PRZEGLĄD STRATEGII STEROWANIA SYNCHRONICZNEGO SILNIKA RELUKTANCYJNEGO Z WIRNIKIEM ANIZOTROPOWYM PAKIETOWANYM POOSIOWO

Transkrypt

1 Maszyny Elektryczne Zeszyty roblemowe Nr 3/017 (115) 97 Raosław Machlarz oltechnka ubelska RZEGĄD STRATEG STEROWANA SYNCHRONCZNEGO SNKA REUKTANCYJNEGO Z WRNKEM ANZOTROOWYM AKETOWANYM OOSOWO CONTRO STRATEGY FOR SYNCHRONOUS REUCTANCE MOTOR WTH AXAY AMNATED ANSOTROC ROTOR REVEW Streszczene. W artykule okonano przegląu stnejących obecne strateg optymalnego sterowana synchroncznego slnka reluktancyjnego z wrnkem o rozłożonej anzotrop magnetycznej paketowanego poosowo oraz przeprowazono analzę możlwośc wykorzystana wybranych oman moyfkacj metoy DTC (rect torque control) o realzacj określonych strateg sterowana. W konkluzj wskazano na te struktury sterowana DTC, które najlepej naają sę o wykorzystana w ukłaach optymalnego sterowana slnka SynRM. Abstract. n the paper a revew of currently use optmal control strateges of axally lamnate ansotropc synchronous reluctance motor was presente. The analyss of potental use of selecte varants an mofcatons of rect torque an flux control technques (DTC) for the realzaton of chosen control strateges was also performe. n the concluson, the metho best sute for the realzaton of optmal control strategy of synchronous reluctance motor was ponte out. Słowa kluczowe: slnk synchronczny reluktancyjny, sterowane optymalne, bezpośrene sterowane momentem strumenem. Keywors: synchronous reluctance motor, optmal control, rect torque an flux control. 1. Wstęp Synchronczne slnk reluktancyjne (SynRM) stają sę obecne coraz barzej konkurencyjne w stosunku o slnków nukcyjnych klatkowych. Welu proucentów oferuje slnk z wrnkem paketowanym poprzeczne, wyposażonym w klatkę rozruchową. ch zalety to prosta tana konstrukcja oraz nezależność prękośc obrotowej o momentu obcążena. oważną waą tego rozwązana jest jenak nsk współczynnk mocy oraz nezbyt uży moment. Znaczącą poprawę parametrów slnka SynRM osąga sę zęk zastosowanu wrnka typu AA (axally lamnate ansotropc), tj. wrnka o rozłożonej anzotrop magnetycznej, paketowanego poosowo. Konstrukcja wrnka typu AA unemożlwa umeszczene na nm klatk rozruchowej, co oczywśce wyklucza bezpośren rozruch oraz znaczne pogarsza stablność pracy w stanach ynamcznych przy sterowanu skalarnym. ełne wykorzystane możlwośc, jake aje anzotropowy wrnk o użym współczynnku asymetr, jest możlwe tylko w zamknętym ukłaze sterowana wektorowego przy zastosowanu opowenej strateg optymalzacyjnej [1]. oszukując opowenej strateg sterowana la synchroncznego slnka reluktancyjnego z wrnkem anzotropowym paketowanym poosowo, brano po uwagę sterowane polowozorentowane FOC (fel orente control) oraz bezpośrene sterowane momentem DTC (rect torque control). orównana właścwośc ynamcznych slnka reluktancyjnego sterowanego metoą FOC oraz metoą DTC z klasyczną tablcą przełączeń okonano w pracy []. W ostatnch latach pojawło sę wele opracowań otyczących wprowazena moyfkacj uoskonaleń w stosunku o klasycznej metoy DTC. W wększośc prace te otyczą ukłaów wykorzystywanych o sterowana slnków nukcyjnych, rzazej slnków synchroncznych z magnesam trwałym. Sytuacja ta zrozła potrzebę okonana przegląu stnejących obecne oman moyfkacj metoy sterowana DTC

2 98 oraz przeanalzowana możlwośc ch wykorzystana w ukłaze sterowana synchroncznego slnka reluktancyjnego. W nnejszym artykule przestawono przeglą stnejących obecne strateg optymalnego sterowana slnka SynRM oraz przeprowazono analzę możlwośc wykorzystana wybranych oman moyfkacj metoy DTC o realzacj określonych strateg sterowana.. Klasyczna struktura sterowana DTC W klasycznej metoze DTC (rys. 1), sterowane momentem strumenem stojana obywa w wóch nezależnych pętlach regulacj hsterezowej, bez konecznośc kontrol prąu stojana. Zaane wartośc momentu porównywane są z wartoścam estymowanym a uchyby poawane są na regulatory hsterezowe. Wartośc yskretne wyjść regulatorów oraz wskaźnk aktualnego położena wektora są postawą o wyboru opowenej kombnacj stanów kluczy półprzewonkowych falownka napęca na postawe preefnowanej tablcy przełączeń [3]. s T T e s T e T N ( ) T ablca prz e łączeń E sty macja momentu S a S b S c Rys.1. Klasyczna struktura sterowana DTC u abc abc U Falownk napęca owyższa, postawowa struktura sterowana DTC, zastosowana w ukłaze sterowana synchroncznego slnka reluktancyjnego, charakteryzuje sę obrym właścwoścam ynamcznym małym uchybem statycznym regulacj prękośc. Nestety, przy newelkch prękoścach a w szczególnośc poczas rozruchu, występują uże pulsacje momentu, oraz znaczne okształcene o przebegu snusoalnego prąów fazowych []. M.1. Możlwośc moyfkacj klasycznej struktury sterowana DTC Wśró możlwych sposobów nwelowana mankamentów klasycznej metoy DTC z tablcą przełączeń, można wyorębnć trzy główne kerunk jej moyfkacj: wprowazene nnych typów regulatorów, np. lnowych, preykcyjnych lub regulatorów o zmennej strukturze, w mejsce regulatorów hsterezowych momentu [4,5,6], zmana sposobu kształtowana wektora napęca stojana, np. zwelokrotnene lczby wektorów aktywnych, wprowazene moulatora wektorowego lub moulacj WM w mejsce klasycznej tablcy przełączeń wektorów aktywnych zerowych [7,8,9], użyce alternatywnych meto otwarzana momentu oraz określana położena wektora wzglęem os połużnej wrnka [10,11]. Sposobem na zmnejszene pulsacj momentu poczas rozruchu przy nskch prękoścach jest moyfkacja tablcy przełączeń [8]. Sposób ten polega najczęścej na takej zmane algorytmu przełączeń, aby zmnmalzować koneczność częstego załączana kluczy tworzących wektor zerowy napęca poprzez wprowazene opowenej kombnacj wektorów aktywnych. oobny efekt osąga sę w wynku zastosowana algorytmu preykcyjnego [7]. oejśce take polega na każorazowym oblczanu czasu załączena wektora aktywnego oraz wektora zerowego w ramach jenego okresu próbkowana tak, aby po konec tego okresu moment osągnął wartość równą wartośc zaanej. Brane są po uwagę tylko wa z sześcu wektorów aktywnych, zapewnające pożąaną zmanę (zwększene lub zmnejszene) [6]. Najwększy wpływ na właścwośc ynamczne ukłau sterowana ma rozaj zastosowanego regulatora w połączenu z trybem pracy nwertera [1]. Załączane określonych wektorów napęca na postawe stanów wyjść opowench komparatorów hsterezowych przy newelkch prękoścach obrotowych neuchronne prowaz o powstawana użych pulsacj momentu slnych okształceń przebegu prąu. oza tym, mplementacja regulatorów hsterezowych w technce cyfrowej zmusza o stosowana barzo użych częstotlwośc próbkowana procesorów

3 Maszyny Elektryczne Zeszyty roblemowe Nr 3/017 (115) 99 sygnałowych [6]. roblemów zwązanych z powstawanem pulsacj momentu przy newelkch prękoścach obrotowych można unknąć przez zastosowane moulatora wektora napęca, który umożlwa otrzymane owolnego wektora napęca za pomocą opowenej sekwencj załączana kluczy opowaających wóm sąsenm wektorom aktywnym wektorow zerowemu. Stratega ta, określana jako SVM (spacevector moulaton), jest korzystna w stanach ustalonych oraz przy małych prękoścach obrotowych [8]. W stanach ynamcznych natomast najlepej sprawza sę klasyczna stratega DTC. Wybór opowenej strateg okonuje sę onlne, w oparcu o wartość uchybu regulacj momentu, z wykorzystanem regulatora lnowego [8]. Moulator wektora napęca może być równeż zrealzowany w technce WM. Stała opoweno obrana częstotlwość kluczowana zapewna małą zawartość wyższych harmoncznych w prąze stojana ograncza pulsacje momentu nawet przy barzo małych prękoścach. Metoy sterowana oparte na tej zasaze, w pętlach regulacj momentu zwykle zawerają regulatory lnowe typu, mogą zawerać także regulatory preykcyjne, regulatory o zmennej strukturze a nawet regulatory oparte na sztucznych secach neuronowych logce rozmytej [11]. 3. Stratege sterowana wektorowego SynRM Synchronczny slnk reluktancyjny z wrnkem o użej anzotrop magnetycznej ne może pracować w ukłaze otwartym z uwag na brak klatk rozruchowotłumącej, mus być zatem zaslany w zamknętym ukłaze sterowana wektorowego z czujnkem położena wrnka. Znane są wa postawowe rozaje strateg sterowana wektorowego synchroncznego slnka reluktancyjnego: sterowane przy stałym oraz przy zmennym kące wymuszena (rys.) [1]. Spośró strateg sterowana optymalnego przy stałym kące wymuszena = const. można wyróżnć [1]: sterowane z maksymalzacją momentu przy anym prąze (MTA max. torque per ampere), sterowane z maksymalzacją sprawnośc (ME max. effcency), R s j r U u r q Rys.. Wykres fazorowy napęć, prąów wymuszeń magnetycznych la slnka SynRM sterowane z maksymalzacją współczynnka mocy (MF max. power factor), sterowane z maksymalzacją szybkośc zman momentu (MRCT max. rate of change of torque). Wykorzystując zależnośc na moment strumeń: 3 3 Te p q q p q sn, (1) j q u q j r q q, () można wykazać, że la sterowana MTA ME optymalna wartość kąta wymuszena spełna warunek []: tan q 1,. (3) 4 omjając straty w żelaze straty w uzwojenu można równeż wykazać, że la sterowana MF optymalna wartość kąta wymuszena spełna warunek []: q tan.(4) q owyższe stratege sterowana zapewnają optymalne wykorzystane slnka po wzglęem energetycznym, ne pozwalają jenak na uzyskane maksymalnej ynamk napęu [1]. Sterowane MRCT, które realzuje maksymalzację szybkośc zman momentu, jest szczególne korzystne w stanach ynamcznych. Optymalna wartość kąta wymuszena w tym przypaku spełna warunek: j q

4 100 q tan. (5) Stratege sterowana przy zmennym kące wymuszena = var., o których zalcza sę: sterowane przy zaanym strumenu = const., sterowane przy zaanej skłaowej prąu w os połużnej = const., mają mnejsze znaczene praktyczne z uwag na gorszą ynamkę parametry energetyczne w porównanu ze sterowanem przy stałym kące wymuszena [1]. 4. Realzacja strateg optymalnego sterowana SynRM w strukturze DTC Klasyczna struktura sterowana DTC z regulatoram hsterezowym tablcą przełączeń, pokazana na rysunku 1, pozwala jeyne na sterowane przy zaanej wartośc = const. Realzacja jakejkolwek strateg sterowana optymalnego przy stałym kące wymuszena wymaga nezależnej regulacj obywu skłaowych prąu, tj. skłaowej połużnej skłaowej poprzecznej (rys. ). Zaproponowana w nnejszym artykule struktura sterowana DTC la slnka SynRM pownna zawerać: q blok transformacj wektora prąu o ukłau, mouł oblczana ampltuy weług kryterum wynkającego z przyjętej strateg sterowana, nezależne tory regulacj skłaowych prąu, moulator SVM, umożlwający wygenerowane opowenego wektora napęca stojana na postawe zaanych jego skłaowych w os. Schemat blokowy ukłau sterowana, uwzglęnający przestawone założena, przestawono na rysunku 3. W tej metoze korzystne jest zastosowane w ukłaze sterowana zewnętrznej pętl regulacj prękośc z opowenm regulatorem, który wypracowuje sygnał zaający w torze regulacj momentu. Zastosowane w tym przypaku regulatora aaptacyjnego umożlwłoby skompensowane wpływu zman parametrów slnka spowoowanych zmanam temperatury nasycanem sę obwou magnetycznego [7]. Fakt ten nabera szczególnego znaczena w przypaku slnka reluktancyjnego z wrnkem typu AA z uwag na szybke nasycane sę obwou magnetycznego w os połużnej wraz ze wzrostem obcążena. W obecnej chwl trwają prace na realzacją programową sprzętową zaproponowanej metoy sterowana. Stratega MTA sterowana MF MRC Oblczane ampltuy T s T u u q Tablca przełączeń Moulator SVM abc S a S b S c U DC Falownk napęca e s T e Estymacja momentu u abc abc / t Rys.3. Zmoyfkowana struktura sterowana DTC slnka SynRM M

5 Maszyny Elektryczne Zeszyty roblemowe Nr 3/017 (115) Wnosk W artykule okonano przegląu strateg optymalnego sterowana synchroncznego slnka reluktancyjnego z wrnkem o rozłożonej anzotrop magnetycznej paketowanego poosowo oraz przestawono analzę możlwośc wykorzystana metoy DTC o ch realzacj. Z porównana meto sterowana wektorowego oraz przestawonego schematu blokowego zmoyfkowanej struktury sterowana DTC wynkają następujące wnosk. Klasyczna struktura sterowana DTC z regulatoram hsterezowym prostą tablcą przełączeń unemożlwa zastosowane strateg sterowana optymalnego synchroncznego slnka reluktancyjnego, realzując jeyne sterowane przy zaanej wartośc. Realzacja zaawansowanych strateg sterowana optymalnego wymaga wprowazena torów regulacj skłaowych prąu w os oraz moulatora SVM o kształtowana wektora napęca. Zaproponowana struktura sterowana DTC SVM z moulatorem wektora napęca, zawerająca nezależne tory regulacj skłaowych prąu, zapewna najkorzystnejsze właścwośc napęu, zarówno w stanach ynamcznych jak przy newelkch prękoścach obrotowych. 6. teratura [1] Betz R., Moelng an Control of Synchronous Reluctance Machnes, n: Control n power electroncs. Selecte problems. Elsever Scence, (00) [] Machlarz R., Analza symulacyjna sterowana wektorowego przy zmennym kące wymuszena oraz bezpośrenego sterowana momentem strumenem synchroncznego slnka reluktancyjnego, rzeglą Elektrotechnczny, 11b, vol. 88 (01), 3637 [3] Bolea., Drect Torque an Flux Control (DTFC) of AC Drves, n: Control n power electroncs. Selecte problems. Elsever Scence, (00) [4] Sun S., Guo X., u H., Meng Y., Drect torque control for permanent magnet synchronous motors base on novel control strategy, SMS/CSEE, art, (010), pp [5] Morales R., acas M., rectve torque an flux control for the synchronous reluctance machne, Bulletn of the olsh Acaemy of Scences, Vol. 54, No. 3, 006, pp7177 [6] Bolea., Janos., Blaabjerg F., A mofe rect torque control (DTC) of reluctance synchronous motor sensorless rve, Electrc Machnes an ower systems, Nr. 8/000, pp [7] u T.H., Hsu H.H., Aaptve controller esgn for a synchronous reluctance motor rve system wth rect torque control. ET Electrc ower Applcatons., 007, 1, (5), pp [8] Wang H., Xu W., Yang G., J., Varablestructure torque control of nucton motors usng space vector moulaton, Electrcal Engneerng, Nr 80 (005), pp 9310 [9] Aam A.A., Gulez K., A new sensorless hysteress rect torque control algorthm for MSM wth mnmum torque rpples, COME: The nternatonal Journal for Computaton an Mathematcs n Electrcal an Electronc Engneerng, Vol. 8, No., (009), pp [10] Abootorab Zarh H., Arab Markaeh Gh.R., Soltan J.: Drect torque an flux regulaton of synchronous reluctance motor rves base on nput output feeback lnearzaton, Energy Converson an Management, Nr. 51, 010, pp [11] Buja G. S., Kazmerkowsk M.., Drect torque control of WM nverterfe AC motors a survey, EEE Transactons on nustral Electroncs, Vol. 51, No. 4 (004)