PL B1. Sposób regulacji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia z filtrem silnikowym

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H02P 21/00 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób regulacji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia z filtrem silnikowym (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 18/08 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 09/13 (72) Twórca(y) wynalazku: JAROSŁAW GUZIŃSKI, Gdańsk, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób regulacji silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia z filtrem silnikowym przeznaczony dla układów napędowych o regulowanej prędkości. Znajduje on zastosowanie w elektrycznych układach napędowych z silnikami asynchronicznymi, w których dodatkowo dla poprawy kształtu prądów i napięć zasilających silnik asynchroniczny zastosowano filtr silnikowy, zwłaszcza w układach napędowych o regulowanej prędkości, w których nie zastosowano czujnika prędkości obrotowej. Zasilanie silników asynchronicznych za pomocą falownika napięcia z modulacją szerokości impulsów napięcia wyjściowego daje możliwość płynnej regulacji prędkości obrotowej, momentu na wale silnika oraz strumienia w szczelinie silnika asynchronicznego przez zastosowanie odpowiedniego układu sterowania. Szczególnie dobre właściwości napędu można osiągnąć, jeśli jednocześnie do regulacji silnika asynchronicznego zastosuje się znane z teorii automatyki metody regulacji polowo zorientowanej lub metody nieliniowego sterowania. Szczególnie korzystne jest zastosowanie w układach napędowych sposobów sterowania nieliniowego, gdyż model matematyczny silnika asynchronicznego jest piątego rzędu i zawiera człony nieliniowe. Dwie zmienne takiego modelu silnika asynchronicznego są składowymi wektora prądu stojana, dwie zmienne są składowymi wektora strumienia wirnika, a piąta zmienna jest prędkością kątową wirnika. Bezpośrednio w oparciu o taki model nie można zrealizować układu regulacji silnika asynchronicznego. Znany jest jednak z publikacji Z. Krzemiński: Cyfrowe sterowanie maszynami asynchronicznymi, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2001 sposób regulacji prędkości silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia znany pod nazwą nieliniowego sterowania silnikiem asynchronicznym oraz znany również pod nazwą sterowania nieliniowego multiskalarnego. W tym sposobie regulacji wykorzystuje się redukcję rzędu modelu silnika asynchronicznego poprzez transformację zmiennych wektorowych modelu matematycznego piątego rzędu, związanych z określonym prostokątnym układem współrzędnych, do postaci zmiennych multiskalarnych niezwiązanych z układem współrzędnych. Tak otrzymany model silnika asynchronicznego nazywany modelem multiskalarnym jest czwartego rzędu. Pierwsza zmienna multiskalarna oznacza prędkość kątową wału, druga zmienna multiskalarna jest proporcjonalna do momentu elektromagnetycznego silnika, trzecia zmienna multiskalarna jest równa kwadratowi modułu wektora strumienia wirnika, natomiast czwarta zmienna multiskalarna nie ma interpretacji fizycznej. Przedstawiony w tej publikacji sposób regulacji prędkości silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia polega na pomiarze w równoodległych chwilach czasu sygnałów prądu wyjściowego falownika oraz napięcia zasilającego falownik napięcia, które przetwarzane są na sygnały zmiennych multiskalarnych. Następnie sygnały te wprowadzane są do bloku regulatorów, gdzie porównywane są z sygnałami zadanych zmiennych multiskalarnych tak, aby ustalić sygnały wyjściowe zmiennych sterujących, których nieliniowości kompensowane są w bloku odsprzężenia. Sygnały wyjściowe z bloku odsprzężenia transformowane są do współrzędnych prostokątnego nieruchomego układu odniesienia i wprowadzane bezpośrednio jako sygnały zadane dla układu sterującego falownika. Obok licznych korzyści dla układu napędowego płynących z zastosowania falownika napięcia, zastosowanie w falownikach napięcia szybkich łączników półprzewodnikowych takich jak tranzystory oraz wprowadzenie modulacji szerokości impulsów napięcia wyjściowego falownika jest powodem szeregu niekorzystnych oddziaływań na elementy silnika. Napięcie generowane na wyjściu falownika napięcia składa się z ciągu impulsów o amplitudzie przekraczającej znamionowe napięcie silnika asynchronicznego. Wysokonapięciowe impulsy, wytwarzane poprzez kolejne załączenia kombinacji tranzystorów falownika są powodem szybszego starzenia izolacji silnika, przepływu prądów łożyskowych niszczących łożyska oraz niekorzystnych zjawisk elektromagnetycznych. W układach napędowych, w których stosuje się falowniki napięcia, wskazane jest wyeliminowanie z przebiegów napięć na zaciskach silnika dużych stromości narastania napięcia. W tym celu pomiędzy zaciski falownika a zaciski silnika włącza się filtr, nazywany filtrem silnikowym. Korzystnym jest, aby filtr silnikowy w każdej fazie zawierał jedną gałąź podłużną zawierającą indukcyjność oraz jedną gałąź poprzeczną zawierającą pojemność i rezystancję lub tylko pojemność, włączoną w obwód za gałęzią podłużną, czyli od strony silnika. Korzystnym jest również, aby filtr silnikowy zawierał w swojej strukturze trójfazowy dławik sprzężony wykonany w postaci uzwojeń nawiniętych na rdzeniu pierścieniowym. Znany jest z publikacji: Guziński J.: Filtr wyjściowy falownika napięcia 5 Krajowa Konferencja Postępy w Elektrotechnice Stosowanej PES-5, czerwca 2005, Kościelisko-Zakopane układ filtru

3 PL B1 3 wyjściowego falownika o strukturze zbliżonej do opisanej powyżej. Zastosowanie takiego filtru zapewnia wyeliminowanie szkodliwych zjawisk oddziaływujących na silnik asynchroniczny. Zbliżone do sinusoidalnych przebiegi napięć i prądów na wyjściu filtru sinusoidalnego zapewniają również minimalizację niekorzystnych zjawisk elektromagnetycznych w silniku. W tej publikacji zastosowano sposób regulacji prędkości silnika asynchronicznego przedstawiony w publikacji Z. Krzemiński: Cyfrowe sterowanie maszynami asynchronicznymi, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2001 w układzie napędowym z silnikiem asynchronicznym i falownikiem napięcia oraz zawierającym filtr wyjściowy bez żadnych zmian sposobu regulacji, ale nie uzyskano poprawnej pracy silnika asynchronicznego we wszystkich stanach pracy. Wynika to z tego, że stosowane współcześnie falowniki napięcia z nieliniowym sterowaniem multiskalarnym zapewniają dokładną regulację silnika asynchronicznego jedynie dla układów napędowych niezawierających w swojej strukturze filtru silnikowego. Dla celu realizacji układu regulacji silnika asynchronicznego zastosowanego w napędzie elektrycznym o regulowanej prędkości z dołączonym do falownika filtrem silnikowym stosuje się dotychczas inny sposób regulacji, taki jak opisany w publikacji: SaIomaki J., Luomi J.: Vector Control of an Induction Motor Fed by a PWM Inverter with Output LC Filter, Proceedings of the 4th Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics, NORPIE (2004), Trondheim, Norwegia sposób regulacji zbliżony do sposobu regulacji polowo zorientowanej. Jednak sposób regulacji polowo zorientowanej nie umożliwia uzyskania tak dobrych właściwości regulacyjnych jak układ nieliniowego sterowania multiskalarnego, co przedstawiono w publikacji: Abu-Rub H., Krzemiński I., Guziński J.: Nonlinear control of induction motor idea and application, 9th International Conference and Exhibition on Power Electronics and Motion Control EPE-PEMC September 2000, Koszyce, Słowacja, dlatego pożądane jest, aby również w przypadku układu regulacji nieliniowej multiskalarnej była możliwość sterowania układem napędowym zawierającym w swojej strukturze filtr silnikowy. Wymaga to jednak zmiany sposobu regulacji prędkości silnika. Z opisu zgłoszenia patentowego nr FR znany jest sposób regulacji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia: sygnały zadanych wielkości sterujących ustalone w bloku odsprzęgającym odpowiadające składowym zadanego wektora napięcia silnika, transformowane są do układu współrzędnych, przy czym składowe wektora określone są w prostokątnym układzie współrzędnych wirującym względem nieruchomego stojana z prędkością wirowania równą prędkości wirowania wektora napięcia wyjściowego falownika, a następnie porównywane są z sygnałami odpowiadającymi składowym wektora napięcia silnika, ustalane w bloku regulatorów jako sygnały odpowiadające składowym zadanego wektora prądu kondensatora filtru silnikowego i sumowane z sygnałami odpowiadającymi składowym wektora prądu silnika. Następnie porównywane są z sygnałami odpowiadającymi składowym wektora prądu wyjściowego falownika i ustalane są w bloku regulatorów. Sygnały te transformowane są do układu współrzędnych prostokątnych i ustalane jako sygnały odpowiadające składowym zadanego wektora napięcia wyjściowego falownika i przetwarzane na sygnały odpowiadające sygnałom zadanym dla układu sterującego falownika. Sposób regulacji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia z filtrem wyjściowym polegający na pomiarze w równoodległych chwilach czasu sygnałów odpowiadających składowym i wektora prądu wyjściowego falownika, przy czym oznaczenia i wskazują, że składowe wektora określone są w prostokątnym układzie współrzędnych nieruchomym względem stojana, a prąd wyjściowy falownika oznacza prąd płynący w przewodach łączących falownik z filtrem silnikowym, oraz pomiarze w równoodległych chwilach czasu napięcia zasilającego falownik napięcia, przetworzeniu tego napięcia na sygnały odpowiadające zmiennym multiskalarnym, porównaniu sygnałów odpowiadających zadanym zmiennym multiskalarnym i sygnałów odpowiadających aktualnym wartościom zmiennych multiskalarnych oraz regulacji tych sygnałów w bloku regulatorów, kompensacji nieliniowości, występujących pomiędzy sygnałem odpowiadającym prędkości obrotowej silnika i pozostałymi sygnałami odpowiadającymi zmiennym wektorowym modelu silnika asynchronicznego poprzez sterowania odsprzęgające, przy czym odsprzęganie oznacza eliminację sprzężeń pomiędzy regulacją odpowiednich sygnałów zmiennych multiskalarnych, i ustaleniu sygnałów odpowiadających składowym i zadanego wektora napięcia zasilających silnik według wynalazku charakteryzuje się tym, że sygnały zadanych wielkości sterujących ustalone w bloku odsprzęgającym odpowiadające składowym i zadanego wektora napięcia silnika, transformuje się do układu współrzędnych d i q, przy czym oznaczenia d i q wskazują, że składowe wektora określone są w prostokątnym układzie współrzędnych wirującym względem nieruchomego stojana z prędkością wirowania równą prędkości wirowania wektora napięcia wyjściowego falownika, a następnie porównuje się z sygnałami odpowiadającymi

4 4 PL B1 składowym d i q wektora napięcia silnika, ustalane w bloku regulatorów jako sygnały odpowiadające składowym d i q zadanego wektora prądu kondensatora filtru silnikowego i sumowane z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora prądu silnika, a następnie porównuje się z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora prądu wyjściowego falownika i ustalane są w bloku regulatorów, a następnie transformuje się do układu współrzędnych prostokątnych i i ustalane jako sygnały odpowiadające składowym i zadanego wektora napięcia wyjściowego falownika i przetwarza się na sygnały odpowiadające sygnałom zadanym dla układu sterującego falownika. Wykorzystanie sposobu według wynalazku w układach napędowych z silnikami asynchronicznymi o regulowanej prędkości z dołączonym filtrem silnikowym umożliwia uzyskanie prostszej niż w przypadku sposobu sterowania połowo zorientowanego struktury układu sterowania. Pozwala to na podwyższenie poziomu niezawodności układu przy równocześnie niższych kosztach układu napędowego. Jednocześnie przy wykorzystaniu sposobu według wynalazku możliwe jest precyzyjne ustalenia sygnału prędkości kątowej wału silnika również przy pracy napędu z niewielkimi prędkościami obrotowymi i przy zmianie kierunku obrotów silnika. Sposób według wynalazku został bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie układ realizujący regulację prędkości obrotowej silnika asynchronicznego, a fig. 2 przedstawia schematycznie układ ustalania sygnałów sterujących silnika i filtru. Przykładowy układ regulacji prędkości obrotowej silnika składa się z prostownika PR zasilanego z trójfazowej sieci elektrycznej prądu przemiennego, kondensatora C filtrującego napięcie wyjściowe prostownika PR, falownika napięcia FN, filtru silnikowego FS, silnika asynchronicznego SA, czujnika napięcia CN, dwóch czujników prądu CP, bloku przetwarzania sygnałów BP, układu sterowania silnika i filtru USSiF, zadajników sygnałów ZAD1, ZAD2 oraz układu sterowania falownika. Sygnały odpowiadające składowym prądu wyjściowego falownika i a, i b uzyskane w danej chwili czasu z przetworników pomiarowych prądu CP oraz sygnał odpowiadający napięciu zasilającemu falownik u d uzyskany w danej chwili czasu z przetwornika pomiarowego napięcia CN przekształca się w bloku przetwarzania BP tak, że w wyniku tego ustala się sygnały odpowiadające: r - prędkości obrotowej silnika, u s, u s - składowym i wektora napięcia silnika, i s, i s - składowym i wektora prądu silnika, i 1a, i 1 - składowym i wektora prądu wyjściowego falownika, ψ r, ψ r - składowym i wektora strumienia skojarzonego wirnika. Składowe i określone są w prostokątnym układzie współrzędnych nieruchomym względem stojana. Sygnały ustalone w bloku przetwarzania BP przekształca się w bloku transformacji zmiennych multiskalarnych BTZM zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustala się sygnały x 11, x 12, x 21, x 22 odpowiadające zmiennym określanym jako zmienne multiskalarne silnika. W blokach zadajników ZAD1 oraz ZAD2 ustalane są sygnały x 11 zad, oraz x 21 zad odpowiadające sygnałom: zadanej wartości prędkości obrotowej silnika oraz zadanej wartości kwadratu strumienia skojarzonego wirnika. Sygnały x 11, x 12, x 21, x 22, x 11 zad, x 21 zad przekształca się w pierwszym bloku regulatorów R1 zgodnie z zależnościami:

5 PL B1 5 w wyniku czego ustala się sygnały m 1 oraz m 2 odpowiadające zmiennym określanym jako zmienne sterujące modelu multiskalarnego silnika, gdzie: k p11, k p12, k p21, k p22, k i11, k i12, k i21, k i22 - stałe współczynniki, T - czas pomiędzy dwoma równoodległymi chwilami przetwarzania sygnałów. Poprzez przekształcenie w bloku odsprzężeń BO sygnałów m 1, m 2 ustalonych w bloku regulatorów R1, sygnałów odpowiadających zmiennym multiskalarnym silnika x 11, x 12, x 21, x 22 ustalonych w bloku transformacji zmiennych multiskalarnych BTZM oraz sygnałów odpowiadających składowym i wektora strumienia skojarzonego wirnika ψ r, ψ rβ ustalonych w bloku przetwarzania BP, ustala się sygnały u zad s, u zad s odpowiadające składowym i zadanego wektora napięcia silnika, zgodnie z zależnościami: gdzie: R r, R s, L r, L s, L m - parametry obwodowego schematu zastępczego silnika oraz w = L r L s - L 2 m. Sygnały u s zad, u s zad odpowiadające składowym, β zadanego wektora napięcia silnika przetwarzane są w pierwszym bloku transformacji filtru BTF1 zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustalone zostają sygnały u sd zad, u sq zad odpowiadające składowym d i q zadanego wektora napięcia silnika. Składowe d i q określone są w prostokątnym układzie współrzędnych wirującym względem nieruchomego stojana z prędkością wirowania równą prędkości wirowania wektora napięcia wyjściowego falownika. Sygnały u s, u s odpowiadające składowym, β wektora napięcia silnika, po przetworzeniu w drugim bloku transformacji zmiennych filtru BTF2 zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustalone zostają sygnały u sd, u sq odpowiadające składowym d, q wektora napięcia silnika, przetwarzane są w drugim bloku regulatorów R2 razem z sygnałami u sd zad, u sq zad odpowiadającymi składowym d, q zadanego wektora napięcia silnika zgodnie z zależnościami:

6 6 PL B1 w wyniku czego ustala się sygnały i Cd Zad oraz i Cq zad odpowiadające składowym d, q zadanego wektora prądu kondensatora filtru, gdzie: k pc, k ic, stałe współczynniki. Sygnały i s, i s odpowiadające składowym, β wektora prądu silnika, po przetworzeniu w trzecim bloku transformacji zmiennych filtru BTF3 zgodnie z zależnościami: gdzie: US - sygnał odpowiadający kątowi położenia sygnału wektora napięcia stojana silnika, w wyniku czego ustalone zostają sygnały i sd, i sq odpowiadające składowym d, q wektora prądu silnika, przetwarzane są w bloku sumatorów BS razem z ustalonymi w drugim bloku regulatorów R2 sygnałami i Cd zad oraz i Cq zad odpowiadającymi składowym d, q zadanego wektora prądu kondensatora filtru zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustalone zostają sygnały i 1d zad oraz i 1q zad odpowiadające składowym d, q zadanego wektora prądu wyjściowego falownika. Sygnały i 1 oraz i 1 odpowiadające składowym, β wektora prądu wyjściowego falownika, po przetworzeniu w czwartym bloku transformacji zmiennych filtru BTF4 zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustalone zostają sygnały i 1d, i 1q odpowiadające składowym d, q wektora prądu wyjściowego falownika, przetwarzane są w trzecim bloku regulatorów R3 razem z sygnałami i zad 1d, i zad 1q odpowiadającymi składowym d, q zadanego wektora prądu wyjściowego falownika zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustala się sygnały u 1d zad oraz u 1q zad odpowiadające składowym d, q zadanego wektora napięcia wyjściowego falownika, gdzie: k pu, k iu - stałe współczynniki. Ustalone sygnały u 1d zad, u 1q iad odpowiadające składowym d, q zadanego wektora napięcia wyjściowego falownika przetwarzane są w bloku transformacji odwrotnej filtru BTOF zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustalone zostają sygnały u 1 zad, u 1 zad odpowiadające składowym, β zadanego wektora napięcia wyjściowego falownika, które są zadanymi sygnałami sterującymi dla układu sterowania falownika USF z filtrem silnikowym FS zasilającym silnik asynchroniczny SA.

7 PL B1 7 Zastrzeżenie patentowe Sposób regulacji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia z filtrem wyjściowym polegający na pomiarze w równoodległych chwilach czasu sygnałów odpowiadających składowym i wektora prądu wyjściowego falownika, przy czym oznaczenia i wskazują, że składowe wektora określone są w prostokątnym układzie współrzędnych nieruchomym względem stojana, a prąd wyjściowy falownika oznacza prąd płynący w przewodach łączących falownik z filtrem silnikowym, oraz pomiarze w równoodległych chwilach czasu napięcia zasilającego falownik napięcia, przetworzeniu tego napięcia na sygnały odpowiadające zmiennym multiskalarnym, porównaniu sygnałów odpowiadających zadanym zmiennym multiskalarnym i sygnałów odpowiadających aktualnym wartościom zmiennych multiskalarnych oraz regulacji tych sygnałów w bloku regulatorów, kompensacji nieliniowości, występujących pomiędzy sygnałem odpowiadającym prędkości obrotowej silnika i pozostałymi sygnałami odpowiadającymi zmiennym wektorowym modelu silnika asynchronicznego poprzez sterowania odsprzęgające, przy czym odsprzęganie oznacza eliminację sprzężeń pomiędzy regulacją odpowiednich sygnałów zmiennych multiskalarnych, i ustaleniu sygnałów odpowiadających składowym i zadanego wektora napięcia zasilających silnik, znamienny tym, że sygnały zadanych wielkości sterujących ustalone w bloku odsprzęgającym odpowiadające składowym i zadanego wektora napięcia silnika, transformuje się do układu współrzędnych d i q, przy czym oznaczenia d i q wskazują, że składowe wektora określone są w prostokątnym układzie współrzędnych wirującym względem nieruchomego stojana z prędkością wirowania równą prędkości wirowania wektora napięcia wyjściowego falownika, a następnie porównuje się z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora napięcia silnika, ustalane w bloku regulatorów jako sygnały odpowiadające składowym d i q zadanego wektora prądu kondensatora filtru silnikowego i sumowane z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora prądu silnika, a następnie porównuje się z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora prądu wyjściowego falownika i ustalane są w bloku regulatorów, a następnie transformuje się do układu współrzędnych prostokątnych i i ustalane jako sygnały odpowiadające składowym i zadanego wektora napięcia wyjściowego falownika i przetwarza się na sygnały odpowiadające sygnałom zadanym dla układu sterującego falownika.

8 8 PL B1 Rysunki

9 PL B1 9

10 10 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)