WPŁYW USZKODZENIA WYBRANYCH CZUJNIKÓW POMIAROWYCH NA PRACĘ NAPĘDU INDUKCYJNEGO STEROWANEGO METODĄ WEKTOROWĄ

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 77 Electrical Engineering 2014 Kail KLIMKOWSKI* Mateusz DYBKOWSKI* WPŁYW USZKODZENIA WYBRANYCH CZUJNIKÓW POMIAROWYCH NA PRACĘ NAPĘDU INDUKCYJNEGO STEROWANEGO METODĄ WEKTOROWĄ W artykule przedstawiono analizę układu napędowego z silnikie indukcyjny pracujący w strukturze sterowania polowo zorientowanego DFOC podczas uszkodzeń wybranych czujników poiarowych. Zwrócono szczególną uwagę na wpływ uszkodzeń na przebiegi wybranych ziennych stanu napędu indukcyjnego oraz na ożliwość ich wykorzystania do diagnostyki napędu elektrycznego. Badania syulacyjne wykonano w środowisku Matlab/SiPowerSyste. Zaproponowane rozwiązanie oże być z powodzenie wykorzystane w systeach o zwiększony stopniu bezpieczeństwa. SŁOWA KLUCZOWE: DFOC, napęd odporny, czujniki prędkości, czujnik prądu stojana, uszkodzenia napędu 1.1. Wstęp 1. WPROWADZENIE Zwiększone wyagania co do niezawodności napędów z silnikai indukcyjnyi wygenerowały wzrost zainsteresowania układai odpornyi na uszkodzenia. Układy takie (ang. FTCS - Fault Tolerant Control Systes) ożna podzielić na dwa główne typy: pasywne oraz aktywne. Pierwsze z nich projektowane są tak, aby zapewnić optyalną wydajność przy wystąpieniu określonej liczby uszkodzeń bez konieczności stwierdzania ich obecności. Zaliczane są do tej grupy napędy ze sterowanie adaptacyjny oraz predykcyjny. Natoiast aktywne układy odporne na uszkodzenia wykorzystują detektory i/lub obserwatory, które wykrywają awarię [5, 6, 7]. Główny cele jest odzyskanie sprawności poprzez użycie dodatkowych obwódów redundatnych lub przez dostosowanie paraetrów regulatorów i estyatorów w wyniku identyfikacji nowego obiektu sterowania. [6] W niniejszej pracy przedstawiono analizę wpływu uszkodzeń czujnika prędkości oraz prądu stojana na pracę układu napędowego z silnikie indukcyjny sterowany etodą wektorową DFOC. Badania wykonano w środowisku MATLAB-SiPowerSyste. * Politechnika Wrocławska.

2 186 Kail Klikowski, Mateusz Dybkowski 1.2. Układ napędowy z silnikie indukcyjny W pracy wykorzystano powszechnie znaną strukturę sterowania silnikie indukcyjny - etodę polowo zorientowaną DFOC (rys. 1) [2]. W układzie napędowy wykorzystano prostownik aktywny sterowany etodą napięciowo zorientowaną VOC (ang. Voltage Oriented Control) [4]. Do poiaru prędkości kątowej wykorzystano enkoder inkreentalny, napięcie stojana jest uzyskiwane na podstawie poiaru w obwodzie pośredniczący przeiennika częstotliwości oraz stanów łączników tranzystorowych falownika. Prąd stojana w trakcje noralnej pracy ierzony jest przy wykorzystaniu czujników w fazach A i B, trzeci przetwornik oże być wykorzystywany dopiero w układzie odporny na uszkodzenia. Rys. 1. Struktura układu sterowania polowo zorientowanego dla napędu z silnikie indukcyjny 2. USZKODZENIA CZUJNIKÓW POMIAROWYCH 2.1. Wpływ uszkodzeń czujnika prędkości na pracę napędu indukcyjnego Awarię czujnika prędkości ożna podzielić na trzy rodzaje, które ożna zdefiniować zależnością [1]: 1 (1) gdzie: ω ierzona wartość prędkości echanicznej, ω rzeczywista wartość prędkości echanicznej, γ współczynnik poocniczy, przy czy: 0 γ 1. W zależności od współczynnika γ, otrzyywana wartość prędkości echanicznej pobierana z czujnika oże być: a) przerywana częściowe uszkodzenie czujnika polegające na częściowy zaniku poszczególnych ipulsów z enkodera, występuje dla 0 γ 1;

3 Wpływ uszkodzenia wybranych czujników poiarowych na pracę napędu 187 b) przerywana częściowe uszkodzenie czujnika polegające na cykliczny przerywaniu konkretnych ipulsów z enkodera, występuje dla γ =<0,1>; c) zerowa całkowita awaria czujnika prędkości, występuje dla γ = 1, czyli ω = 0. Na podstawie doniesień literaturowych ożna stwierdzić, że skutki wystąpienia awarii czujnika prędkości w układach napędowych sterowanych etodai wektorowyi są najbardziej widoczne w przebiegach prędkości kątowej, estyowanej oraz oentu elektroagnetycznego [1]. Na rys. 2 rys. 4 przedstawiono skutki awarii enkodera inkreentalnego na pracę napędu DFOC. Założono, że uszkodzenie oże polegać na całkowity przerwaniu pętli sprzężenia od czujnika prędkości, zaniku poszczególnych ipulsów sygnału poiarowego lub cykliczny gubieniu tych ipulsów. Przedstawiono przebiegi prędkości kątowej ierzonej, zadanej i estyowanej oraz składowej i sy prądu stojana. a) b) Rys. 2. Przebieg prędkości kątowej (a) oraz składowej i sy prądu stojana (b) przy wystąpieniu całkowitego uszkodzenia czujnika prędkości, przy sterowaniu DFOC Na rys. 2 przedstawiono wyniki badań wpływu przerwania pętli sprzężenia zwrotnego na przebieg prędkości ierzonej, estyowanej przy wykorzystaniu estyatora MRAS CC [1], natoiast Rys. 3 i 4 prezentują przebiegi dla pozostałych rodzajów uszkodzeń. Napęd pracuje ze znaionową prędkością, a w chwilach t = 0,4 s oraz t = 0,8 s silnik został obciążony oentai kolejno: 0,5 on i on. Uszkodzenie enkodera nastąpiło w chwili t = 0,3 s. Wyraźnie widoczne jest, że każdy rodzaj uszkodzenia czujnika prędkości wpływa niekorzystnie na pracę napędu sterowanego etodą wektorową. Najgorszy skutek a całkowite przerwanie pętli poiarowej, jednak jest ono najprostsze do wykrycia w układach bezpiecznych. Cykliczne gubienie ipulsów oraz zanik ipulsów z enkodera nie powoduje utraty stabilności napędu, jednak długotrwała praca w taki stanie oże doprowadzić do uszkodzenia silnika lub eleentów energoelektroniki.

4 188 Kail Klikowski, Mateusz Dybkowski a) b) Rys. 3. Przebieg prędkości echanicznej (a) oraz składowej i sy prądu stojana (b) przy zaniku poszczególnych ipulsów sygnału poiarowego z czujnika prędkości, przy sterowaniu DFOC a) b) Rys. 4. Przebieg prędkości echanicznej (a) oraz składowej i sy prądu stojana (b) przy cykliczny gubieniu ipulsów z czujnika prędkości, przy sterowaniu DFOC 2.2. Wpływ uszkodzeń czujnika prądu stojana na pracę napędu indukcyjnego W niniejszy punkcie przedstawiono wpływ uszkodzenia czujnika prądu stojana na pracę napędu sterowanego etodą DFOC. Badania wykonano dla warunków jak poprzednio. Czujnik prądu oże wskazywać błędne wyniki poiarów wynikające z nasycenia rdzenia agnetycznego lub przesunięcia w fazie sygnału w pętli sprzężenia zwrotnego. Podstawowe rodzaje uszkodzeń czujnika prądu przedstawiono w tabeli 2.1. Rysunki 5-8 prezentują wpływ uszkodzeń czujnika fazy A oraz B prądu stojana na pracę napędu przy sterowaniu DFOC. Przedstawiono przebiegi prędkości kątowej ierzonej, estyowanej, składowej i sx oraz prądu fazowego stojana.

5 Wpływ uszkodzenia wybranych czujników poiarowych na pracę napędu 189 Tabela 2.1. Podstawowe rodzaje uszkodzeń oraz wartości sygnału wyjściowego czujnika prądu [7] Rodzaj uszkodzenia Sygnał wyjściowy [p.u.] 0,1 przerywany sygnał ograniczenie sygnału i s i s i pojawienie się szuu is ia n(t) zanik sygnału i 0 s sat Rys. 5. Przebieg prędkości kątowej, estyowanej (a), prądu stojana w fazie A (b) oraz składowej i sx (f) przy cyklicznie przerywany sygnale poiarowy z czujnika fazy A Rys. 6. Przebieg prędkości kątowej, estyowanej (a), prądu stojana w fazie A (b) oraz składowej i sx (f) przy zaniku sygnału poiarowego z czujnika fazy A Największe skutki uczkodzeń czujnika prądu wystąpiły przy całkowity przerwaniu sprzężenia zwrotnego oraz cyklicznie przerywany sygnale poiarowy (rys. 6, 8). Wyniki zawierają wpływ takich awarii na pracę układu napędowego dla obu czujników fazowych (A i B). Cyklicznie przerywany sygnał poiarowy wywołuje ogrone oscylacje o dużej aplitudzie i częstotliwości prędkości echanicznej, estyowanej, a także oentu elektroagnetycznego. Przerwanie sprzężenia zwrotnego powoduje oscylacje prędkości oraz oentu o niejszej niż w poprzedni przypadku częstotliwości. Charakterystyczne dla tego uszkodzenia jest fakt, że po wystąpieniu awarii wartość prędkości spadła do poziou 0,8 [p.u.]. Dla wszystkich rodzajów

6 190 Kail Klikowski, Mateusz Dybkowski uszkodzenia istotne znaczenie z punktu widzenia diagnostycznego a przebieg składowej i sx prądu stojana. Rys. 7. Przebieg prędkości kątowej, estyowanej (a), prądu stojana w fazie B (b) oraz składowej i sx (f) przy cyklicznie przerywany sygnale poiarowy z czujnika fazy B Rys. 8. Przebieg prędkości kątowej, estyowanej (a), prądu stojana w fazie B (b) oraz składowej i sx (f) przy zaniku sygnału poiarowego z czujnika fazy B Takie zachowanie napędu jest skutkie tego, że zienne stanu tj. struień wirnika są estyowane iędzy innyi na podstawie prądu stojana. Przy tak istotnych uszkodzeniach układ regulacji i sterowania nie jest w stanie zapewnić poprawnej pracy silnika. Dodatkowo wszystkie przedstawione awarie wpływają na przebieg prędkości estyowanej, która także bazuje na ierzony prądzie stojana. 3. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono wpływ uszkodzeń czujników poiarowych prędkości oraz prądu stojana na pracę układu napędowego sterowanego etodą DFOC. Wyniki badań potwierdziły, że największe skutki wywoływało całkowite uszkodzenie czujników oraz przerywany sygnał poiarowy. Awarie spowodowały silne oscylacje oentu oraz prędkości kątowej unieożliwiając prawidłową pracę napędu oraz estyację wybranych ziennych stanu. Praca zrealizowana w raach projektu finansowanego przez Narodowe Centru Nauki na podstawie decyzji DEC-2013/09/B/ST7/04199

7 Wpływ uszkodzenia wybranych czujników poiarowych na pracę napędu 191 LITERATURA [1] Dybkowski M., Estyacja prędkości kątowej w złożonych układach napędowych zagadnienia wybrane, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Poiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej nr 67, seria Monografie nr 20, Wrocław [2] Orłowska-Kowalska T., Bezczujnikowe układy napędowe z silnikai indukcyjnyi, Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, (2003). [3] Orlowska-Kowalska T., Dybkowski M., Stator Current-based MRAS Estiator for a Wide Range Speed-Sensorless Induction Motor Drive, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 57, no. 4, April 2010, pp [4] Knapczyk M., Pieńkowski K., Bezczujnikowe etody sterowania przekształtnikai sieciowyi AC/DC o dwukierunkowy przepływie energii, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Poiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Nr 56, Studia i Materiały Nr 24, Wrocław [5] Khalaf Sallou Gaeid, Hew Wooi Ping "Fault Tolerant Control of Induction Motor", Modern Applied Science Vol. 5, No. 4; August 2011, pp [6] Li Jiang, "Sensor fault detection and isolation using syste dynaics identification techniques", PhD thesis, The University of Michigan, [7] K.-S. Lee, J.-S. Ryu Instruent fault detection and copensation schee for direct torque controlled induction otor drivers, IEE Proc.-Control Theory Appl., Vol. 150, No. 4, AN INFLUENCE OF THE CHOSEN SENSORS FAULTS TO THE PERFORMANCE OF INDUCTION MOTOR DRIVE SYSTEM WORKING IN VECTOR CONTROL METHOD In the paper the influence of the chosen sensors faults (rotor speed and stator current sensors) to the properties of induction otor drive syste working in the Direct Field Oriented Control structure (DFOC) were tested. Study results of siulations carried out in Matlab/SiPowerSyste software in various states of otor drive are presented. Study results contains an analysis of the state variables such as: echanical and estiated speed, electroagnetic torque, stator's phase currents and rotor flux. Additionally the usage of these signals to develop faults detection algoriths were tested.