Właściwości napędowe pięciofazowego silnika indukcyjnego klatkowego

Transkrypt

1 XV konferencja naukowo-technczna o charakterze szkolenowym AUTOMATYKA, ELEKTRYKA, ZAKŁÓCENA , Jurata Współorganzatorzy: Poltechnka Gdańska, Zarząd Portu Port Gdyna SA, SPE/O Gdańsk Właścwośc napędowe pęcofazowego slnka ndukcyjnego klatkowego Jarosław GUZŃSK, Grzegorz KOSTRO, Patryk STRANKOWSK, Marcn MORAWEC, Flp Wlczyńsk Wydzał Elektrotechnk Automatyk Katedra Automatyk Napędu Elektrycznego

2 Napędy elektryczne welofazowe rok perwszy napęd elektryczny 5 fazowy z falownkem napęca 2. Do lat 1990 ogranczone zanteresowane z powodu braku odpowednch falownków 3. Duże zanteresowane ntensywny rozwój od 2000 roku ze względu na pożądane zastosowane w: napędy trakcyjne (pojazdy hybrydowe elektryczne), napędy elektryczne statków, napędy elektryczne w samolotach (koncepcja more-electrc arcraft ).

3 Napędy elektryczne welofazowe Maszyna welofazowa czyl o lczbe faz wększej nż trzy, np. maszyna pęcofazowa Nowe możlwośc wynkające z zastosowana maszyn welofazowych Elektryczna seć trójfazowa ne jest ogranczenem przy stosowanu maszyn welofazowych, np. 5 fazowych, gdyż wększość napędów elektrycznych jest obecne zaslana z falownków Maszyny welofazowe są na raze droge ale wynka to jedyne z małej skal produkcj, przy produkcj welkoseryjnej koszt będze podobny jak maszyn trójfazowych

4 Napęd elektryczny z pęcofazowym slnk ndukcyjny klatkowy Zalety w porównan z slnkam 3 fazowym - Wyższa nezawodność (możlwość pracy z uszkodzoną jedną fazą, a w nektórych przypadkach równeż z uszkodzonym dwoma fazam) - Mnejsze pulsacje momentu (mnejszy hałas) - Stosowane falownków z tranzystoram na mnejsze prądy - Dodatkowe możlwośc sterowana (możlwe jest uzyskane wyższego momentu napędowego) Trudnośc - Bardzej złożone metody sterowana - Brak oferty fabrycznych pęcofazowych slnków falownków

5 Napęd elektryczny z pęcofazowym slnk ndukcyjny klatkowy

6 Pęcofazowy slnk ndukcyjny klatkowy Dane jednego z wykonanych prototypów: P N = 5,5 kw p = 3 n N =1430 obr/mn U N (fazowe) = 140 V f N = 75 Hz N = 10,9 A cosj N = 0,84 Budowa prototypu slnka: wykorzystane obudowy wrnka standardowego slnka 3-fazowego projekt paketu stojana wycęce blach stojana (laser FBER) złożene paketu blach nawnęce uzwojeń złożene slnka

7 Pęcofazowy slnk ndukcyjny klatkowy Gotowy pęcofazowy slnk

8 Pęcofazowy slnk ndukcyjny klatkowy Charakterystyka mechanczna przy zaslanu znamonowym symulacja polowa

9 Pęcofazowy slnk ndukcyjny klatkowy Charakterystyk mechanczna przy zaslanu znamonowym symulacja pomary

10 Pęcofazowy slnk ndukcyjny klatkowy Rozpływ strumena rozkład ndukcj magnetycznej Rozkład składowej radalnej ndukcj w szczelne roboczej pęcofazowego slnka ndukcyjnego klatkowego przy zaslanu napęcem znamonowym

11 Praca w stanach awaryjnych Rozruch bezpośredn sprawnego pęcofazowego slnka

12 Praca w stanach awaryjnych Prąd w faze A Rozruch bezpośredn z uszkodzoną jedna fazą stojana

13 Praca w stanach awaryjnych Charakterystyk mechanczne pęcofazowego slnka ndukcyjnego klatkowego przy zaslanu napęcem znamonowym dla różnych uszkodzeń uzwojeń stojana symulacja polowa

14 Praca w stanach awaryjnych Charakterystyk mechanczne pęcofazowego slnka ndukcyjnego klatkowego przy zaslanu znamonowym dla różnych uszkodzeń uzwojeń stojana symulacja polowa eksperyment

15 Praca w stanach awaryjnych Przy uszkodzenach faz stojana zwększają sę prądy w neuszkodzonych fazach. Rozkład tej jest nesymetryczny, np.: Prądy fazowe pęcofazowego slnka przy uszkodzenu dwóch nesąsadujących faz stojana przy zaslanu znamonowym 20% obcążenu - badana laboratoryjne

16 Praca w stanach awaryjnych Uszkodzene faz stojana wpływa znacząco na rozpływ strumena magnetycznego rozkład ndukcj magnetycznej Rozpływ strumena magnetycznego rozkład ndukcj magnetycznej przy uszkodzenach faz stojana pęcofazowego slnka ndukcyjnego

17 Zwększene momentu napędowego w pęcofazowym slnku klatkowym Sterowane zapewnające synchronzacje 1 3 harmoncznej strumena wrnka Lepsze wykorzystane obwodu magnetycznego Strumene wrnka w pęcofazowym slnku ndukcyjnym

18 Uzwojena stojana skupone rozłożone Skupone Rozłożone 72 2 =36 B -D' A -C' E' -E' -B' C D' -A -A' D C' -B -E E B' -C A' -D m=5 2p=2 q =1 s 72 2 =36 -E' C -E' B B -D' A -D' A -C' -C' C -A -A D D -B -B E E E' -D E' B' -B' B' -B' -E D' -E D' -A' -A' C' C' -C -C -D m=5 2p=2 q s=2 A' A'

19 Model matematyczny pęcofazowego slnka o uzwojenach skuponych Model w układze współrzędnych abcde (5 wymarowa przestrzeń wektorowa) jest przekształcana na dwe dwuwymarowe podprzestrzene (płaszczyzny) a-b, x-y: A s cos sn cos sn 1 cos 2 cos2 cos sn 2 sn2 sn 2 cos4 cos4 cos2 2 sn4 sn4 sn a-b x-y Składowa zerowa Transformacja Clarke P=const

20 Model matematyczny pęcofazowego slnka o uzwojenach skuponych r 3 r

21 Model matematyczny pęcofazowego slnka o uzwojenach skuponych Model obwodowy maszyny ndukcyjnej pęcofazowej o uzwojenach skuponych: J dr d M e M e M obc 1 harmonczna 3 harmonczna 100 % M n do ok. 15% M n r 3 r

22 Kolejność zaslana faz pęcofazowego slnka ndukcyjnego

23 Kolejność zaslana faz pęcofazowego slnka ndukcyjnego Sekwencja 1 Sekwencja 3 2p=4 2p=12 Rozpływ strumena magnetycznego w pęcofazowym slnku dla różnych kolejnośc zaslana faz uzwojena stojana

24 Zaslane pęcofazowego slnka trzecą harmonczną napęca Charakterystyk mechanczne pęcofazowego slnka ndukcyjnego przy zaslanu trzecą harmonczną napęca symulacje polowe pomary laboratoryjne

25 Modulacja szerokośc mpulsów w pęcofazowym falownku napęca

26 Modulacja szerokośc mpulsów w pęcofazowym falownku napęca NAPĘCE PRĄD Przebeg napęca wyjścowego u ab oraz przebeg harmonczne prądu fazowego a podczas formowana równocześne 1 3 harmoncznej napęca wyjścowego Sekwencja wektorów aktywnych pasywnych: Przebeg napęca przewodowego oraz prądu fazowego przy generowanu perwszej trzecej harmoncznej napęca wyjścowego

27 Modulacja szerokośc mpulsów w pęcofazowym falownku napęca Przebeg prądu fazowego pęcofazowego slnka ndukcyjnego przy różnych obcążenach zaslanu napęcem z dodatkem 3 harmoncznej

28 Regulacja momentu, strumena magnetycznego prędkośc obrotowej Znane metody sterowana można stosować dla pęcofazowych slnków Sterowane skalarne U/f jest możlwe jedyne dla sterowana w układze ortogonalnym Sterowane zwększające moment napędowy wymaga układu zapewnającego synchronzacje strumena wrnka w oraz układze ortogonalnym, np.: Sterowane polowo zorentowane Sterowane nelnowe (multskalarne) Estymacja zmennych jest bardzej złożona, mus być dodany obserwator stany dla zmennych układu ortogonalnego Sterowane estymacja zmennych w obu układach ortogonalnych wymaga wększej mocy oblczenowej układu mkroprocesorowego

29 Sterowane polowo zorentowane Struktura układu sterowana polowo zorentowanego pęcofazowym slnkem ndukcyjnym klatkowym synchronzacją perwszej trzecej harmoncznej strumena

30 Sterowane polowo zorentowane pęcofazowym slnkem ndukcyjnym Przebeg podczas nawrotu pęcofazowego slnka ndukcyjnego przy sterowanu polowo zorentowanym dla układów ortogonalnych oraz z synchronzacją strumen badana eksperymentalne

31 Sterowane polowo zorentowane pęcofazowym slnkem ndukcyjnym

32 Sterowane multskalarne pęcofazowym slnkem ndukcyjnym 30-lece sterowana multskalarnego: Zbgnew Krzemnsk, Nonlnear control of nducton motor, Proceedngs of the 10th FAC World Congress, Munch, (1987), Elektryczne zmenne stanu modelu a -b : r, r s, Zmenne modelu multskalarnego: 12 r s r s q s q21 r r r r Krzemńsk Z., Adamowcz M., Guzńsk J.: "Nonlnear control of fve phase nducton motor wth synchronzed thrd harmonc flux njecton," Frst Workshop on Smart Grd and Renewable Energy (SGRE2015), , Doha, Katar. 22 r s r s q Zmenne multskalarne prędkośc kątowej: q 11 r 11 r q 3 gdze: 3 q11 q11

33 Sterowane multskalarne pęcofazowym slnkem ndukcyjnym Na dynamkę prędkośc kątowej wrnka mają wpływ moment pochodzący od 1. harmoncznej prądu stojana strumena wrnka oraz moment pochodzący od 3. harmoncznej prądu stojana strumena wrnka: dq11 1 L m q M q dt J Lr L Lm 12 obc 12 r Równana dynamk pozostałych zmennych multskalarnych: dq 12 dt R L r s Rs Lr Lr Ls 12 Lm Lr Lr Ls Lr Ls q ( q q ) u, nelnowe q 21 Rr r dq 22 dt Lm 21 r 22 r dq 2 q 2R q dt L L r s Rs Lr Lr Ls R L q 22 q11q12 2 Rr Lm Lm Lr 2 21 r s 2 Lr L L s r Lr Ls q R u, nelnowe

34 Zmenne sterujące modelu multskalarnego: Sterowane multskalarne pęcofazowym slnkem ndukcyjnym Lr Ls Lm Rr Ls Rs Lr Lr Lr Ls Lr u q ( q q ) m, Lr Ls Rr Lm 2 L r L r L s u ( q q q 2 2 r m ( q 12 ) ( q 22 ) r s s r 2 L r ( q 21 ) Lr R L R L R L ) m Lnearyzacja nelnowych równań modelu multskalarnego: 2 dq 12 dt Rr Ls Rs Lr dq22 Rr Ls Rs Lr q12 m 1, 22 2 Lr Ls dt Lr Ls q m, Nowe zmenne sterujące

35 ref q 11 q 11 ref q21 1 r q21 1 ref q 12 ref q 22 q 12 q 22 m 1 m 2 Sprzężena zwrotne lnearyzujące (14),(15) oraz transformacja (22),(23) zmennych sterujących vs vs r s s r ref r ref r r r r r Sterowane multskalarne r r r ref q 21 q 21 ref q12 ref q 22 q 12 q 22 m 1 m 2 Sprzężena zwrotne lnearyzujące (14),(15) oraz transformacja (22),(23) zmennych sterujących vs vs r 3 s s r

36 Rozruchu slnka ndukcyjnego pęcofazowego ze stałym momentem obcążena - symulacja, j.w., j.w. r _ zad r r _ zad r M, q, j.w. M,q,q, 2 j.w. 2 obc 12 S obc S ra Wb ra Wb Max 0.85 Max 0.94 Nastąpł wzrost generowanego momentu przy jednakowym wskaźnku prądu sa A sa A s s s Sterowane multskalarne tylko dla układu współrzędnych a -b Sterowane multskalarne dla układów współrzędnych a -b oraz a -b (nekcja 3. harmoncznej strumena wrnka)

37 Rozruchu slnka ndukcyjnego pęcofazowego ze stałym momentem obcążena - symulacja, j.w., j.w. r _ zad r r _ zad M, q, j.w. M,q,q, 2 j.w. 2 obc 12 S Rozruch r Rozruch obc S Skutkem jest skrócene czasu rozruchu o ok. 1/5 ra Wb ra Wb sa A sa A Sterowane multskalarne tylko dla układu współrzędnych a -b Sterowane multskalarne dla układów współrzędnych a -b oraz a -b (nekcja 3. harmoncznej strumena wrnka)

38 Podsumowane wnosk Główną zaletą pęcofazowych slnków jest podwyższona nezawodność pracy co czyn slnk te szczególne przydatnym w układach dużej mocy nnych wymagających nezawodnej pracy Slnk pęcofazowe mogą pracować z ogranczonym momentem z uszkodzoną jedną lub dwoma ne sąsednm fazam Przy wprowadzenu odpowednej metody sterowana można uzyskać wzrost momentu napędowego dzęk wykorzystanu trzecej harmoncznej strumena wrnka Stopeń skomplkowana konstrukcj pęcofazowego slnka jest podobny do trójfazowego slnka, koszt będze podobny przy produkcj welkoseryjnej Możlwa jest zmana stnejącego trójfazowego slnka na pęcofazowy slnk jedyne przez wymanę paketu stojana Projekt został sfnansowany ze środków Narodowego Centrum Nauk przyznanych na podstawe decyzj numer DEC-2013/09/B/ST7/01642 oraz 2015/19/N/ST7/03078.