Sytuacje powyżej wymienione ilutruje ryunek 2.5. Stoując odpowiednią ekwencje wektorów można zwiękzać, zmniejzać lub zmienić zwrot momentu elektrycznego.

7 Kontrola momentu a co za tym idzie kąta δ dokonywana jet za pomocą komparatora momentu. Utawiając odpowiednio trefę hiterezy oraz terując odpowiednio wartością zadaną momentu elektrycznego możemy kontrolować ruch obrotowy ilnika elektrycznego. W przypadku komparatora trumienia ma ię do czynienia z ytuacją tabilizacji amplitudy trumienia kojarzonego tojana. Przebieg amplitudy trumienia będzie typowy dla komparatora dwutawnego ocylacyjny wokół wartości zadanej. Przy odpowiednio dobranej zerokości trefy hiterezy wahania nie będą negatywnie wpływać na tabilną pracę całego układu. Należy przy tym pamiętać, iż utawienie zbyt małej trefy hiterezy powoduje znaczne zwiękzenie liczby przełączeń kluczy falownika, dobranie za zerokiej powoduje duże wahania trumienia a co za tym idzie i momentu elektrycznego. 2. Opi tanowika laboratoryjnego Stanowiko laboratoryjne umożliwia dokonywanie badań zarówno układu otwartego jak i układu zamkniętego terowania ilnika indukcyjnego klatkowego. Stanowiko to kłada ię z komputera z proceorem ygnałowym przęgniętym z urządzeniami pomiarowymi i terowania, który za pomocą oprogramowania jet w tanie terować pracą ilnika oraz mierzyć wybrane wielkości elektryczne i nieelektryczne. Komputer zawiera kartę proceora ygnałowego DS1103 wraz z oprogramowaniem przeznaczonym do nadzorowania pracy karty oraz akwizycji danych (ryunek 2.1). IBM z karta DSP Panel DSP Enkoder Sterowanie Wejcie U, I Przetworniki pomiarowe LEM Wzbudzenie i obciazenie Wejcie U, I Wejcie Wyjcie En Pradnica moment Silnik indukcyjny Falownik napiecia Sterowanie Zailanie Silnik 3 Ry.2.1 Schemat ideowy truktury tanowika laboratoryjnego Obiektem badań był ilnik indukcyjny przęgnięty z prądnicą prądu tałego pracującą w charakterze obciążenia. Z wałem prądnicy przęgnięty jet enkoder umożliwiający pomiar prędkości kątowej ilnika. Sygnały prądowe oraz napięciowe mierzone były za pomocą przetworników hallotronowych firmy LEM LA25 i LV 25 kalujących ygnały tak, aby były akceptowalne przez kartę proceora. Sygnały te były doprowadzone do karty przy wykorzytaniu wejść analogowych, wyjścia cyfrowe z kolei połużyły do terowania falownikiem. Parametry badanego ilnika: - ilnik obrabiarkowy firmy SIEMENS typ 1PH NF46 moc znamionowa P n = 3,7 / 4,5 / 4,6 dla S1 / S6 60 / S6-40

8 prędkość znamionowa n n = 1400 obr/min prąd znamionowy I n = 13 / 15 / 17,5 A moment znamionowy M n = 24 Nm moment bezwładności J = 0,02 Nm Parametry chematu zatępczego: rezytancja uzwojenia tojana r = 0,79 Ω rezytancja uzwojenia wirnika r r = 0,81 Ω reaktancja rozprozenia uzwojenia tojana x δ = 0,57 Ω reaktancja rozprozenia uzwojenia wirnika x δr = 0,57 Ω reaktancja magneująca x M = 14,5 Ω Optymalne natawy regulatorów 3. Program ćwiczenia Celem ćwiczenia laboratoryjnego jet zapoznanie ię z właściwościami dynamicznymi układu napędowego z SI terowanego metodą DTC, realizowanym w układzie jaki omówiono w intrukcji. Ćwiczenie kłada ię z dwóch części 1 podcza, której wykonywane będą badania ymulacyjne układu terowania ilnika indukcyjnego, oraz 2 w czaie, której wykonane zotaną badania na układzie rzeczywitym. Badania ymulacyjne wykonać należy w programach ymulacyjnych DTC, uruchomionych na tanowikach laboratoryjnych. Po zapoznaniu ię z obługą programu, należy wykonać ymulacje dla zadanych trajektorii prędkości SI i zadanych cykli obciążenia ilnika, podanych przez prowadzącego ćwiczenie. W prawozdaniu należy umieścić chemat blokowy badanego układu, warunki wykonywania pozczególnych ymulacji, wyniki badań zawierające przebiegi dynamiczne pozczególnych zmiennych układu regulacji prędkości SI oraz wnioki z analizy tych wyników. Część 1 1. Zapoznanie ię z zaadami terowania metodą DTC 2. Zapoznanie ię z oprogramowaniem do ymulacji układu terowania SI metodą DTC. 3. Wykonanie badań ymulacyjnych układu terowania SI metodą DTC dla różnych wartości zadanych prędkości, momentu obciążenia i nataw regulatorów. Część 2 1. Zapoznanie ię ze trukturą tanowika laboratoryjnego do badania napędu układu terowania SI metodą DTC. 2. Zapoznanie ię z oprogramowaniem terującym ControlDek 3. Wykonanie badań układu wektorowego układu terowania SI metodą DTC dla pracy w różnych trukturach terowania (z oberwatorem pełnego i zredukowanego rzędu). Pytania kontrolne

9 1. Omówić zaadę terowania SI metodą DTC. 2. Model matematyczny ilnika indukcyjnego. Literatura podtawowa [1] Takahahi I., Noguchi T., A New Quick-Repone and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor, IEEE Tran.Ind Appl, Vol. IA-22, No.5, pp , September [2] Depenbrock M., Direct Self-Control (DSC) of Inverter-Fed Induction Machine, IEEE Tran. Ind Electron, vol.3; No.4, pp , [3] Orłowka-Kowalka T., Bezczujnikowe układy napędowe z ilnikami indukcyjnymi, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławkiej, Seria Wydawnicza Komitetu Elektrotechniki PAN Potępy Napędu Elektrycznego i Energoelektroniki T. 48, Wrocław 2003 [4] Tunia H., Kaźmierkowki M., Automatyka napędu przekztałtnikowego, PWN, Warzawa [5] Tunia H., Kaźmierkowki M., Automatic Control of Converter-Fed Drive, ELSEVIER, Amterdam-London-New York-Tokyo PWN, Warzawa [6] Tunia H., Winiarki B., Energoelektronika, WNT, Warzawa Literatura uzupełniająca [1] Va P., Senorle Vector Control and Direct Torque Control, Oxford Univerity Pre, [2] Luukko J., Direct torque control of permanent ynchronou machine - analyi and implementation, Acta Univeritati Lappeenrantaeni 97, Di. Leppeenranta Univerity of Technology, Leppeenranta [3] [4]

10