ANALIZA WPŁYWU WYBRANYCH USZKODZEŃ NA PRACĘ NAPĘDU Z SILNIKIEM PMSM I PRZEKSZTAŁTNIKIEM MATRYCOWYM

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS N 91 Electrical Engineering 2017 DOI /j Dariuz MAJCHRZAK* ANALIZA WPŁYWU WYBRANYCH USZKODZEŃ NA PRACĘ NAPĘDU Z SILNIKIEM PMSM I PRZEKSZTAŁTNIKIEM MATRYCOWYM W artykule przetawin wyniki baań ymulacyjnych ukłau napęweg z ilnikiem ynchrnicznym magneach trwałych, zailanym z bezpśrenieg przekztałtnika matrycweg. Zbaane ztały uzkzenia plegające na częściwej lub całkwitej przerwie wukierunkweg klucza energelektrniczneg, a także przerwie wóch kluczy w tej amej lub różnych fazach. Analizie pan wpływ uzkzeń na przebiegi prąów wejściwych i wyjściwych przekztałtnika raz prękści brtwej ilnika. Baania przeprwazn w prgramie Matlab/Simulink z użyciem bibliteki SimPwerSytem. SŁOWA KLUCZOWE: PMSM, przekztałtnik matrycwy, napę elektryczny, uzkzenia 1. WPROWADZENIE Silniki PMSM (ang. Permanent Magnet Synchrnu Mtr), zięki użej gętści mcy, wykiej prawnści i nikiemu mmentwi bezwłanści ą pwzechnie twane w przęcie gpartwa mweg raz przemyśle. Precyzyjne terwanie prękścią i mmentem brtwym wymaga twania przekztałtnika energelektrniczneg, który umżliwia tarczenie ilnika energii elektrycznej wymaganych parametrach. Klaycznie twane przekztałtniki AC/DC/AC, kłaają ię z przekztałtnika ieciweg AC/DC (najczęściej nieterwaneg prtwnika 3 fazweg), zyny prąu tałeg raz przekztałtnika ilnikweg DC/AC. Waami takieg rzwiązania ą ilnie kztałcne prąy wejściwe, brak mżliwści zwrtu energii ieci raz kniecznść twania knenatrów elektrlitycznych użej pjemnści, które jencześnie cechują ię krótką żywtnścią. Pwyżze way mgą ztać wyeliminwane pprzez zatwanie przekztałtnika matrycweg, który prócz braku knenatrów na zynie prąu tałeg charakteryzuje ię naturalnym, wukierunkwym przepływem energii, inuialnymi prąami wejściwymi i wyjściwymi raz jentkwym wpółczynnikiem mcy [1]. P- * Plitechnika Pznańka.

2 344 Dariuz Majchrzak nat jeg buwa kmpaktwa, c w płączeniu z ilnikiem PMSM pzwala na zapewnienie barz użej gętści mcy napęu. Waami przekztałtnika matrycweg w tunku przekztałtnika AC/DC/AC jet niki wpółczynnik wzmcnienia napięciweg raz więkza złżnść algrytmu terwania. Schemat iewy bezpśrenieg przekztałtnika matrycweg przetawin na ryunku 1. Ry. 1. Schemat iewy bezpśrenieg przekztałtnika matrycweg Detekcja i ientyfikacja uzkzeń u napęach elektrycznych pcza ich pracy raz terwanie prne na uzkzenia jet aktualnym zaganieniem baawczym [2]. Celem niniejzej pracy jet analiza wpływu uzkzeń kluczy energelektrnicznych w przekztałtniku matrycwym na ziałanie napęu z ilnikiem PMSM jak wtęp prac związanych z iagntyką takich napęów. 2. MODEL UKŁADU NAPĘDOWEGO 2.1. Algrytm SVPWM la przekztałtnika matrycweg Relacje napięć i prąów w przekztałtniku zaprezentwanym na ry. 1 piują równania (1), (2) raz (3) [3]: Aa Ab Ac T Ba Bb Bc (1) Ca Cb Cc u (2) Tu i T i i T i (3)

3 Analiza wpływu wybranych uzkzeń na pracę napęu z ilnikiem PMSM 345 gzie jk = 0 klucz wyłączny, jk = 1 klucz załączny, j = {A, B, C}, k = {a, b, c}, u i wektr napięć wejściwych, u wektr napięć wyjściwych, i i wektr prąów wejściwych, i wektr prąów wyjściwych. Łatw zauważyć, że wzytkich mżliwych kmbinacji załączeń kluczy jet 512. Dla prawiłweg ziałania ukłau należy jenak naać pewne graniczenia. W celu uniknięcia zwarć mięzyfazwych zailania, nie mżna załączyć więcej niż jeneg klucza w tej amej fazie ilnika. Jencześnie, aby zapbiec przerwie w bwzie uzwjeń ilnika, c kutkwał by przepięciami z uwagi na użą inukcyjnść, c najmniej jeen klucz mui być zawze załączny w każej fazie ilnika. Aby pełnić te wymagania uma elementów każeg wierza macierzy T mui być równa 1. Wzytkie pełniające pwyżze warunki kmbinacji załączeń kluczy wypian w tabeli 1. Tabela 1. Dzwlne kmbinacje załączeń kluczy przekztałtnika matrycweg Nr A B C u AB u BC u CA i a i b i c Aa Ab Ac Ba Bb Bc Ca Cb Cc a b c u ab u bc u ca i A i B i C a c b u ca u bc u ab i A i C i B I b a c u ab u ca u bc i B i A i C b c a u bc u ca u ab i C i A i B II A II B II C III c a b u ca u ab u bc i B i C i A c b a u bc u ab u ca i C i B i A a c c u ca 0 u ca i A 0 i A b c c u bc 0 u bc 0 i A i A b a a u ab 0 u ab i A i A c a a u ca 0 u ca i A 0 i A c b b u bc 0 u bc 0 i A i A a b b u ab 0 u ab i A i A c a c u ca u ca 0 i B 0 i B c b c u bc u bc 0 0 i B i B a b a u ab u ab 0 i B i B a c a u ca u ca 0 i B 0 i B b c b u bc u bc 0 0 i B i B b a b u ab u ab 0 i B i B c c a 0 u ca u ca i C 0 i C c c b 0 u bc u bc 0 i C i C a a b 0 u ab u ab i C i C a a c 0 u ca u ca i C 0 i C b b c 0 u bc u bc 0 i C i C b b a 0 u ab u ab i C i C a a a b b b c c c

4 346 Dariuz Majchrzak Dla ptrzeb niniejzej pracy, terwania przekztałtnikiem zatwan pejście piane w [3], plegające na mulacji wektra przetrzenneg prąu wejściweg i napięcia wyjściweg w parciu pśrenią trukturę przekztałtnika (ITF, ang. Inirect Tranfrer Functin), której chemat iewy przetawin na ry. 2. Ry. 2. Schemat iewy pśrenieg przekztałtnika matrycweg Macierz T w równaniu (1) zatąpin ilczynem: T T T T (4) VSI VSR gzie T VSI macierz piująca wirtualny falwnik ilnikwy, T VSR macierz piująca wirtualny prtwnik ieciwy. P knaniu pwyżzeg przekztałcenia mżliwe jet zatwanie tanarweg algrytmu mulacji wektra przetrzenneg bn la wektra prąu wejściweg i napięcia wyjściweg. Na ryunku 3 przetawin reprezentację graficzną wektrów na płazczyźnie zeplnej, natmiat ry. 4 przetawia zaaę frmwania wektrów przetrzennych prąu i napięcia. Zaany wektr generwany jet jak kmbinacja wóch wektrów aktywnych i wektra zerweg. Stunek czau załączenia aneg wektra całeg kreu mulacji T zwany jet wypełnieniem. Na ptawie twierzenia inuów wykazać mżna, że la wektra zaaneg napięcia wyjściweg: T / T m in(60 ) v T T v / T / T v m in( ) v 1 v gzie m v jet wpółczynnikiem mulacji falwnika, pianym wzrem: * 0 m v ( 3 U ) / U 1 (6) gzie U pn napięcie na wirtualnej zynie prąu tałeg. pn v (5)

5 Analiza wpływu wybranych uzkzeń na pracę napęu z ilnikiem PMSM 347 Ry. 3. Reprezentacja graficzna wektrów przetrzennych a) prąu wejściweg, b) napięcia wyjściweg Ry. 4. Frmwanie zaanych wektrów a) prąu wejściweg, b) napięcia wyjściweg Analgicznie la wirtualneg prtwnika ieciweg: T / T m in(60 ) c T / T m in( ) T c / T c c 1 c gzie m c jet wpółczynnikiem mulacji prtwnika, pianym wzrem: * 0 m c I ) / I 1 (8) i Przechząc ptaci przekztałtnika bezpśrenieg trzymuje ię 4 kmbinacje wektrów aktywnych prąu wejściweg i napięcia wyjściweg raz jeną kmbinację wektrów zerwych. Wypełnienia la pzczególnych par wektrów mżna zapiać jak: pn c (7)

6 348 Dariuz Majchrzak 0 1 m in(60 min( m in(60 min( ) in( ) v v ) in( ) v ) in(60 v ) in(60 c c c ) ) gzie m jet wpółczynnikiem mulacji, który la ułatwienia mżna przyjąć równy m v Strategia kmutacji Klucze przekztałtnika matrycwaneg realizwane ą zazwyczaj jak wa tranzytry płączne przeciwbnie raz wie iy półprzewnikwe[4]. Zaganienie kmutacji plega na przełączeniu prąu pmięzy kluczami w tej amej fazie ilnika. W przypaku, kiey pcza przewzenia klucza ztanie załączny rugi w tej amej fazie ilnika jzie zwarcia pmięzy fazami zailania. Jeżeli załączenie rugieg klucza natąpi p wyłączeniu pierwzeg ztanie przerwany bwó fazy ilnika c prwazi przepięcia. Przełączenie pwinn natąpić równcześnie, c w rzeczywitym ukłazie przekztałtnika jet niemżliwe. W niniejzej pracy wykrzytan wukrkwy algrytm kmutacji zaprezentwany w [5]. Bazuje na na buwie wukierunkweg klucza energelektrniczneg, który przetawin na ry. 5a. Załączenie bu tranzytrów umżliwia wutrnny przepływ prąu, natmiat załączenie tylk jeneg z nich pzwala na przepływ tylk w jenym kierunku (pbnie jak ia). Opwienie załączenie tranzytrów w kluczach, które chwilw nie przewzą, umżliwia przenieienie prąu ilnika na nie w chwili wyłączenia klucza przewząceg, c zapbiegnie pwtaniu przepięcia. Ry. 5b przetawia ymble zatępcze każeg mżliweg załączenia tranzytrów w kluczu. c (9) Ry. 5. a) Schemat iewy wukierunkweg klucza energelektrniczneg b) chematy zatępcze klucza w zależnści kmbinacji załączeń tranzytrów

7 Analiza wpływu wybranych uzkzeń na pracę napęu z ilnikiem PMSM 349 Ryunek 6 przetawia iagram kmutacji łączników [5]. Na ryunku V p znacza fazę zailania najwyżzym, V m pśrenim, a V n najniżzym chwilwym napięciu fazwym. Algrytm zakłaa trzy tany tabilne {P, M, N}, plegające na łączeniu fazy ilnika pwieni fazy V p, V m lub V n. Trzy tany przejściwe {NP, MN, PM} piują knfiguracje załączeń tranzytrów w przejściach pmięzy tanami tabilnymi. Ry. 6. Diagram kmutacji wukrkwej 2.3. Mel ilnika PMSM raz algrytm terwania wektrweg W niniejzej pracy wykrzytan mel ilnika ynchrniczneg magneach trwałych znajujący ię w biblitece SimPwerSytem. Jeg część elektryczna zaprjektwana ztała w iach q weług równań (10), (11) raz (12). 3 Te p[ iq ( L Lq )i iq ] (10) 2 1 R Lq i i priq (11) t L L L 1 R L p i r q q iq priq (12) t Lq Lq Lq Lq gzie L q, L inukcyjnści w iach q, i q, i prąy w iach q, λ trumień magneów trwałych, p liczba par biegunów, T e mment elektrmagnetyczny, R rezytancja uzwjeń ilnika, v q, v napięcia w iach q, ω r prękść brtwa wirnika. Przejście z i abc q i wrtnie realizwane jet na ptawie prteg i wrtneg przekztałcenia Parka i Clarke. Część mechaniczna realizwana jet w parciu równania (13) i (14):

8 350 Dariuz Majchrzak 1 r (Te Fr Tm ) (13) t J r (14) t gzie J wpólny mment bezwłanści ilnika i bciążenia, F wpólny wpółczynnik tarcia wiktyczneg ilnika i bciążenia, ϴ płżenie kątwe wirnika, T m mment mechaniczny wału. Algrytmem terwania ilnikiem w niniejzej pracy jet FOC (ang. Fiel Oriente Cntrl). Plega n na rzkłazie prąu tjana na kławą wywłującą mment ilnika raz na rugą kławą, pwiezialną za wzbuzenie. Analizując równanie (10) zauważyć mżna, iż mment elektrmechaniczny ilnika kłaa ię z umy wóch kłaników. Pierwzy z nich t mment ynchrniczny, zależny tylk prąu w i q prtpałej trumienia wirnika. Drugi kłanik t mment reluktancyjny, mający zwykle mniejze znaczenie, a la L L q jet równy zeru. Mżna załżyć więc, że mment ilnika jet prprcjnalny prąu i q. Z uwagi na t, że wzbuzenie w ilniku PMSM pchzi magneów trwałych, pwinien być utrzymywany zerwy prą i. Schemat blkwy algrytmu FOC przetawin na ry. 7. Ry. 7. Schemat blkwy terwania FOC z przekztałtnikiem matrycwym 2.3. Mel przekztałtnika matrycweg Przekztałtnik matrycwy zaimplementwan używając ykretnych tranzytrów IGBT raz i, bęących elementami bibliteki SimPwerSytem. Ukła bejściw-tłumiący, któreg zaaniem jet tłumienie przepięć pcza tanów awaryjnych, zaimplementwan jak wa, trójfazwe mtki prtwni-

9 Analiza wpływu wybranych uzkzeń na pracę napęu z ilnikiem PMSM 351 cze raz knenatr [4]. Uzkzenia tranzytrów ztały zamelwane pprzez pwienie bramkwanie ygnałów terujących. Przerwa tranzytra realizwana jet jak panie tałeg ygnału zerweg na jeg bramkę. Parametry filtru wejściweg bran weług pejścia pianeg w [6]. 3. BADANIA SYMULACYJNE Dla pracwaneg melu przeprwazn analizę przebiegów napięcia wejściweg, prąów wejściwych i wyjściwych przekztałtnika, a także mmentu raz prękści ilnika pcza tanów awaryjnych. Ryunki w alzej części pracy przetawiają przebiegi pcza różnych tanów awaryjnych. D chwili 0.08 napę pracuje w tanie utalnym z bciążeniem znaminwym i prękścią 250 ra/. Później natępuje wybrane uzkzenie przekztałtnika. Na ry. 8a przetawin przebiegi la przerwy klucza S Aa. Łączy n fazę A ilnika z fazą a zailania. Zauważyć mżna znaczne kztałcenie użej częttliwści w chwilach, kiey faza a zailania łączna jet wirtualnej zyny prąu tałeg, a znak prąu w fazie A ma przeciwny znak napięcia U a. Spwwane jet t nieprawiłwą kmutacją przerwany ztaje bwó uzwjenia ilnika, a pwtałe przepięcie gazne jet przez bwó bejściw tłumiący. W chwili, kiey zaany prą w fazie A ma ten am znak c napięcie U a i jencześnie faza a płączna jet wirtualnej zyny DC, wartść prąu I A jet równa zer. Spwwane jet t brakiem mżliwści przepływu prąu przez uzkzny klucz. W tym czaie regulatry prąu zwiękzają napięcie zaane w celu zwiękzenia wartści prąu, c kutkuje charakterytycznym uerzeniem napięcia p zykaniu terwalnści przez przekztałtnik i impulem w przebiegach prąu. W przypaku egraacji jeynie jeneg tranzytra w kluczu trzymane przebiegi ą pbne. Ry. 8b prezentuje zachwanie napęu pcza uzkzenia tranzytra przewząceg prą w kierunku ieci ilnika w kluczu S Aa. Skutki uzkzenia wiczne ą jeynie la atnich prąów I A. W chwilach, kiey faza a zailania płączna jet wirtualnej ujemnej zyny DC miejce ma zaburzenie kmutacji, natmiat kiey płączna jet zyny atniej, prą I A nie płynie. Ryunek 9 przetawia przebiegi pcza uzkzenia wóch kluczy. Zauważyć mżna, że uzkzenie wóch kluczy w tej ame fazie ilnika umżliwia przepływ prąu tylk wtey, kiey faza zailania związana z nieuzkznym kluczem jet płączna z wirtualną zyną DC, a jej napięcie ma taki am znak jak zaany prą w waliwej fazie ilnika. Należy zaznaczyć, że pcza trwania uzkzenia nie zachzi prawiłwa kmutacja, c wiać w przebiegach prąów ilnika.

10 352 Dariuz Majchrzak Ry. 8. Przebiegi napięć wejściwych, prąów wejściwych, prąów wyjściwych, mmentu raz prękści ilnika pcza a) przerwy klucza S Aa b) przerwy tranzytra G 1 klucza S Aa Otatnim przetawinym przykłaem jet przerwa kluczy S Aa raz S Ba, la któreg przebiegi przetawin na ry. 9b. Pbnie jak la przerwy pjeynczeg klucza kmutacja jet zaburzna kiey faza a zailania jet łączna wirtualnej zyny DC. Datkw, w chwilach, kiey znak zaaneg prąu w uzkznej fazie ilnika (tutaj faza A lub B) jet taki am jak znak napięcia U a prą nie płynie. We wzytkich przetawinych przykłaach kztałceniu ulegają także prąy wejściwe przekztałtnika, c prwazi emiji zakłóceń ieci zailania. Pnat wart zauważyć, że w przebiegach mmentu wytępują znaczne pulacje, które mgą być przyczyną uzkzeń mechanicznych napęu.

11 Analiza wpływu wybranych uzkzeń na pracę napęu z ilnikiem PMSM 353 Ry. 9. Przebiegi napięć wejściwych, prąów wejściwych, prąów wyjściwych, mmentu raz prękści ilnika pcza a) przerwy klucza S Aa raz S Ac b) przerwy klucza S Aa raz S Ba 4. PODSUMOWANIE W artykule zaprezentwan wyniki baań ymulacyjnych wpływu przerwy klucza energelektrniczneg na pracę napęu z ilnikiem PMSM i przekztałtnikiem matrycwym. Na przebiegi prąów wyjściwych pcza uzkzenia uży wpływ mają chwilwe wartści napięć wejściwych. W zależnści wzajemneg płżenia wektra napięcia wejściweg i prąu zaaneg w przebiegach ujawniają ię zaburzenia kmutacji lub zerwe wartści prąów uzwjeń ilnika. Przeprwazna analiza tanwi bazę prac związanych z etekcją i ientyfikacją uzkzeń w napęach z przekztałtnikami matrycwymi.

12 354 Dariuz Majchrzak LITERATURA [1] Venturini M., A New ine wave in ine wave ut, cnverin technique which eliminate reactive element, in Prc. Pwercn 7, E3/1 E3/15, [2] Urbańki K., Majchrzak D., Ientyfikacja uzkzeń w napęzie z PMSM za pmcą ztucznych ieci neurnwych, Pznan Univerity f Technlgy Acaemic Jurnal. Electrical Engineering, Iue 87, Pznań, [3] Huber L., Brjevic D., Space Vectr Mulate Three Phae t Three Phae Matrix Cnverter with Input Pwer Factr Crrectin, IEEE Tranactin n Inutry Applicatin, vl 31, n.6, , [4] Wheeler P., Rriguez J., et al. Matrix Cnverter: a technlgy review, IEEE tranactin n Inutrial Electrnic, vl 49, Iue 2, , [5] Ziegler M. Hfmann W., Semi Natural Tw Step Cmmutatin Strategy fr Matrix Cnverter, IEEE Pwer Electrnic Specialit Cnference, , [6] Bauer, J., Flígl, S., Steimel, A., Deign an Dimenining f Eential Paive Cmpnent fr the Matrix Cnverter Prttype, Autmatika: Jurnal fr Cntrl, Meaurement, Electrnic, Cmputing & Cmmunicatin, 53(3), , ANALYSIS OF INFLUENCE OF SELECTED FAULTS ON MATRIX CONVERTER FED PMSM DRIVE The paper preent imulatin reearch reult f matrix cnverter fe permanent magnet ynchrnu mtr rive. Partial r ttal pen circuit fault f the biirectinal pwer witch an ttal pen circuit fault f tw witche in the ame r ifferent phae have been invetigate. Input an utput current wavefrm f the cnverter an angular velcity f the mtr have been analyze. Tet have been perfrme in Matlab/Simulink uing SimPwerSytem library. (Receive: , revie: )