Laboratorium. Sterowanie napędami elektrycznymi zagadnienia wybrane

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT MASZYN, NAPĘDÓW I POMIARÓW ELEKTRYCZNYCH ZAKŁAD NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO, MECHATRONIKI I AUTOMATYKI PRZEMYSŁOWEJ Laboratorum Sterowane napędam elektrycznym zaadnena wybrane Ćwczene Badane układu wektoroweo sterowana przekształtnkem secowym AC/DC oraz układu napędoweo z slnkem ndukcyjnym zawerającym aktywny prostownk sterowany Wrocław 09

2 . Cel ćwczena Celem ćwczena jest: - zapoznane sę z możlwoścam wykorzystana aktywnych prostownków PWM w układach przekształtnkowych stosowanych w napędach elektrycznych, - analza wpływu zman parametrów reulatora napęca na właścwośc statyczne dynamczne układu reulacj prostownka PWM, -wpływ zmany parametrów odbornka na jakość reulacj napęca prostownka PWM. Zakres ćwczena - sprawdzene stanu wedzy studentów, - budowa modelu symulacyjneo prostownka PWM -dobór nastaw reulatora napęca, parametrów dławków secowych oraz pojemnośc kondensatora prostownka -analza przebeów napęć sec zaslającej oraz prądów poberanych przez prostownk (wyznaczene współczynnka mocy cosφ) - analza jakośc reulacj napęca stałeo podczas skokowych zman parametrów odbornka zaslaneo przez prostownk - analza pracy prostownka przy współpracy z napędem ndukcyjnym, - analza jakośc pracy prostownka aktywneo w różnych warunkach pracy, - dyskusja otrzymanych wynków,. Lteratura [] Knapczyk M., Nonlnear control stratees of AC/DC lnesde converters usn sldn-mode approach, Ph.D. Thess, Wroclaw Unversty of Technoloy, Poland (008), [] Knapczyk M., Peńkowsk K., Polowo zorentowane układy napędowe z slnkem ndukcyjnym, falownkem napęca przekształtnkem secowym AC/DC o dwukerunkowym przepływe ener, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów Pomarów Elektrycznych Poltechnk Wrocławskej, nr 66, 004.

3 WSTĘP W napędach sterowanych częstotlwoścowo stosowane są dwa typy przekształtnków eneroelektroncznych, różnących sę rodzajem oraz lczbą stopn przetwarzana ener. Do perwszej rupy należą układy o bezpośrednm przetwarzanu ener elektrycznej na drodze mędzy źródłem zaslana, a maszyną (rys.a), natomast do druej rupy przekształtnk, w których sposób przetwarzana ener elektrycznej ma charakter welostopnowy (rys.b). a) b) Rys.. Oólna struktura przekształtnka: a) o bezpośrednm, b) o welostopnowym sposobe przetwarzana ener elektrycznej W przypadku welostopnowych przekształtnków, trójfazowe napęce sec e s w perwszym etape zostaje przekształcane przy wykorzystanu prostownka na napęce stałe, które poddawane fltracj w obwodze pośrednczącym, po czym za pomocą falownka formowane są odpowedne przebe napęć fazowych o wymaanej częstotlwośc. Z uwa na wymaana przemysłowe, obecne produkowane nowoczesne układy przekształtnkowe pownny charakteryzować sę przede wszystkm zdolnoścą do dwukerunkoweo przepływu ener przy jednoczesnym zachowanu możlwe jak najnższej zawartośc harmoncznych prądów sec. Do teo celu stosuje sę odpowedno: dodatkowe układy przekształtnkowe przyłączane do prostownka oraz dławk, bądź fltry secowe. Przykładowe rozwązane spełnające wyżej opsane wymaana przedstawone zostało na rysunku. Rys.. Klasyczna struktura przekształtnka AC/DC/AC z prostownkem dodowym oraz przekształtnkem tyrystorowym umożlwającym zwrot ener do sec w trakce hamowana napędu

4 Jednym z celów, dla których projektowane są układy umożlwające zwrot ener do sec jest przede wszystkm mnmalzacja czasu trwana oraz zwększene precyzj zachodzących procesów elektromechancznych np. w trakce hamowana napędu. Koszty mplementacj rozwązań przekształtnków o topoloach umożlwających uzyskane takch cech są zwększone z uwa na stosowane dodatkowe elementy półprzewodnkowe. W ramach laboratorum przeanalzowane zostane rozwązane pozbawone tej wady (rys. ). Polea ono na zastosowanu prostownka PWM ( an. PWM rectfer) o prostej budowe oraz układze sterowana zapewnającym spełnene ne tylko wcześnej opsanych wymaań, ale równeż uzyskane jednostkoweo współczynnka mocy (cosφ=), co oznacza że maszyna podłączona do przekształtnka, z punktu wdzena sec zaslającej, jest odbornkem o charakterze rezystancyjnym ( pobera jedyne moc czynną) []. Rys.. Przekształtnk AC/DC/AC zapewnający dwukerunkowy przepływ ener elektrycznej Źródłem zaslana prostownka PWM jest symetryczna, trójfazowa seć napęca przemenneo e. Zastosowane dławk o ndukcyjnośc L oraz rezystancj R zapewnają fltrację odkształconeo prądu sec A,B,C. Główną część obwodu prostownka stanow układ mostkowy sześcu modułów tranzystorowych IGBT (T ',...,T 6' ). Ops matematyczny prostownka () został oparty na modelu łącznkowym (rys.4), w którym moduły tranzystorowe danej fazy przekształtnka zastąpone są dwupołożenowym łącznkem oznaczonym odpowedno S a, S b, S c []. Rys.4. Model łącznkowy prostownka PWM

5 Ponżej przedstawono model matematyczny prostownka oparty na równanach prądów A,B,C sec zaslającej e []: d U dc A ea RA ( Sa Sb Sc ) ; dt L d U dc B eb RB ( Sa Sb Sc ) ; dt L d U dc C ec RC ( Sa Sb Sc ). dt L () Każda z metod sterowana prostownkam PWM jest oparta na koncepcj sterowana wektoroweo, stosowaneo np. w napędach ndukcyjnych. Obwody obejmujące seć zaslającą wraz z dławkam traktowane są jak obwody wrtualnej maszyny zaslanej przez przekształtnk DC/AC. Napęca źródłowe sec e A,B,C rozpatrywane są jako napęca ndukowane przez wrtualny strumeń sec []. Na rysunku 5 przedstawono podzał prostownków PWM ze wzlędu na zastosowaną metodę sterowna []. Rys.5. Klasyfkacja prostownków PWM ze wzlędu na przyjętą metodę sterowana VOC (Voltae Orented Control) napęcowo-zorentowana, poleająca na kontrolowanu położena ampltudy wektora prądu sec wzlędem wektora napęca sec. VFOC (Vrtual Flux Orented Control) strumenowo-zorentowana, poleająca na kontrolowanu położena ampltudy wektora prądu sec wzlędem wektora wrtualneo strumena sec. DPC (Drect Power Control) metoda bezpośredneo sterowana mocą, w której sterowane są wartośc chwlowe mocy czynnej bernej przenoszonej przez prostownk. Istneją dwa waranty tej metody: V-DPC (Voltae Based Drect Power Control), dze kontrola przepływu mocy czynnej bernej realzowana jest na podstawe wedzy o module położenu wektora napęca sec. VF-DPC (Vrtual Flux Drect Power Control), dze kontrola przepływu mocy czynnej bernej realzowana jest na podstawe wedzy o module położenu wektora wrtualneo strumena sec. VOC VFOC są to metody odpowadające metodom polowo-zorentowanym (FOC) dla slnka ndukcyjneo. DPC odpowada metodze bezpośredneo sterowana momentem strumenem w slnku ndukcyjnym (DTC).

6 W czase laboratorum przeanalzowana zostane metoda sterowana napęcowo zorentowaneo VOC, któreo dea oparta na odpowednm formowanu ampltudy oraz położena wektora prądu sec wzlędem wektora napęca sec e została przedstawona na rysunku 6. Rys.6. Wykres wektorowy prądu oraz napęca sec W celu uzyskana jednostkoweo współczynnka mocy wartość zadana prądu sec sy wynos zero, tak aby = = x oraz kąt zawarty mędzy wektorem prądu napęca sec φ =0. Jak już wspomnano, wyżej opsane właścwośc otrzymywane są dzęk koncepcj sterowana zaczerpnętej z metod sterowana napędam ndukcyjnym, a zatem wymaane jest wykorzystane odpowednch transformacj pomędzy układam współrzędnych. Na rysunku 7 przedstawono strukturę reulacj prostownka PWM podnosząceo napęce (an. boost converter)[]. Rys.7. Schemat układu sterowana prostownka PWM Merzone napęca fazowe sec e A,B,C są poddawane transformacj do układu α-ß. Na podstawe synału wyjścoweo xref reulatora PI napęca U dc, prądu yref =0 oraz napęć

7 e α,ß, wylczane są wartośc zadane prądów sec αref, ßref zorentowanych w układze współrzędnych α-ß. Synały loczne sterujące pracą łącznków falownka S a,b,c uzyskuje se dzęk wykorzystanu reulacj hsterezowej w każdej faze przekształtnka, poleającej na bezpośrednm porównanu wartośc zmerzonych prądów secowych A,B,C z zadanym A,B,C ref. Zależnośc matematyczne wykorzystywane do odpowednch transformacj przedstawono ponżej. Transformacja merzonych napęć fazowych e A,B,C do układu α-ß: e e α β U A U B U U B U A. C, () dze: Zależność pozwalająca na wyznaczene prądów referencyjnych αref, ßref : γ αref βref cos γ, snγ, () arctan xref e arctan e yref yref xref β a., (4), Transformacja prądów zadanych αref, ßref do układu współrzędnych fazowych A-B-C: Aref Bref Cref αref, αref βref βef αref,. (5) Dzałane reulatorów hsterezowych zdefnowano następująco: dze: S f 0 dy dy f fref H H, f fref (6) S f - synał sterujący danej fazy prostownka f, fref - synały prądowe odnoszące sę do fazy f A,B,C prostownka H - przyjęta wartość strefy hsterezy.

8 Wynk dzałana układu przedstawono na Rys. 8. a) b) U DC [V] THD prądów I [%] U DC U DCref czas [s] c) d) 0 A 5 B C e A [V], A [A] THD prądów I [%] czas [s] e A A *0 B *0 C *0 A B C czas [s] czas [s] e) f) 5 4 x, y [A] 4 0 x y czas [s] Kąt napęca - [rad] czas [s] Rys. 8. Wynk symulacj dla obcążena RL (R = 00 Ω, L=0.0 H): a) napęce wyprostowane; b) napęce oraz prądy fazowe sec; c),d) THD prądów fazowych; e) prądy fazowe we współrzędnych x-y; f) kąt napęca α-β

9 Napęce U DC ustala sę po necałych 0.5 s, a wartość początkoweo przereulowana jest rzędu 0.4 V co przy zadanej wartośc 600 V jest praktyczne nestotne ne wpływa w żaden neatywny sposób na dzałane układu. Napęce ustalone wacha sę o około 0.05 V od wartośc zadanej. Wartośc harmoncznych prądów fazowych po ustalenu sę układu oscylują w okolcy,5% co spełna normę (THD < 5%). Zakres wartośc rezystancj obcążena, w którym spełnony jest ten warunek wynos : Ω. Wartość składowej y jest trzymana cały czas na wartośc zadanej równej 0, co zapewna dzałane układu ze współczynnkem mocy równym. Składowa x przyjmuje wartość równą ampltudze poberanych prądów fazowych. Prostownk aktywny sterowany metodą napęcowo-zorentowaną z modulatorem SVM (VOC SVM) Idea sterowna teo układu jest jednakowa jak dla VOC-RH, różnca występuje w zastąpenu reulatorów hsterezowych prądu, modulatorem SVM []. Dzałane modulatora zostało opsane w poprzednm punkce. Rys. 9. Schemat blokowy VOC SVM

10 Rys.. VOC-SVM w układze z falownkem napęca slnkem ndukcyjnym Prostownk aktywny kontrolowany metodą bezpośredneo sterowana mocą sec z hsterezowym reulatoram mocy (DPC) Idea sterowana polea na sterowanu mocą czynna (p) berną (q) poberaną przez układ []. Wartośc chwlowe obu mocy są estymowane na podstawe prądów fazowych, napęca obwodu pośredncząceo U DC oraz poprzednch załączeń tranzystorów. Aby uzyskać jednostkowy współczynnk mocy, zadana wartość mocy bernej (q) wynos 0. Zależnośc opsujące moc berną czynną układu: ( ( ) ) (7)

11 Rys.. Schemat blokowy DPC PWM

12 Rys.. DPC PWM w układze z falownkem napęca slnkem ndukcyjnym