PL B1. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL BUP 20/10. JAROSŁAW GUZIŃSKI, Gdańsk, PL WUP 05/15. rzecz. pat.

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. H02P 21/00 ( ) H02P 23/14 ( ) H02P 27/06 ( ) (54) Sposób sterowania prędkością obrotową silnika asynchronicznego przeznaczony do elektrycznych układów napędowych z falownikiem oraz filtrem silnikowym (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 20/10 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/15 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL (72) Twórca(y) wynalazku: JAROSŁAW GUZIŃSKI, Gdańsk, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Czesław Popławski

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania prędkością obrotową silnika asynchronicznego zasilanego z falownika za pośrednictwem filtru silnikowego przeznaczony dla układów napędowych o regulowanej prędkości. Wynalazek znajduje zastosowanie w elektrycznych układach napędowych z silnikami asynchronicznymi, w których dodatkowo dla poprawy kształtu prądów i napięć zasilających silnik asynchroniczny zastosowano filtr silnikowy, nazywany również filtrem sinusoidalnym lub filtrem dolnoprzepustowym lub filtrem LC lub filtrem wyjściowym falownika lub filtrem, zwłaszcza w układach napędowych o regulowanej prędkości, w których nie zastosowano czujnika do pomiarów prędkości obrotowej wału silnika. Zasilanie silników asynchronicznych za pomocą falownika 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 sposoby regulacji połowo zorientowanej lub sposoby sterowania nieliniowego. 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 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 nie związanych 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 polega na pomiarze w równoodległych chwilach czasu sygnałów prądu wyjściowego falownika oraz napięcia zasilającego falownik, 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, zastosowanie w falownikach 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 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, 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 lub filtrem sinusoidalnym lub filtrem dolnoprzepustowym lub filtrem LC lub filtrem wyjściowym falownika lub filtrem. Korzystnym jest, aby filtr silnikowy w każdej fazie zawierał jedną gałąź podłużną zawierając indukcyjność oraz jedną gałąź poprzeczną zawierającą pojemność i rezystancję lub tylko pojemność, włączoną w obwód za gałęzią podłużną czyli od strony silnika.

3 PL B1 3 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 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 opisano sposób regulacji prędkości silnika asynchronicznego przedstawiony w publikacji Krzemiński Z: Cyfrowe sterowanie maszynami asynchronicznymi", Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2001 w układzie napędowym z silnikiem asynchronicznym i falownikiem 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 z nieliniowym sterowaniem multiskalarnym zapewniają dokładną regulację silnika asynchronicznego jedynie dla układów napędowych nie zawierających w swojej strukturze filtru silnikowego. Znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego nr P sposób regulacji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia, z filtrem wyjściowym charakteryzujący się tym, że sygnały zadanych wielkości sterujących ustalone w bloku odsprzęgającym odpowiadające składowym i zadanego wektora napięcia silnika, transformowane są 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 porównywane są 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. Sygnały te są sumowane z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora prądu silnika, a następnie porównywane są z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora prądu wyjściowego falownika i ustalane są w bloku regulatorów. Następnie sygnały transformowane są do układu współrzędnych prostokątnych i i ustalane jako sygnały odpowiadające składowym i zadanego wektora napięcia wyjściowego falownika i przetwarzane na sygnały odpowiadające sygnałom zadanym dla układu sterującego falownika. W sposobie tym zastosowano nieliniowe sterowanie multiskalarne zapewniające możliwość sterowania układem napędowym zawierającym w swojej strukturze filtr silnikowy nie pozwalającej jednak na kompensowanie zakłóceń układu jakimi są: spadek napięcia na gałęzi podłużnej filtru, prąd gałęzi poprzecznej filtru oraz prąd silnika. Sposób sterowania prędkością obrotową silnika asynchronicznego zwłaszcza do elektrycznych układów napędowych z falownikiem oraz filtrem silnikowym, zasilanego z falownika z filtrem wyjściowym, polegający na pomiarze sygnałów odpowiadających składowym i wektora prądu wyjściowego falownika charakteryzuje się według wynalazku tym, że w bloku regulatorów napięcia zadanego silnika ustalane są sygnały sterujące, które sumuje się z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora prądu silnika oraz dodatkowo z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora gałęzi poprzecznej filtru. Ustalone w bloku regulatorów prądu wyjściowego falownika sygnały sterujące sumuje się z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora napięcia silnika oraz sumuje się z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora spadku napięcia na gałęzi podłużnej filtru wyjściowego falownika. Następnie przetwarza się na sygnały odpowiadające sygnałom zadanym dla układu sterującego tranzystorami 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 ustalenie sygnału prędkości kątowej wału silnika również przy pracy napędu z niewielkimi prędkościami obrotowymi i przy zmianie kierunku obrotów silnika przy równoczesnym kompensowaniu zakłóceń jakimi są spadek napięcia na gałęzi podłużnej filtru, prąd gałęzi poprzecznej filtru oraz prąd silnika. Przedmiot wynalazku objaśniony jest bliżej w przykładzie wykonania i na rysunkach, na którym fig. 1 przedstawia układ napędowy z falownikiem napięcia, silnikiem asynchronicznym i filtrem silnikowym oraz zaznaczonymi blokami przetwarzania sygnałów, natomiast fig. 2 przedstawia schematycznie sposób postępowania przy ustalaniu sygnałów.

4 4 PL B1 Przedstawiony schematycznie na fig. 1 przykład wykonania składa się z prostownika PR zasilanego z trójfazowej sieci elektrycznej prądu przemiennego, kondensatora C filtrującego napięcie wyjściowe prostownika PR, falownika 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 i ZAD2 oraz układu sterowania falownika USF. Na fig. 2 przedstawiono schematycznie układ ustalania sygnałów sterujących silnika i filtru USSiF. Sygnały odpowiadające składowym prądu wyjściowego falownika i s i s uzyskane w danej chwili czasu z przetworników pomiarowych prądu CP oraz sygnał odpowiadający napięciu zasilającemu falownik uzyskany w danej chwili czasu z przetwornika pomiarowego napięcia CU przekształca się w bloku przetwarzania BP tak, że w wyniku tego ustala się sygnały odpowiadające: r - prędkości obrotowej silnika, u s, u s - składowym wektora napięcia silnika, i s, i s - składowym wektora prądu silnika, i 1, i 1 - składowym wektora prądu wyjściowego falownika, r, r - składowym wektora strumienia skojarzonego wirnika. Sygnały ustalone w bloku przetwarzania BP przekształca się w bloku transformacji zmiennych multiskalarnych BTZM zgodnie z zależnościami: x 11 = r x 12 = r i s - r i s x 21 = 2 r + 2 r x 22 = r i s + r i s 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 zadanych wartości prędkości obrotowej silnika oraz kwadratu strumienia skojarzonego wirnika. Sygnały x 11, x 12, x 21, x 22, x 11 zad oraz x 21 zad przekształca się w bloku regulatorów R1 zgodnie z zależnościami: 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 oraz sygnałów odpowiadających zmiennym multiskalarnym x 11, x 12, x 21, x 22 ustalonych w bloku transformacji zmiennych multiskalarnych BTZM oraz sygnałów odpowiadających składowym strumienia skojarzonego wirnika r, r ustalonych w bloku przetwarzania BP ustala się sygnały, odpowiadające zadanym składowym napięcia silnika zgodnie z zależnościami:

5 PL B1 5, gdzie: R r, R s, L r, L s, L m parametry obwodowego schematu zastępczego silnika oraz - L L L r s- l, Sygnały odpowiadające składowym, zadanego wektora napięcia silnika przetwarzane są w bloku transformacji filtru BTF1 zgodnie z zależnościami: gdzie: us - sygnał odpowiadający kątowi położenia sygnału wektora napięcia stojana silnika, w wyniku czego ustalone zostają sygnały odpowiadające składowym d i q zadanego wektora napięcia silnika. Sygnały u s, u s odpowiadające składowym, wektora napięcia silnika po przetworzeniu w bloku transformacji zmiennych filtru BTF2 zgodnie z zależnościami:, w wyniku czego ustalone zostają sygnały u sd, u sq odpowiadające składowym d i q wektora napięcia silnika przetwarzane są razem z sygnałami napięciowymi w bloku regulatorów R2 zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustala się sygnały odpowiadające składowym d, q zadanego wektora prądu kondensatora filtru, gdzie: k pc, k ic - stałe współczynniki. Sygnały i C, i C odpowiadające składowym, wektora prądu kondensatorów po przetworzeniu w bloku transformacji zmiennych filtru BTF3 zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustalone zostają sygnały i Cd, i Cq odpowiadające składowym d, q wektora prądu kondensatorów przetwarzane są razem z sygnałami i s, i s odpowiadające składowym, wektora prądu silnika po przetworzeniu w bloku transformacji zmiennych filtru BTF6 zgodnie z zależnościami:,

6 6 PL B1 w wyniku czego ustalone zostają sygnały i sd, i sq odpowiadające składowym d, q wektora prądu silnika oraz przetwarzane razem z ustalonymi w bloku R2 sygnałami w bloku sumatorów BS1 zgodnie z zależnościami:, w wyniku czego ustalone zostają sygnały oraz odpowiadające składowym d, q zadanego wektora prądu wyjściowego falownika. Sygnały oraz odpowiadające składowym, wektora prądu wyjściowego falownika po przetworzeniu w bloku transformacji zmiennych filtru BTF4 zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustalone zostają sygnały, odpowiadające składowym d, q wektora prądu wyjściowego falownika przetwarzane są razem z sygnałami, odpowiadającymi składowym d, q zadanego wektora prądu wyjściowego falownika w bloku regulatorów R3 zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustala się sygnały oraz oraz gdzie: k pu, k iu - stałe współczynniki. Sygnały u L1, u L1 odpowiadające składowym, wektora spadku napięcia na indukcyjności filtru po przetworzeniu w bloku transformacji zmiennych filtru BTF4 zgodnie z zależnościami:, w wyniku czego ustalone zostają sygnały, odpowiadające składowym d, q wektora spadku napięcia na indukcyjności filtru przetwarzane są razem z sygnałami u s, u s odpowiadające składowym, wektora napięcia silnika po przetworzeniu w bloku transformacji zmiennych filtru BTF7 zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustalone zostają sygnały, odpowiadające składowym d, q wektora napięcia silnika oraz przetwarzane razem z ustalonymi w bloku R3 sygnałami oraz bloku sumatorów BS2 zgodnie z zależnościami: w wyniku czego ustalone zostają sygnały oraz odpowiadające składowym d, q zadanego wektora napięcia wyjściowego falownika. Ustalone sygnały, przetwarzane są w bloku transformacji odwrotnej filtru BTOF zgodnie z zależnościami:

7 PL B1 7 w wyniku czego ustalone zostają sygnały odpowiadające składowym, zadanego wektora napięcia wyjściowego falownika, które są zadanymi sygnałami sterującymi dla układu sterowania USF falownika FN z filtrem silnikowym FS zasilającym silnik asynchroniczny SA. Zastrzeżenie patentowe Sposób sterowania prędkością obrotową silnika asynchronicznego zwłaszcza do elektrycznych układów napędowych z falownikiem oraz filtrem silnikowym, zasilanego z falownika z filtrem wyjściowym, polegający na pomiarze sygnałów odpowiadających składowym a i p wektora prądu wyjściowego falownika oraz pomiarze napięcia zasilającego falownik, przetworzeniu tego napięcia i przetworzeniu na sygnały wielkości regulowanych silnika oraz regulacji tych sygnałów w bloku regulatorów, kompensacji nieliniowości i ustaleniu zadanych sygnałów odpowiadających zadanym składowym wektora napięcia zasilającego silnik a następnie ustalaniu w bloku odprzęgającym sygnałów zadanych wielkości sterujących odpowiadających zadanym składowym wektora napięcia silnika, transformowaniu do układu współrzędnych d i q, porównywaniu z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora napięcia silnika, ustalaniu w bloku regulatorów sygnałów zadanych i sumowaniu z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q prądu silnika a następnie ustalaniu w bloku regulatorów sygnałów odpowiadających składowym d i q wektora prądu wyjściowego falownika i ustalaniu sygnałów odpowiadających składowym d i q zadanego wektora napięcia wyjściowego falownika, po czym przetwarzaniu na sygnały odpowiadające sygnałom zadanym dla układu sterującego tranzystorami falownika, znamienny tym, że w bloku regulatorów napięcia zadanego silnika ustalane są sygnały sterujące, które sumuje się z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora prądu silnika oraz dodatkowo z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora gałęzi poprzecznej filtru a ustalone w bloku regulatorów prądu wyjściowego falownika sygnały sterujące sumuje się z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora napięcia silnika oraz sumuje się z sygnałami odpowiadającymi składowym d i q wektora spadku napięcia na gałęzi podłużnej filtru wyjściowego falownika a dopiero następnie przetwarza na sygnały odpowiadające sygnałom zadanym dla układu sterującego tranzystorami falownika.

8 8 PL B1 Rysunki

9 PL B1 9

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