Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 6 Politechniki Wrocławskiej Nr 6 Studia i Materiały Nr 27 27 Zdzisław ŻARCZYŃSKI, Marcin PAWLAK, Krzysztof P. DYRCZ * Falownik napięcia, energoelektronika, zasilanie silników LABORATORYJNY FALOWNIK NAPIĘCIA W artykule przedstawiono koncepcję budowy laboratoryjnego falownika napięcia do współpracy z dowolnym układem sterującym. Przedstawiono również założenia techniczne i konstrukcyjne jakie miał spełniać nowoczesny falownik. Pokazano przykładowe przebiegi napięć i prądów wyjściowych zbudowanego falownika przy zasilaniu silnika indukcyjnego. Przedstawiono także widmo harmonicznych napięć i prądów wyjściowych falownika. 1. WSTĘP Falowniki napięcia są obecnie podstawowymi elementami w strukturach sterowania silnikami indukcyjnymi. Na rynku istnieje wiele sprawdzonych rozwiązań falowników napięcia, przeznaczonych do zasilania silników o różnych mocach i o różnych napięciach pracy. Jednak w warunkach laboratoryjnych wykorzystanie takich falowników jest utrudnione, ponieważ stanowią one zamkniętą konstrukcję i oprócz standardowych dla danego rozwiązania zmiennych systemowych nie umożliwiają dostępu do wszystkich sygnałów sterujących i pomiarowych. Przedstawiony w artykule falownik napięcia spełnia wymagania stawiane urządzeniom, które mogą być wykorzystywane w laboratoriach badawczych, ponieważ jego konstrukcja umożliwia monitorowanie wszystkich najważniejszych sygnałów sterujących i pomiarowych użytecznych podczas opracowywania i testowania nowych struktur sterowania silnikami elektrycznymi. Konstrukcja falownika umożliwia jego współpracę zarówno z popularnymi kartami szybkiego prototypowania (np. firmy dspace) jak i z dedykowanymi kartami sterującymi zaprojektowanymi przez użytkownika. Ponadto, przy konstruowaniu falownika uwzględniono wszystkie wymogi bezpieczeństwa stawiane tego typu urządzeniom. * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 5-372 Wrocław, tel. (71) 324291, e-mail: Zdzislaw.Zarczynski@pwr.wroc.pl, Marcin.Pawlak@pwr.wroc.pl, Krzysztof.Dyrcz@pwr.wroc.pl
2. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE Głównym zadaniem projektowanego falownika napięcia było zapewnienie bezawaryjnego zasilania i różnorodności sterowania trójfazowych silników indukcyjnych, wykorzystywanych w realizacji projektów badawczych realizowanych w Zakładzie Napędów Elektrycznych Instytutu I-29 Politechniki Wrocławskiej. W założeniach projektowych przewidziano zatem taką konfigurację falownika, która miała umożliwić elastyczność w doborze różnych technik sterowania. To zdecydowało o rozdzieleniu części wykonawczej mocy falownika od części sterującej jako niezależnego źródła sygnałów zewnętrznych. W części wykonawczej oprócz modułu mocy z układami zasilającymi i zabezpieczającymi miały być zainstalowane również układy pomiarowe, układ wyświetlacza i interfejs komunikacyjny użytkownika. Przy konstrukcji falownika przyjęto następujące założenia techniczne: możliwość zasilania silników o mocy do 5,5kW, zakres ciągłych prądów fazowych do 2A, realizacja zabezpieczeń zwarciowych, przeciążeniowych, termicznych, monitorowanie istotnych parametrów falownika, pomiar wartości skutecznych prądów fazowych i napięć międzyfazowych silnika, pomiar prądu i napięcia obwodu pośredniczącego, wyświetlanie bieżących wartości pomiarowych oraz sygnalizacja stanów awaryjnych, możliwość bezpośredniego sterowania tranzystorami falownika, możliwość wyboru dwóch niezależnych źródeł zewnętrznych sygnałów sterujących, minimalizacja emisji zakłóceń do sieci zasilającej, możliwość wyłączenia awaryjnego. 3. BUDOWA I OPIS FUNKCJONALNY FALOWNIKA Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy falownika. Można na nim wyróżnić następujące bloki funkcyjne: układ mocy, sterownik mikroprocesorowy, układ pomiaru prądów i napięć, moduł sterujący, interfejs wejściowy, panel czołowy z klawiaturą i wyświetlaczem.
sieć Układ mocy silnik Moduł sterujący gniazda wejściowe Interfejs wejściowy Sterownik mikroprocesorowy Układ pomiaru prądów i napięć zaciski pomiarowe Klawiatura i wyświetlacz Rys. 1. Schemat blokowy falownika Fig. 1. Block diagram of inverter Poniżej opisano podstawowe struktury widoczne na rys. 1. Układ mocy realizuje funkcję formowania napięcia zasilającego silnika, według założonej sekwencji sterującej kluczami tranzystorowymi modułu mocy. Schemat ideowy układu mocy przedstawiono na rysunku 2. DD B6U 85N PM5RLA12 L1 L2 L3 F1 K1 + BR R B U V W K2 Rys. 2. Schemat ideowy układu mocy Fig. 2. Schematic diagram of Power module W skład układu mocy wchodzą następujące podzespoły: moduł mocy IV generacji PM5RLA12 firmy Mitsubishi, posiadający w swojej strukturze 7 tranzystorów mocy IGBT oraz układy zabezpieczeń zwarciowych, przeciążeniowych i termicznych,
prostownik sześciopulsowy DD B6U 85N o dopuszczalnym prądzie 6A i napięciu 12V, bateria elektrolitycznych kondensatorów obwodu pośredniczącego o pojemności 11uF na napięcie 9V, obwód hamowania nadsynchronicznego z rezystorem R B o rezystancji 1Ω i mocy 1W, z możliwością podłączenia rezystora zewnętrznego o większej mocy, stycznikowy obwód załączający realizujący funkcję ograniczenia prądu ładowania kondensatorów obwodu pośredniczącego, trójfazowy filtr sieciowy F1 typu F.LL.D3.25A.AN.R1 Sterownik mikroprocesorowy stanowi wewnętrzny układ monitorująconadzorujący pracę podzespołów falownika i nie bierze bezpośredniego udziału w procesie sterowania kluczami tranzystorowymi. Do jego zadań należy: monitorowanie istotnych parametrów falownika, obsługa układu pomiarowego, obsługa klawiatury i wyświetlacza, realizacja zabezpieczeń sprzętowych i programowych, zarządzanie interfejsem wejściowym. Sterownik mikroprocesorowy został wykonany przy zastosowaniu nowoczesnego 8 bitowego mikrokontrolera typu ATMega32 firmy Atmel, taktowanego sygnałem zegarowym o częstotliwości 16MHz, posiadającego 32kB pamięci flash, wyposażonego w 8 kanałowy, 1-bitowy przetwornik A/C oraz zestaw portów cyfrowych. Forma i dobór elementów panelu czołowego zapewnia optymalny sposób obsługi falownika w zakresie konfiguracji pracy, dostępu do sygnałów pomiarowych i obserwacji stanu pracy w warunkach normalnych i awaryjnych. Na panelu czołowym umieszczono: wyświetlacz graficzny z podświetlaniem o rozdzielczości 24x128, 5-przyciskową klawiaturę, wyłącznik główny zasilania falownika, matrycę diod LED do wizualizacji stanu kluczy falownika, zaciski wyjściowe sygnałów pomiarowych napięć i prądów, złącza interfejsu sterującego (ZS1, ZS2), złącze interfejsu RS232. Interfejs wejściowy spełnia funkcję elektronicznego przełącznika aktywnego złącza sygnałów sterujących falownika. Układ umożliwia również konfigurację trybu sterowania (3-kanałowy / 6-kanałowy) oraz wybór aktywnego poziomu logicznego zewnętrznych sygnałów sterujących falownika. Moduł sterujący wypełnia rolę układu sprzęgającego interfejs wejściowy falownika z układem mocy i zapewnia dopasowanie poziomów logicznych sygnałów wejściowych do poziomów akceptowalnych przez układ mocy oraz stanowi sprzętową realizację czasu martwego sterowania kluczy tranzystorowych. Układ sprzęgający,
który formuje sygnały sterujące falownika jest izolowany od obwodów mocy za pomocą szybkich transoptorów. Układ pomiaru prądów i napięć wykorzystuje hallotronowe przetworniki firmy LEM do pomiaru prądów fazowych silnika, napięć międzyfazowych silnika oraz napięcia i prądu obwodu pośredniczącego. Wszystkie sygnały pomiarowe w postaci wartości chwilowych są udostępnione na panelu czołowym falownika za pomocą złącz BNC. Dodatkowo, są one przetworzone do postaci sygnałów True-RMS i doprowadzone do wejść przetwornika A/C sterownika mikroprocesorowego jako sygnały wejściowe z obiektu nadzorowanego. Wygląd panelu czołowego oraz panelu podłączeniowego falownika przedstawiono na rysunku 3. a) b) Rys. 3. Panel czołowy a) i połączeniowy b) falownika Fig. 3. Front a) and connection panel b) of the inverter
3. OBSŁUGA FALOWNIKA Interfejs użytkownika stanowi 5-przyciskowa klawiatura oraz wyświetlacz graficzny. Uruchomienie falownika realizuje się przełącznikiem Zasilanie główne. Na wyświetlaczu pojawia się wówczas ekran powitalny, a następnie ekran statusu falownika przedstawiający stan załączenia falownika, bieżące wartości pomiarowe oraz aktywny interfejs wejściowy. Po załączeniu wszystkie dostępne nastawy falownika przyjmują wartości domyślne, co umożliwia natychmiastową pracę, bez konieczności wykonania konfiguracji. W każdej jednak chwili użytkownik może zmienić wybrane nastawy falownika, korzystając z menu głównego, w którym istnieje możliwość wybrania jednej z następujących pozycji: konfiguracja interfejsu wejściowego, ustawienia zabezpieczeń, ustawienia domyślne, opis złącz wejściowych, specyfikacja falownika. Ekran głównego menu falownika przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Menu główne falownika Fig. 4. Inverter s main menu Poszczególne pozycje menu głównego falownika opisano poniżej. Interfejs wejściowy Interfejs ten umożliwia wybór aktywnego złącza sygnałów sterujących falownika, konfigurację trybu sterowania (3-kanałowy / 6-kanałowy) oraz wybór aktywnego poziomu logicznego zewnętrznych sygnałów sterujących(niski, wysoki).
Ustawienia zabezpieczeń Oprócz zabezpieczeń sprzętowych falownika wynikających z ograniczeń zastosowanego modułu mocy i gwarantujących pewną ochronę modułu przed uszkodzeniem istnieje możliwość konfiguracji zabezpieczeń programowych, poprzez ustawienie maksymalnych wartości napięcia obwodu pośredniczącego, wartości skutecznych prądów fazowych silnika oraz temperatury modułu mocy. Ustawienia domyślne Wszystkie nastawy falownika przechowywane są w nieulotnej pamięci i stanowią konfigurację domyślną, której wartości są wprowadzane do nastaw po każdorazowym załączeniu falownika.. Użytkownik ma jednakże dostęp do tej pamięci, co daje mu możliwość zapisania własnych nastaw jako wartości domyślnych. Opis złącz wejściowych Na ekranie pojawia się rysunek przedstawiający rozkład wyprowadzeń złącz sygnałów sterujących ZS1 i ZS2. Specyfikacja falownika Na ekranie są wyświetlone parametry falownika: dopuszczalne napięcie wejściowe, maksymalny prąd fazowy, maksymalna częstotliwość kluczowania, czas martwy, wartości współczynników skalujących przetworników pomiarowych, z możliwością ich korekcji. 4. BADANIA LABORATORYTJNE FALOWNIKA Celem przeprowadzonych badań było sprawdzenie zachowania się falownika w różnych warunkach pracy i stwierdzenie zgodności parametrów falownika z założeniami projektowymi. Badania falownika zostały przeprowadzone na stanowisku laboratoryjnym z silnikami indukcyjnymi o różnych mocach, w klasycznym otwartym układzie sterowania, przy założeniu U/f=const. Poszczególne testy przeprowadzono przy różnych wartościach napięć zasilających i prądów obciążenia. Zmieniano również częstotliwość zadaną napięcia wyjściowego falownika oraz częstotliwość kluczowania tranzystorów. W wyniku przeprowadzonych badań zostały zarejestrowane przebiegi prądów i napięć silnika pochodzące z wewnętrznego układu przetworników pomiarowych falownika oraz oscyloskopu cyfrowego. Przykładowe przebiegi testowe oraz ich spektrogramy przedstawiono na rysunkach 5 9. Na rysunkach przyjęto następujące oznaczenia: U d napięcie obwodu pośredniczącego falownika, f wy częstotliwość napięcia wyjściowego falownika, f T częstotliwość kluczowania tranzystorów.
U AB [V] a) 2 1-1 -2.5.1.15.2.25.3.35.4.45.5 U AB [V] b) t [s] 2 1-1 -2.5.1.15.2.25.3.35.4.45.5 t [s] U AB [V] c) 2 1-1 -2.5.1.15.2.25.3.35.4.45.5 t [s] Rys. 5. Napięcie wyjściowe falownika dla U d =2V, f wy =5Hz przy częstotliwościach kluczowania a) f T =2kHz, b) f T =1kHz oraz c) f T =3kHz Fig. 5. Inverter s output voltage for U d =2V, f wy =5Hz for a) f T =2kHz, b) f T =1kHz and c) f T =3kHz
U AB [V] 12 a) 1 8 6 4 2 5 1 15 2 25 U AB [V] 12 b) f [khz] 1 8 6 4 2 5 1 15 2 25 U AB [V] 14 12 1 8 6 4 2 c) f [khz] 5 1 15 2 25 f [khz] Rys. 6. Zawartość wyższych harmonicznych w napięciu wyjściowym falownika przy U d =2V, f wy =5Hz dla częstotliwości kluczowania a) f T =2kHz, b) f T =1kHz oraz c) f T =3kHz Fig. 6. Spectrum of inverter s output voltage for U d =2V, f wy =5Hz a) f T =2kHz, b) f T =1kHz and c) f T =3kHz
I A [A] a) 1 5-5 -1.5.1.15.2.25.3.35.4.45.5 I A [A] b) 1 t [s] 5-5 -1.5.1.15.2.25.3.35.4.45.5 t [s] I A [A] c) 1 5-5 -1.5.1.15.2.25.3.35.4.45.5 t [s] Rys. 7. Prąd wyjściowy falownika dla U d =2V, f wy =5Hz przy częstotliwościach kluczowania a) f T =2kHz, b) f T =1kHz oraz c) f T =3kHz Fig. 7. Inverter s output current for U d =2V, f wy =5Hz for a) f T =2kHz, b) f T =1kHz and c) f T =3kHz
I A [A].25 a).2.15.1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 I A [A].25 b) f [khz].2.15.1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 I A [A].25 c) f [khz].2.15.1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 f [khz] Rys. 8. Widmo prądu wyjściowego falownika przy U d =2V, f wy =5Hz dla częstotliwości kluczowania a) f T =2kHz b) f T =1kHz oraz c) f T =3kHz Fig. 8. Spectrum of inverter s output current for U d =2V, f wy =5Hz for a) f T =2kHz b) f T =1kHz and c) f T =3kHz
5. UWAGI Przedstawiony w artykule laboratoryjny falownik napięcia został wykonany specjalnie do zastosowań laboratoryjnych i był wykorzystywany w pracach badawczych prowadzonych w Zakładzie Napędów Elektrycznych. Dzięki bardzo elastycznej konstrukcji układów wejściowych oraz możliwości konfiguracji systemu zabezpieczeń (np. zmiany nastaw maksymalnych prądów wyjściowych) falownik umożliwił testowanie wielu różnych metod sterowania silnikiem indukcyjnym. Przedstawione w artykule przebiegi prądów i napięć wyjściowych falownika oraz ich widma zostały zarejestrowane przy sterowaniu najprostszą metodą z zachowaniem zasady u/f=const. VOLTAGE INVERTER FOR LABORATORY A novel construction of the voltage inverter for laboratory is presented in the paper. A brief foredesign and construction of the inverter is submitted. The example diagrams of the outputs current and voltage for induction machine supplying are presented in the paper.