Implementacja sterowania DTC- do przekształtnika trójpoziomowego

Podobne dokumenty
ANALIZA PRACY SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI W WARUNKACH ZAPADU NAPIĘCIA

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Sterowanie napędów i serwonapędów elektrycznych

PORÓWNANIE WŁAŚCIWOŚCI WEKTOROWYCH METOD REGULACJI MOMENTU I STRUMIENIA MASZYNY INDUKCYJNEJ (DTC I FOC)

Bezpośrednie sterowanie momentem silnika indukcyjnego zasilanego z 3-poziomowego. przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale

Nowe algorytmy bezpośredniej regulacji momentu i strumienia silnika indukcyjnego zasilanego z trójpoziomowego przekształtnika DC/AC

Wykład 2 Silniki indukcyjne asynchroniczne

Rozwój sterowania prędkością silnika indukcyjnego trójfazowego

WPŁYW USZKODZENIA TRANZYSTORA IGBT PRZEKSZTAŁTNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI NA PRACĘ NAPĘDU INDUKCYJNEGO

UKŁAD HAMOWANIA ELEKTRYCZNEGO DO BADANIA NAPĘDÓW

SPIS TREŚCI PRZEDMOWA WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 1. PODSTAWOWE INFORMACJE O NAPĘDZIE Z SILNIKAMI BEZSZCZOTKOWYMI 1.1. Zasada działania i

WYBRANE PROBLEMY DIAGNOSTYKI UKŁADÓW NAPĘDOWYCH Z FALOWNIKAMI NAPIĘCIA

d J m m dt model maszyny prądu stałego

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Silnik indukcyjny - historia

Wybrane problemy diagnostyki układów napędowych z falownikami napięcia

Wykaz ważniejszych oznaczeń Podstawowe informacje o napędzie z silnikami bezszczotkowymi... 13

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

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

PL B1. Sposób regulacji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego zasilanego z falownika napięcia z filtrem silnikowym

Przekształtnik sieciowy AC/DC przy sterowaniu napięciowym i prądowym analiza porównawcza

PL B1. Sposób regulacji prądu silnika asynchronicznego w układzie bez czujnika prędkości obrotowej. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL

MODERNIZACJA NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO WIRÓWKI DO TWAROGU TYPU DSC/1. Zbigniew Krzemiński, MMB Drives sp. z o.o.

Ćwiczenie 1. Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i przekształtnikiem obniżającym.

STEROWANIE UKŁADU NAPĘDOWEGO Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM W ZASTOSOWANIACH TRAKCYJNYCH

dr inż. WIKTOR HUDY dr hab. inż. KAZIMIERZ JARACZ Uniwersytet Pedagogiczny im. KEN w Krakowie Instytut Techniki

Laboratorium Elektroniki w Budowie Maszyn

Obliczenia polowe silnika przełączalnego reluktancyjnego (SRM) w celu jego optymalizacji

ANALIZA POLOWA I OBWODOWA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI STEROWANEGO REGULATOREM HISTEREZOWYM

ANALIZA PRACY SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO W ASPEKCIE STEROWANIA WEKTOROWEGO

UKŁADY NAPĘDOWE Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI STEROWANE METODAMI WEKTOROWYMI DFOC ORAZ DTC-SVM ODPORNE NA USZKODZENIA PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI

ANALIZA WEKTOROWYCH METOD PRZEKSZTAŁTNIKOWEGO STEROWANIA AUTONOMICZNYM GENERATOREM INDUKCYJNYM

Wykaz symboli, oznaczeń i skrótów

MODEL SYMULACYJNY ENERGOELEKTRONICZNEGO STEROWANEGO ŹRÓDŁA PRĄDOWEGO PRĄDU STAŁEGO BAZUJĄCEGO NA STRUKTURZE BUCK-BOOST CZĘŚĆ 2

Pulse width modulation control of three-phase three-level inverter Sterowanie modulacji szerokości impulsów trójpoziomowego trójfazowego falownika.

Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Zakład Energoelektroniki i Sterowania Laboratorium energoelektroniki


PORÓWNANIE WYBRANYCH REGULATORÓW PRĄDU W UKŁADZIE STEROWANIA SILNIKIEM SYNCHRONICZNYM ZE WZBUDZENIEM OD MAGNESÓW TRWAŁYCH

PROGRAMY I WYMAGANIA TEORETYCZNE DO ĆWICZEŃ W LABORATORIUM NAPĘDOWYM DLA STUDIÓW DZIENNYCH, WYDZIAŁU ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI.

PL B1. Sposób i układ sterowania przemiennika częstotliwości z falownikiem prądu zasilającego silnik indukcyjny

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 80/

Silniki indukcyjne. Ze względu na budowę wirnika maszyny indukcyjne dzieli się na: -Maszyny indukcyjne pierścieniowe. -Maszyny indukcyjne klatkowe.

Ćwiczenie 3 Falownik

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

st. stacjonarne I st. inżynierskie, Energetyka Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki Ćwiczenie nr 4 OBWODY TRÓJFAZOWE

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Wydział Elektryczny Politechniki Białostockiej

BADANIA ELEKTROMECHANICZNYCH ZESPOŁÓW NAPĘDOWYCH ZWAŁOWARKI ZGOT

UKŁAD AUTOMATYCZNEJ REGULACJI SILNIKA SZEREGOWEGO PRĄDU STAŁEGO KONFIGUROWANY GRAFICZNIE

Ćwiczenie 1b. Silnik prądu stałego jako element wykonawczy Modelowanie i symulacja napędu CZUJNIKI POMIAROWE I ELEMENTY WYKONAWCZE

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Przekształtniki impulsowe prądu stałego (dc/dc)

ANALIZA WPŁYWU USZKODZEŃ CZUJNIKÓW PRĄDU STOJANA NA PRACĘ WEKTOROWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO KONCEPCJA UKŁADU ODPORNEGO

BADANIE JEDNOFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO Strona 1/5

BADANIE SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO (SRM) CZĘŚĆ 2 PRACA DYNAMICZNA SILNIKA

5. STANY PRACY NAPĘDU Z MASZYNĄ OBCOWZBUDNĄ PRĄDU STAŁEGO

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 18/11. JANUSZ URBAŃSKI, Lublin, PL WUP 10/14. rzecz. pat.

Załącznik nr Wybrane w pracy ustawienia modelu maszyny asynchronicznej w środowisku Matalab/Simulink karta Configuration...

BEZPRZEPIĘCIOWE STEROWANIE IMPULSOWE REGULATORA NAPIĘCIA PRZEMIENNEGO

Laboratorium Elektromechaniczne Systemy Napędowe BADANIE AUTONOMICZNEGO GENERATORA INDUKCYJNEGO

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH DUŻEJ MOCY PRZY CZĘŚCIOWYM ZASILANIU UZWOJENIA STOJANA

DANE: wartość skuteczna międzyprzewodowego napięcia zasilającego E S = 230 V; rezystancja odbiornika R d = 2,7 Ω; indukcyjność odbiornika.

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Zakład Energoelektroniki i Sterowania Laboratorium energoelektroniki

REGULATOR NAPIĘCIA DC HYBRYDOWEGO ENERGETYCZNEGO FILTRU AKTYWNEGO DC BUS VOLTAGE CONTROLLER IN HYBRID ACTIVE POWER FILTER

Układ kaskadowy silnika indukcyjnego pierścieniowego na stały moment

Przekształtniki napięcia stałego na stałe

Ćwiczenie: "Silnik prądu stałego"

PLAN PREZENTACJI. 2 z 30

IMPULSOWY PRZEKSZTAŁTNIK ENERGII Z TRANZYSTOREM SZEREGOWYM

Laboratorium. Automatyka napędu elektrycznego

Badania maszyny reluktancyjnej przełączalnej, przeznaczonej do napędu lekkiego pojazdu elektrycznego

Sposób analizy zjawisk i właściwości ruchowych maszyn synchronicznych zależą od dwóch czynników:

Problemy optymalizacji układów napędowych w automatyce i robotyce

Badanie wpływu zakłóceń sygnałów wejściowych regulatorów typu PI w układzie sterowania polowo-zorientowanego z silnikiem indukcyjnym

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Serwomechanizmy sterowanie

DWUSTREFOWE STEROWANIE MOMENTU I STRUMIENIA NAPĘDU FALOWNIKOWEGO Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM KLATKOWYM

STEROWANIE TRÓJPOZIOMOWEGO PRZEKSZTAŁTNIKA AC/DC WSPÓŁPRACUJĄCEGO Z SIECIĄ METODĄ DPC-3L-3AM

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

PORÓWNANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO ORAZ SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM - BADANIA EKSPERYMENTALNE

Maszyna indukcyjna dwustronnie zasilana metody sterowania, właściwości, zastosowania

OBLICZENIA POLOWE SILNIKA PRZEŁĄCZALNEGO RELUKTANCYJNEGO (SRM) W CELU JEGO OPTYMALIZACJI

LABORATORIUM PRZETWORNIKÓW ELEKTROMECHANICZNYCH

Rys. 1. Krzywe mocy i momentu: a) w obcowzbudnym silniku prądu stałego, b) w odwzbudzanym silniku synchronicznym z magnesem trwałym

PRACA RÓWNOLEGŁA PRĄDNIC SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

PL B1. Sposób i układ tłumienia oscylacji filtra wejściowego w napędach z przekształtnikami impulsowymi lub falownikami napięcia

PL B1. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL BUP 10/16. JAROSŁAW GUZIŃSKI, Gdańsk, PL PATRYK STRANKOWSKI, Kościerzyna, PL

ADAPTACYJNY REGULATOR PRĄDU STOJANA TRAKCYJNEGO NAPĘDU ASYNCHRONICZNEGO

BADANIA MASZYNY RELUKTANCYJNEJ PRZEŁĄCZALNEJ PRZEZNACZONEJ DO NAPĘDU LEKKIEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

WSPÓŁCZYNNIK MOCY I SPRAWNOŚĆ INDUKCYJNYCH SILNIKÓW JEDNOFAZOWYCH W WARUNKACH PRACY OPTYMALNEJ

Spis treści 3. Spis treści

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ELEKTRYKA Nr kol. 819

ANALIZA WRAŻLIWOŚCI WYBRANYCH ESTYMATORÓW ZMIENNYCH STANU NA BŁĘDNĄ IDENTYFIKACJĘ PARAMETRÓW SCHEMATU ZASTĘPCZEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

WPŁYW ADDYTYWNYCH ZAKŁÓCEŃ TYPU SINUSOIDALNEGO SYGNAŁÓW WEJŚCIOWYCH REGULATORÓW PI W UKŁADZIE FOC Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM NA PRĘDKOŚĆ OBROTOWĄ

Badanie prądnicy synchronicznej

NAPĘD PRĄDU STAŁEGO ZESTAW MATERIAŁÓW POMOCNICZYCH

X X. Rysunek 1. Rozwiązanie zadania 1 Dane są: impedancje zespolone cewek. a, gdzie a = e 3

7 Dodatek II Ogólna teoria prądu przemiennego

Politechnika Białostocka

Transkrypt:

Marek KORZENIEWSKI, Andrzej SIKORSKI Politechnika Białostocka, Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Implementacja sterowania DTC- do przekształtnika trójpoziomowego Streszczenie. W artykule przedstawiono nowy algorytm bezpośredniej regulacji momentu i strumienia silnika indukcyjnego. W algorytmie DTC- wyeliminowano podstawowe wady konwencjonalnej metody DTC tj. heksagonalną trajektorię strumienia i silnie odkształcone prądy stojana przy niskich prędkościach napędu, a także problem związany z rozruchem silnika. Algorytm testowano na stanowisku z trójpoziomowym przekształtnikiem DC/AC zasilającym silnik indukcyjny. Przedstawiono realizację praktyczną systemu oraz zaprezentowano wyniki jego badań laboratoryjnych. Abstract. In the article a new algorithm of direct torque and flux control of induction motor is presented. In the DTC- algorithm the basic disadvantages of the conventional DTC method, that is hexagonal flux and strongly deformed current at low speed range as well start up problem were eliminated. The algorithm was tested on three-level inverter fed induction motor. Practical realization of the system and its laboratory investigation were presented. (Three-level DC/AC inverter controlled by direct torque and flux control method of induction motor) Słowa kluczowe: bezpośrednia regulacja strumienia i momentu, przekształtnik trójpoziomowy. Keywords: direct torque and flux control, three-level inverter. Wstęp Metoda bezpośredniej regulacji momentu i strumienia stojana (DTC) jest jedną z nowocześniejszych metod stosowanych w układach przemysłowych, służących do sterowania napędami prądu przemiennego. Metoda DTC zaproponowana w 1986 roku przez Takahashi i Noguchi [1] pomimo swych wad, tj. odkształcenie strumienia i prądu przy małych prędkościach pracy układu napędowego, stanowi istotną konkurencję dla polowo zorientowanych metod sterowania (FOC). Dotychczasowe prace badawcze autorów, skupiały się głównie na analizie problemów oraz poprawie własności sterowania bezpośrednią metodą regulacji momentu i strumienia silnika indukcyjnego. W pracach [2], [] i [4] zostały przedstawione podstawy teoretyczne oraz wyjaśnienie przyczyny odkształcania się strumienia i prądu stojana silnika przy małych prędkościach kątowych napędu oraz problemy podczas rozruchu. Wyeliminowanie powyższych wad realizowane jest dwiema drogami. Pierwsza polega na realizacji takiej struktury regulatorów momentu i strumienia (z wykorzystaniem regulatorów liniowych), która w końcowym etapie regulacji wykorzystuje napięciową modulację PWM. Algorytmy te określane mianem DTC-SVM (direct torque control space vector modulation) [10], [11], z uwagi na zastosowane regulatory PI w torze regulacji momentu i strumienia, charakteryzują się dłuższym czasem odpowiedzi na skokową zmianę momentu. Druga droga polega na ulepszeniu klasycznej koncepcji sterowania DTC-ST (direct torque control - switching table) z nieliniowymi regulatorami momentu i strumienia poprzez modyfikacje tablicy przełączeń [9], [12] lub też wprowadzenie dodatkowych algorytmów modulacji [1]. Zastosowanie w części silnoprądowej trójpoziomowego falownika napięcia daje większą swobodę w dziedzinie optymalizacji i sterowania, jak też pozwala stosować tego typu układy przy znacznych mocach (kilkaset kw), np. w układach trakcyjnych. W wyniku prowadzonych dotychczas prac badawczych autorów, w niniejszym artykule został przedstawiony układ sterowania DTC- oraz wyniki badań laboratoryjnych z zastosowaniem trójpoziomowego przekształtnika DC/AC. Przekształtnik trójpoziomowy W przekształtnikach DC/AC, badania koncentrują się wokół tych samych niedostatków układów regulacji wielkości sterowanych, tj. zapewnienia dobrych właściwości statycznych i dynamicznych (rozumianych jako wierne odtwarzanie wartości zadanej, przy możliwie małym uchybie oraz dużej dynamice jej odtwarzania w odpowiedzi na skokowe zmiany w zadawaniu lub obciążeniu), przy możliwie małej częstotliwości łączeń łączników przekształtnika [6], [7]. Wymagania te mogą być spełnione przez zastosowanie metody DTC w sterowaniu trójpoziomowego falownika napięcia w części silnoprądowej układu. Rys.1. Schemat części silnoprądowej przekształtnika trójpoziomowego Rys.2. Możliwe położenia wektora napięcia przekształtnika trójpoziomowego wraz z zaznaczonym podziałem na 6 sektorów PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 00-2097, R. 86 NR 2/2010 26

Tabela 1. Napięcia na odbiorniku połączonym w gwiazdę w zależności od stanu przewodzących łączników przekształtnika Nr Stan Napięcie Napięcie Napięcie Rodzaj wek. łączników u U u V u W wektora n=0 000 0 0 0 n=1 111 0 0 0 zerowe n=2 222 0 0 0 n= 100 2/6 UDC -1/6 UDC -1/6 UDC n=4 110 1/6 UDC 1/6 UDC -2/6 UDC n=5 010-1/6 UDC 2/6 UDC -1/6 UDC małe n=6 011-2/6 UDC 1/6 UDC 1/6 UDC ujemne" n=7 001-1/6 UDC -1/6 UDC 2/6 UDC n=8 101 1/6 UDC -2/6 UDC 1/6 UDC n=9 211 2/6 UDC -1/6 UDC -1/6 UDC n=10 221 1/6 UDC 1/6 UDC -2/6 UDC n=11 121-1/6 UDC 2/6 UDC -1/6 UDC n=12 122-2/6 UDC 1/6 UDC 1/6 UDC n=1 112-1/6 UDC -1/6 UDC 2/6 UDC n=14 212 1/6 UDC -2/6 UDC 1/6 UDC n=15 210 1/2 UDC 0-1/2 UDC n=16 120 0 1/2 UDC -1/2 UDC n=17 021-1/2 UDC 1/2 UDC 0 n=18 012-1/2 UDC 0 1/2 UDC n=19 102 0-1/2 UDC 1/2 UDC n=20 201 1/2 UDC -1/2 UDC 0 n=21 200 2/ UDC -1/ UDC -1/ UDC n=22 220 1/ UDC 1/ UDC -2/ UDC n=2 020-1/ UDC 2/ UDC -1/ UDC n=24 022-2/ UDC 1/ UDC 1/ UDC n=25 002-1/ UDC -1/ UDC 2/ UDC n=26 202 1/ UDC -2/ UDC 1/ UDC małe dodatnie" średnie duże Zastosowana struktura przekształtnika trójpoziomowego z diodami ograniczającymi [8] (rys. 1), w której zachowano strukturę mostka trójfazowego zwiększając liczbę łączników w pełni sterowanych, pozwoliła zwielokrotnić poziomy napięcia wyjściowego takiego układu (rys. 2). Na każdym z zacisków trójfazowego wyjścia przekształtnika może pojawić się jeden z trzech dostępnych potencjałów (+U DC, 0 lub -U DC ) napięcia zasilającego. Mając do dyspozycji trzy możliwe stany każdego z trzech niezależnych przełączników można określić =27 dozwolonych kombinacji łączników określających napięcia wyjściowe na zaciskach przekształtnika. Konfiguracje łączników zapisane są w postaci trzycyfrowej liczby (np. 210 ). Każda z cyfr określa potencjał na wyjściu danej fazy, a tym samym na podstawie tabeli 1, stan każdego z dwunastu łączników sterowanych. Na przykład: stan łączników 210 oznacza załączenie łączników T 1U, T 2U, T 2V, T V, T W, T 4W, przy jednoczesnym wyłączeniu T U, T 4U, T 1V, T 4V, T 1W, T 2W. Metoda DTC- Metoda DTC, chociaż nie jest metodą prądową, wykazuje pewne podobieństwa do metody prądowej z orientacją wektora pola (FOC). W obu metodach zadawany jest strumień i moment, przy czym w metodzie FOC poprzez zadawanie składowej prądu i sd proporcjonalnej do strumienia (przy zachowaniu stałego strumieni oraz składowej i sq proporcjonalnej do momentu. Proponowany sposób analizy opiera się na spojrzeniu na metodę DTC przez pryzmat sterowania prądowego [2]. Na podstawie zależności (2) określającej pochodną prądu (K xxx - rys. 4b, 4c), w zależności od warunków pracy układu napędowego (prąd silnika i sdq, siła elektromotoryczna E - proporcjonalna do prędkości kątowej m ) i parametrów silnika (rezystancja R s i indukcyjność rozproszenia stojana Ls) wyznaczane są możliwe kierunki poruszania się wektora prądu i sdq przy możliwych wektorach napięcia kształtowanych w przekształtniku. Rysunki 4a, 4b prezentują sposób określenia zadanego wektora napięcia U s (1), jakim należałoby zasilić silnik, aby otrzymać określone składowe prądu i sd, i sq przy wymaganej prędkości kątowej (proporcjonalnej do sem E). Przy określonym napięciu U s, kierunki poruszania się wektora prądu i s (K xxx ), odpowiadają używanym w sektorze N=1 wektorom napięcia kształtowanym w przekształtniku. (1) U ( R i j L i E) (2) L s d dt i sdq s U s sdq s o s sdq j( 2 U DCe j U DCe j 1 ( U DCe "0" n21) ot ( n15) ot 6 n) ot Rys.. Schemat układu standardowego sterowania DTC b) c) Rys.4. Analiza metody DTC w wirującym układzie współrzędnych dq: wykres wektorowy silnika dla przebiegów sinusoidalnych (zadanych) przy wysokiej prędkości kątowej ( oraz graficzna ilustracja powstawania kierunków poruszania się wektorów prądu K xxx (c) i ich wpływu na wektor prądu (b) 264 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 00-2097, R. 86 NR 2/2010

Tabela 2. Tablica przełączeń DTFC d d M N=1 N=2 N= N=4 N=5 N=6 1 0 2 220 020 022 002 202 200 1 110 010 011 001 101 100 0 111 000 111 000 111 000-1 101 100 110 010 011 001-2 202 200 220 020 022 002 2 020 022 002 202 200 220 1 010 011 001 101 100 110 0 000 111 000 111 000 111-1 001 101 100 110 010 011-2 002 202 200 220 020 022 W standardowej metodzie DTC (rys. ) tablicę przełączeń ustalono przy założeniu, że wektor napięcia U s przesunięty jest o kąt 90 względem strumienia m jak na rysunku 2. Założenie takie jest prawdziwe tylko przy prędkościach kątowych bliskich znamionowym [1]. Zgodnie z zasadą modulacji napięciowej, wektor U s powinien być odtwarzany za pomocą wektorów napięć najbliżej położonych zadanemu. W zakresie dużych prędkości kątowych komparator momentu pracuje na drugim progu (d M =1/2), powodując wybieranie z tablicy sterowania wektorów napięć przekształtnika jak na rysunku 4c, zapewniając tym samym regulację momentu oraz strumienia. Podczas pracy napędu z niskimi dodatnimi prędkościami kątowymi napędu (rys. 5), dla których komparator momentu pracuje na pierwszym progu przełączenia (d M =0/1), kąt zwiększa się powodując błędne działanie metody [2]. b) W standardowej metodzie DTC z tablicy sterowania w sektorze N=1 wybierane są wektory napięć tworzące trójkąt równoboczny zaznaczony na rysunku 5. Wektory te nie zapewniają pełnej kontroli nad składową prądu i sd, powodując tym samym odkształcenie strumienia i prądu przy małych prędkościach kątowych [2]. Poprawę właściwości standardowej metody DTC z przekształtnikiem trójpoziomowym, podobnie jak w układzie z przekształtnikiem dwupoziomowym, można zrealizować na dwa sposoby. Pierwszy sposób polega na zamianie wpisów w tablicy przełączeń powodując tym samym wzrost tętnień momentu [] lub też drugi sposób polegający na modyfikacji układu sterowania uwzględniającego odchylenie wektora napięcia U s o kąt [4], [1]. Schemat sterowania DTC- z Rys.6. Schemat układu sterowania DTC- przekształtnikiem trójpoziomowym został przedstawiony na rysunku 6. W układzie tym wyznaczany jest kąt na podstawie zależności (). () arc tg U U ( R sisd o L s sq ) sd i sq E R sisq o Lsisd c) Rys.5. Analiza metody DTC w wirującym układzie współrzędnych dq: wykres wektorowy silnika dla przebiegów sinusoidalnych (zadanych) przy niskiej prędkości kątowej ( oraz graficzna ilustracja powstawania kierunków poruszania się wektorów prądu K xxx (c) i ich wpływu na wektor prądu (b) Kąt używany jest w operacji wyznaczania nowych granic sektorów oraz w operacji obrotu wektora uchybu. Zasada wyznaczenia nowych granic podziału na sektory N polegająca na obrocie o kąt - pierwotnego podziału przedstawiona została na rysunku 7. W rezultacie, dzięki operacji obrotu (dla przypadku pracy napędu z rysunku 5), możliwy jest wybór z tablicy przełączeń właściwej grupy wektorów, (sektor N =6). Umożliwia to prawidłowe kształtowanie wektora napięcia U s (rys. 7) oraz związaną z tym regulację prądu w dowolnej chwili czasowej. Operacja obrotu granic sektorów jest równoznaczna z sumowaniem kąta do kąta m zgodnie ze schematem układu sterowania przedstawionego na rysunku 6. Aby proces regulacji zadanych wartości strumienia oraz momentu w układzie sterowania, w którym dokonano obrotu granic podziału sektorów o kąt - przebiegał prawidłowo, należy dodatkowo zmodyfikować tory regulacji strumienia oraz momentu. W mikroprocesorowej realizacji metody sterowania DTC (rys. ) wielkości składowych wektora uchybu ε, kierowane są na komparatory bezhisterezowe. Każdy z komparatorów wyznacza określone granice podziału pola uchybu ε =f(ε ) zgodnie z rysunkiem 8. Komparator strumienia dzieli płaszczyznę uchybu na dwie strefy, natomiast komparator momentu dokonuje podziału na pięć stref. Zgodnie z tabelą 2 w zależności od numeru sektora N, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 00-2097, R. 86 NR 2/2010 265

każdej ze stref przypisany jest ściśle określony wektor napięcia. Załączenie danego wektora napięcia powoduje regulację strumienia oraz momentu, a tym samym zmianę składowych wektora uchybu. Na rysunku 9a został pokazany wektor uchybu ε, leżący w strefie działania wektora K 100 oraz zmiana jego położenia do ε, po czasie Tp. W analizowanym przypadku pracy (rys. 7) przy d M =1 oraz d =1 wektor wybrany wektor napięcia K 100 zgodnie z tablicą sterowania powinien zmniejszać zarówno uchyb strumienia jak i momentu. W układzie, w którym nie dokonano modyfikacji torów regulacji strumienia i momentu, załączenie wspomnianego wektora powoduje co prawda zmniejszenie uchybu strumienia oraz nie zamierzone zwiększenie uchybu momentu. Niedogodność tą można wyeliminować poprzez obrót granic podziału o kąt (rys. 9b) powodując tym samym wybór właściwego wektora napięcia dzięki czemu wartości składowych wektora uchybu będą maleć zgodnie z założeniem. b) b) c) Rys.7. Zasada obrotu granic sektorów oraz kształtowanie zadanego wektora napięcia U s z właściwej grupy wektorów (, wykres wektorowy silnika dla przebiegów sinusoidalnych (zadanych) przy niskiej prędkości kątowej (b) oraz graficzna ilustracja kierunków poruszania się wektora prądu (c) Rys.9. Graficzna ilustracja kierunków poruszania się wektora uchybu ε i w układzie z podziałem na strefy przed ( oraz po operacji obrotu (b) o kąt granic podziału Opisane rozwiązanie, jednoczesnego obrotu granic podziału na sektory wraz z obrotem granic podziału płaszczyzny uchybu, zapewnia kształtowanie wielkości strumienia oraz momentu z właściwych wektorów napięcia niezależnie od prędkości kątowej. W praktyce operacja obrotu granic podziału płaszczyzny uchybu o kąt jest trudna w realizacji. W rzeczywistym układzie sterowania została ona zastąpiona operacją obrotu wektora uchybu w przeciwną stronę o kąt (5) dając w rezultacie ten sam efekt końcowy. Operacja obrotu wektora uchybu wymaga przeskalowania uchybów ε, i ε, do jednej np. prądowej skali, ponieważ związana z tym zmiana długości składowych wymaga zachowania odpowiednich proporcji co jest możliwe tylko w tej samej skali [14]. (5) ε ' i ε M i M e j Rys.8. Komparatory strumienia oraz momentu wraz z wynikającym z ich zasady działania podziałem pola uchybu 266 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 00-2097, R. 86 NR 2/2010

W przekształtnikach wielopoziomowych (w tym trójpoziomowym) pewnym problem jest utrzymanie równomiernego podziału napięć na kondensatorach w obwodzie pośredniczącym. Efekt nierównomiernego podziału napięć w obwodzie pośredniczącym nie był analizowany, a przekształtnik zasilany był z prostownika 6- pulsowego z przewodem neutralnym podłączonym do punktu wspólnego kondensatorów. Badania laboratoryjne W części sterującej zastosowano procesor sygnałowy ADSP-21262 firmy Analog Devices wraz z dodatkowymi kartami rozszerzającymi. Układ napędowy charakteryzował się parametrami: napięcie w obwodzie pośredniczącym prądu stałego falownika U DC = 600 V, parametry silnika: P N = 2,2 kw, I N = 4,8 A, U N = 400 V, N = 148 rad/s. Na rysunku 10 zaznaczony został kat oraz związane z nim przesunięcie granic sektorów N i N podczas pracy z niską prędkością kątową napędu. W stanie ustalonym, zarówno przy niskiej (rys. 11) jak i przy wysokiej (rys. 12) prędkości kątowej napędu, trajektorie strumienia i prądu są bliskie kołowym, co oznacza, że przebiegi chwilowych strumieni i prądów są sinusoidalne. Podobnie jak w maszynie prądu stałego, aby możliwe było osiągnięcie dobrej dynamiki momentu na wale, niezbędne jest wprowadzenie silnika indukcyjnego w stan wzbudzenia. Jako stan wzbudzenia rozumiany jest stan, w którym moduł strumienia m osiąga wartość znamionową przy zadanej zerowej prędkości silnika. Na rysunku 1 przedstawiono oscylogramy podczas rozruchu układu napędowego z wstępnym wprowadzeniem maszyny w stan wzbudzenia. W przedziale czasu t 1 zadana jest znamionowa wartość strumienia przy zerowym momencie zadanym (wzbudzenie) oraz skokowa zmiana momentu zadanego na początku przedziału czasu t 2. Podczas próby wzbudzenia maszyny w przedziale czasu t 1 następuje zmiana stanów komparatorów strumienia oraz momentu powodując narastanie wartości strumienia z jednoczesnym utrzymywaniem zerowej średniej wartości momentu. Na początku przedziału czasu t 2 następuje skokowa zmiana momentu zadanego do wartości znamionowej. b) Rys.11. Przebiegi czasowe ( momentu elektromagnetycznego M (Ch1-2Nm/dz), strumienia głównego mu (Ch - 0.5Wb/dz) oraz prądu stojana i su (Ch4 -.A/dz). Trajektorie (b) strumienia głównego m oraz prądu stojana i s w stacjonarnym układzie współrzędnych przy prędkości kątowej m =0.07 N b) Rys.10. Przebiegi czasowe wartości zadanych i rzeczywistych strumieni oraz momentów podczas pracy przy dodatniej m =0,05 N (skale: - 0,2 Wb/dz, M - 1Nm/dz) Rys.12. Przebiegi czasowe ( momentu elektromagnetycznego M (Ch1-2Nm/dz), strumienia głównego mu (Ch - 0.5Wb/dz) oraz prądu stojana i su (Ch4 -.A/dz). Trajektorie (b) strumienia główne-go m oraz prądu stojana i s w stacjonarnym układzie współ-rzędnych przy prędkości kątowej m =0.85 N Duży uchyb momentu powoduje zmianę stanu komparatora momentu na d M =2, co powoduje załączenie wektora dużego napięcia. Wartość momentu elektromagnetycznego szybko osiąga wartość zadaną i dalej regulacja strumienia oraz momentu odbywa się przy d M =0/1. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 00-2097, R. 86 NR 2/2010 267

kształtowania momentu. Opisana metoda sterowania nie wykorzystuje pełnych możliwości przekształtnika trójpoziomowego (nie używane wektory średnie napięci ze względu na zmienny wpływ na składową prądu i sd na początku oraz na końcu każdego z sektorów. Pełne wykorzystanie możliwości przekształtnika możliwe jest z zastosowaniem podziału na dwanaście sektorów [12], lub też stosując nową tablicą sterowania wraz z regulatorem nieliniowym z podziałem na strefy. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę W/WE/5/2009. Rys.14. Skokowa zmiana momentu zadanego +/-10 Nm przy prędkości m = 0, (M - 4Nm/dz) Rys.1. Przebiegi czasowe prądu, strumienia i momentów podczas rozruchu w metodzie DTC-, (M - 4 Nm/dz, I s - 10 A/dz, m - 0,4 Wb/dz) Rysunek 14 prezentuje dynamikę kształtowania momentu, jaką można uzyskać wykorzystując proponowany algorytm sterowania. Odpowiedź układu na skokowo zmienny moment zadany charakteryzuje się maksymalną z możliwych do uzyskania szybkości odtwarzania zadanej wartości. Przejście do wartości zadanej odbywa się jednym przełączeniem od jednego stanu ustalonego (gdzie moment regulowany jest zmianą d M =0/1) przez użycie wektora napięcia o maksymalnej pochodnej (d M =-2) do drugiego stanu ustalonego (d M =0/1). Należy zwrócić uwagę na fakt, że regulacja momentu w stanie ustalonym odbywa się zawsze przy zmianach d M =0/1 dla niskich prędkości (rys.14) oraz d M =1/2 dla wysokich prędkości. W stanach dynamicznych, szybkość zmian momentu ograniczona jest jedynie parametrami uzwojenia stojana silnika. Wnioski Zaproponowana metoda sterowania DTC- w której zastosowano standardową tablicę przełączeń z podziałem na sześć sektorów, pozwala wyeliminować heksagonalną trajektorię strumienia i odkształconą trajektorię prądu przy niskich prędkościach napędu. Stany przejściowe podczas rozruchu i nawrotów charakteryzują się wysoką dynamiką LITERATURA [ 1 ] Takahas hi I., Noguc h i T.: A new quick response and high efficiency control strategy of an induction motor, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-22, n.5, (1986), 820-827 [ 2 ] S ikors ki A.: Analiza regulacji momentu i strumienia w metodzie DTC, Konferencja Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 2001, Łódź (2001), 54-548 [] Sikorski A., Korzeniewski M., Możliwości regulacji momentu i strumienia w metodzie DTC, Konferencja Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 2001, Łódź (2001), 549-554 [ 4 ] K o rzeniewski M., Analiza rozruchu układu napędowego sterowanego metodą DTC i DTC-, Konferencja Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 200, Łódź, (200), 255-260 [5] Korzeniewski M., Układ napędowy z trójpoziomowym falownikiem napięcia sterowany metodą DTC, Konferencja Modelowanie i Symulacja 2004 Kościelisko, (2004), 227-284 [6] Lee K-B., Song J-H, Choy I., Yoo J-Y., Improvement of Low-Speed Operation Performance of DTC for Three-Level Inverter-Fed Induction Motors, IEEE Transactions on Industrial Electronics, n.48 n.5, (2001), 1006-1014 [7] Mei C. G., Panda S. K., Xu J. X., Lim K.W., Direct torque control of induction motor-variable switching sectors, Proc. PEDS 99, (1999), 80 85 [8] Nabae A., Takahashi I., Akagi H., A New Neural- Point Clamped PWM Inverter, IEEE Trans. on Ind. Appli., n.5, (1981), 518-52 [9] Korzeniewski M., Trójpoziomowy falownik DC/AC sterowany metodą DTC realizacja praktyczna, Konferencja Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 2005, Łódź, (2005), 279-284 [10] S ikors ki A. Korzeniews ki M., Porównanie właściwości trójpoziomowego przekształtnika DC/AC sterowanego metodami DTC-ST i DTC-SVM, Przegląd Elektrotechniczny nr.6, (2008), 117-120 [11] Ż elechowski M., Kazmierkowski M.P., Blaabjerg F., Controller design for direct torque controlled space vector modulated (DTC-SVM) induction motor drives, IEEE ISIE (2005), Dubrovnik, Croatia, 951-956 [12] S ikors ki A. K o rz e niews ki M., Trójpoziomowy przekształtnik napięcia sterowany nową metodą bezpośredniej regulacji strumienia i momentu silnika indukcyjnego, Przegląd Elektrotechniczny nr.6, (2009), 46-49 [1] Sikorski A., Korzeniewski M., Ruszczyk A., Kaźmierkowski M.P., Antoniewicz P., Koł omyjski W., Jasiński M.: A comparison of properties of direct torque and flux control methods (DTC-SVM, DTC-δ, DTC- 2x2, DTFC-A) Computer as a tool: International Conference: EUROCON 2007, Warsaw, September 9-12, (2007) [14] S ikors ki A.: Bezpośrednia regulacja momentu i strumienia silnika indukcyjnego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok, (2009) Autorzy: dr hab. inż. Andrzej Sikorski, prof. nzw., Politechnika Białostocka, Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych, ul. Wiejska 45D, 15-51 Białystok, E-mail: sikorski@pb.edu.pl; dr inż. Marek Korzeniewski, Politechnika Białostocka, Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych, ul. Wiejska 45D, 15-51 Białystok, E-mail: marekko@pb.edu.pl; 268 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 00-2097, R. 86 NR 2/2010