Bezpośrednie sterowanie momentem silnika indukcyjnego zasilanego z 3-poziomowego przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 1 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, Polska. Tel:+48226280665, Fax:+48226256633
Plan prezentacji Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny 1. Cele pracy 2. Topologie przekształtników wielopoziomowych (NPC, FLC, H-Bridge) 3. Modulacja wektorowa dla przekształtnika 3-poziomowego 4. Przykładowy zapis modulacji wektorowej dla sektora 5. Schemat blokowy metody sterowania: DTC-SVM 6. Model symulacyjny i wyniki symulacyjne 7. Budowa stanowiska laboratoryjnego przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 2
Cele pracy Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny 1. Przegląd metod modulacji i sterowania wielopoziomowym przekształtnikiem MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 2. Badania symulacyjne metody bezpośredniego sterowania momentem o stałej częstotliwości łączeń. 3. Budowa stanowiska laboratoryjnego przy wykorzystaniu karty dspace DS1104 i układu CPLD Altera MAX II oraz badania eksperymentalne przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 3
Przekształtnik z diodami poziomującymi - NPC przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 4 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, Polska. Tel:+48226280665, Fax:+48226256633
Przekształtnik z diodami Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny poziomującymi - NPC Zalety Mała liczba kondensatorów w porównaniu z innymi topologiami Możliwość podłączenia do jednego obwodu pośredniczącego (niemożliwe w przypadku połączenia kaskadowego) Wady Większa liczba półprzewodników w porównaniu z innymi topologiami Wzrastające napięcie wsteczne na diodach poziomujących wraz ze wzrostem liczby poziomów, co może powodować konieczność łączenia szeregowego diod wzrost koszów Konieczność wyrównywania napięć na kondensatorach w obwodzie pośredniczącym napięcia stałego przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 5
Mostek typu H połączenie kaskadowe przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 6 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, Polska. Tel:+48226280665, Fax:+48226256633
Mostek typu H połączenie Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny Zalety Prosta budowa Proste sterowanie Brak konieczności wyrównywania napięć na kondensatorach Brak dodatkowych elementów półprzewodnikowych Niskie koszty kaskadowe Wady Wymaga separowanych od siebie obwodów zasilania Wyższe napięcie na łącznikach w porównaniu z innymi topologiami przy danym napięciu zasilającym przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 7
Przekształtnik z kondensatorami o zmiennym potencjale (FLC) przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 8 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, Polska. Tel:+48226280665, Fax:+48226256633
Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny Przekształtnik z kondensatorami o zmiennym potencjale Zalety Mniejsza liczba elementów półprzewodnikowych w porównaniu z topologią NPC przy danej liczbie poziomów Stosunkowo proste sterowanie w celu uzyskania danego poziomu Możliwość indywidualnego sterowania każdą gałęzią Wady Większa liczba kondensatorów w porównaniu z innymi topologiami dla danej liczby poziomów Konieczność wyrównywania napięć na kondensatorach o zmiennym potencjale przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 9
Możliwe stany łączników jednej gałęzi dla przekształtnika z kondensatorami o zmiennym potencjale Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny U DC T T C 1 C 2 Stan 1 generacja zerowego napięcia u an U DC/2 N U DC/2 Ca S a1 S a2 S a1 S a2 i a a U DC/2 -U DC/2 u an u an S a1 S a2 S a1 S a2 U DC/2 0 1 0 1 i a > 0 to rozładowywanie C a i a < 0 to doładowywanie C a t przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 10
Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny Modulacja wektorowa dla przekształtnika 3- poziomowego Płaszczyzna wektorowa α-β z podziałem na sektory 022 Sektor 3 Sektor 4 021 012 020 002 122 011 121 010 Sektor 2 120 β 222 111 000 221 110 211 100 27 stanów przewodzenia łączników z czego: 24 stany aktywne 112 001 6 stanów redundantnych 102 Sektor 5 212 101 220 202 210 Sektor 1 α 200 201 Sektor 6 222 111 V 0 000 Sektor pierwszy z podziałem na regiony 221 110 V 5 4 1 V 3 3 2 211 100 220 V 4 V 2 Uref 1 1 Sektor 1 210 V 1 200 przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 11
Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny Obliczanie współczynnika modulacji i sposób wyboru regionu Uref π M= M 3 U DC sinθ m 1 = M cosθ 3 m 2 = 2M sinθ 3 Indeks modulacji Region Czasy załączeń m 1 >1 1 T 1 =m 1-1 T 2 =m 2 T 4 =2-m 1 -m 2 m 1 1 T 4 =1-m 2 m 2 1 2 T 5 =1-m 1 m 1 +m 2 >1 T 2 =m 1 +m 2-1 m 2 >1 3 T 2 =m 1 T 3 =m 2-1 T 5 =2-m 1 -m 2 m 1 1 T 4 =m 1 m 2 1 4 T 5 =m 2 m 1 +m 2 1 T 0 =1-m 1 -m 2 przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 12
Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny U DC T Obliczanie czasów załączeń łączników dla sektora pierwszego m2 221 110 V 5 V 3 220 222 Θ V 4 211 111 100 1 m1 000 V0 C 1 C 2 U DC /2 N Stan 01 U DC /2 Ca S a1 S a2 S a1 S a2 3 4 Uref i a a 2 U DC T C 1 C 2 N Sektor 1 1 1 V 2 U DC /2 U DC /2 210 Stan 02 Ca S a1 S a2 S a1 S a2 V 1 200 i a a Sektor 1, region 1 T_Sa_up = t1 + t2 + t3 + t4 * (3 - KA) / 4 + t5 * (3 - KA) / 4 T_sA1 = 1 + t0 * (1 - KA / 3) / 2; T_sA2 = 0.5 x (m1 + m2) T_Sa_down = t1 + t2 + t3 + t4 * (3 + KA) / 4 + t5 * (3 + T_sB1 = 1 0.5 x m1 KA) / 4 + t0 * (1 + KA /3) / 2; T_sB2 = 0 T_Sb_up = t2 * (1 - KB) / 2 + t3 + t4 * (1 - KB) / 4 + t5 * (3 T_sC1 = 1 0.5 x (m1 m2) - KB) / 4 + t0 * (1 - KB / 3) / 2; T_sC2 = 0 T_Sb_down = t2 * (1 + KB) / 2 + t3 + t4 * (1 + KB) / 4 + t5 * (3 + KB) / 4 + t0 * (1 + KB / 3) / 2; T_Sc_up = t4 * (1 - KC) / 4 + t5 * (1 - KC) / 4 + t0 * (1 - KC SIG_TA1_DUTY <= GEN_MAX_DUTY_2; / 3) / 2; SIG_TA2_DUTY <= SIG_mm_4; T_Sc_down = t4 * (1 + KC) / 4 + t5 * (1 + KC) / 4 + t0 * (1 SIG_TB1_DUTY <= SIG_MAX_m1_2; + KC / 3) / 2; SIG_TB2_DUTY <= (OTHERS => '0'); SIG_TC1_DUTY <= SIG_MAX_mm_2; SIG_TC2_DUTY <= (OTHERS => '0'); T T przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 13
Pełna struktura sterowania układu z maszyną indukcyjną Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny y B Ψ sy = 0 C β A γ Ψ γψs Ψ r γψr x Ω φs Ψ S = Ψ S = Ψ Sx α Ω φr γ m Przekształtnik 3-fazowy z kondensatorami o zmiennym potencjale dψ dt dψ Ψ dt S rd ' rq' = = R L = R L LM Lr r r r r Ψ 3 T = p e 2 b ( L ' ) MI Ψ sd ' rd ( Ψ ) przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 14 Ω m = d γ dt r L M + σ I L sq' Strumień stojana zorientowany we współrzędnych x-y m S I S rq ' ( Ψ i Ψ i ) sα sβ sβ sα
Model symulacyjny i wyniki symulacyjne program Matlab Simulink Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny Napięcie zasilające U dc 700v Częstotliwość łączeń f s 5kHz SILNIK INDUKCYJNY Moc znamionowa Znamionowe, międzyfazowe napięcie stojana Znamionowa prędkość obrotowa Znamionowy moment elektromagnetyczny 3 kw 3 x 380 V 1415 rpm 20 Nm SILNIK INDUKCYJNY Indukcyjność uzwojeń stojana Rezystancja uzwojeń stojana Indukcyjność uzwojeń wirnika Rezystancja uzwojeń wirnika Indukcyjność wzajemna uzwojeń 0.17 H 1.84 Ω 0.17 H 1.84 Ω 0.16 H przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 15
Bezpośrednie sterowanie momentem zmiana momentu obciążającego silnik Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny Od góry: 1) Prądy fazowe Ia, Ib, Ic 2) Napięcie fazy A, Ua 3) Moment elektromagnetyczny zadany Te_z i zmierzony Te 4) Prędkość kątowa wirnika w 5) Napięcie na kondensatorze FLC fazy A 6) Napięcie na kondensatorze FLC fazy B 7) Napięcie na kondensatorze FLC fazy C przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 16
Politechnika Warszawsk ka, Wydział Elektryczny Stan dynamiczny wyrównywanie napięć na kondensatorach FLC Od góry: 1) Prądy fazowe Ia, Ib, Ic 2) Napięcie fazy A, Ua 3) Moment elektromagnetyczny zadany Te_z i zmierzony Te 4) Prędkość kątowa wirnika w 5) Napięcie na kondensatorze FLC fazy A U 0 = 200V 6) Napięcie na kondensatorze FLC fazy B U 0 = 400V 7) Napięcie na kondensatorze FLC fazy C U 0 = 250V przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 17
Stanowisko eksperymentalne Karta dspace DS1104 Widok ogólny stanowiska badawczego Przekształtnik 3-poziomowy FLC z chłodzeniem przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 18 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, Polska. Tel:+48226280665, Fax:+48226256633
Eliminacja stanów wprowadzanych przez czasy martwe łączników, na przykładzie sektoru pierwszego, regionu drugiego przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 19 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, Polska. Tel:+48226280665, Fax:+48226256633
Dziękuję za uwagę przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale 20 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, Polska. Tel:+48226280665, Fax:+48226256633