Mechanikai érzékelő nélküli kalickás indukciós motor kettős mező-orientációs szabályozásának implementációja SZABÓ Csaba, IMECS Mária, SZŐKE sz. BENK Enikő, INCZE János Jób Kolozsvári Műszaki Egyetem
XV. Műszaki Tudományos Ülésszak 2014 november 21-22. - Kolozsvár
Összefoglalás
2
A dolgozat egy mechanikai érzékelő nélküli kalickás indukciós motor kettős mezőorientációs szabályozásának a gyakorlati implementációját mutatja be. A hajtómotor betáplálása nyílt hurkú feszültség típusú impulzus-szélességmodulációval (ISzM) vezérelt IGBT-s feszültség-forrás jellegű váltóirányítóról történik, A mechanikai érzékelő nélküli struktúrában a sebesség visszacsatolási jelet egy kaszkádkapcsolású nyomaték-szabályozó generálja, mellyel elkerülhető a rotorparaméter-függőség. Ugyancsak ezt a célt szolgálja a direkt mezőorientáció, mely az alkalmazott fluxus-identifikációs eljárásnak köszönhető. Ez az állórész feszültség-egyenletének az integrálásán alapul, és mellőzi a csúszáskompenzálást az orientációs fluxus pozíciószögének az identifikációjában. A vezérlési ágban a rotorparaméter-függőséget a kettős mezőorientációval küszöböljük ki. A gyakorlati implementációt a dSPACE cég által kifejlesztett DS1104 típusú személyi számítógépbe illesztett vezérlőkártya segítségével hajtottuk végre.
Tartalom 1. Bevezető 2. A kettős mezőorientációs sebesség-érzékelő nélküli hajtás 3. Implementációs eredmények 4. Következtetések
3
1. Bevezető Az utóbbi években a
Mechanikai Érzékelők Nélküli (MÉN) rendszerek újra az érdeklődés központjába kerültek
Előnyök:
Kisebb méret Csökkentett zajérzékenység Szenzorok és szenzorkábelek kiküszöbölése Egyszerűbb hardver igény Barátságtalan környezetben való üzemeltetési
lehetőség
4
Bevezető - Mechanikai Érzékelők Nélküli technikák Az évek során a MÉN technikák
széles skáláját fejlesztették ki: nyílt hurkú becslők („Open Loop Estimator”), MRAS - referencia modell alapú adaptív rendszerek („Model Reference Adaptive System”), Luenberger megfigyelők („Observer”), Kálmán-szűrős („Kalman Filter”) eljárások, stb. A MÉN technikák legfőbb hátrányai: leszűkített sebességtartomány korlátozott ipari alkalmazhatóság rotorparaméter függőség 5
Bevezető - Mechanikai Érzékelők Nélküli technikák Az általunk ajánlott megoldás során a sebesség-
visszacsatolás jelét egy, a sebesség-szabályozóval kaszkádban kapcsolt nyomatékszabályzóval generáljuk. Ennek köszönhetően a sebesség identifikáció procedúrája rotor paraméter függetlenné válik.
6
Bevezető - Rotormező-orientáció Rotormező-orientáció rotor fluxus szabályozással Előny: Direkt RFSz Ψr = ct esetén a mechanikai jelleggörbék
lineáritásának tulajdoníthatóan jó statikus stabilitást és túlterhelhetőségi képességet kölcsönöz a hajtásnak. Hátrány Az állórész feszültség számítása fokozottan rotor paraméter függő (rotor ellenállás, rotor időállandó, stb.)
7
Állórész-áram összetevők RFO koordinátarendszerben ir
Ψr
Elektromágneses nyomaték:
me = KM Ψr ir Reaktív-fluxusképző áram- komponens: isd r = imr = Ψr / Lm Aktív-nyomatékképző áram- komponens: isq r = - (1+σr) ir Az áramok és fluxusok fázor-diagramja ir Ψr esetén az állórész-áram rotor-fluxus orientált (RFO) összetevőivel 8
Bevezető - Sztátormező-orientáció Sztátormező-orientáció sztátor fluxus szabályozással Előny: Az állórész-mezőorientációnak (SFO) köszönhetően az állórész-
feszültség szabályozási mennyiségeit a lehető legegyszerűbb módon lehet számítani, a két fajta elektromotoros feszültség különválasztásával, mely rotor-ellenállás függetlenséget és robusztus viselkedést biztosít. Hátrány A mechanikai karakterisztika nem lineáris A dinamikus viselkedés alulmarad a RMO – RFSzhez képest
9
Állórész-áram összetevők SzFO koordinátarendszerben Az EMF szétcsatolt összetevői: Önindukciós EMF:
esd s = dΨs /dt
(d)
amit a Ψs fluxus amplitúdó-változása hoz létre (állandósult állapotban zéro) Forgási EMF:
esq s =
s
Ψs
(q)
amit az s = d s /dt szinkron sebességgel forgó állórész-mező indukál. Viszont: Fázor-diagram az állórész-feszültség származtatására az állórész-áram SzFO összetevőivel 10
isdλs ≠ ims = Ψs /Lm
Bevezető - Kettős mezőorientáció A feszültségben vezérelt, impulzus-szélességgel modulált
(ISzM) áramirányítóval működő struktúra a Rotor-Fluxus Szabályozás (RFSz), Rotor-Fluxus-Orientációs (RFO) és Sztátor-Fluxus-Orientációs (SFO) eljárások előnyeit egyesíti: A mechanikai és mágneses mennyiségek szétcsatolt
szabályozását rotormező orientációban végzi el, megtartva a rotor fluxus szabályozást A feszültség számítást sztátormező orientációban végzi el, kiküszübölve a rotor paraméter függőséget 11
2. A kettős mezőorientációs sebességérzékelő nélküli hajtás Kettős mezőorientációs eljárások - Visszatekintés
Kezdetek: a vezérlő feszültség jelet generáló áram szabályozók sztátormező orientált koordinátarendszerben működtek Későbbiekben, a dinamikus viselkedés feljavítása érdekében az áramszabályozók átkerültek rotormező orientált koordinátarendszerbe
12
2. A kettős mezőorientációs sebességérzékelő nélküli hajtás KMO MÉN rendszerek - Visszatekintés
A sebesség szabályozásához szükséges visszacsatolási sebességérték generálása: SMO-s aktív (nyomaték-képző) áram-összetevő kaszkádba kapcsolt szabályozója révén RMO-s aktív (nyomaték-képző) áramösszetevő kaszkádba kapcsolt szabályozója révén RMO-s kaszkádba kapcsolt nyomatékszabályozója révén (a dolgozatban 13 ajánlott megoldás)
2. A kettős mezőorientációs sebességérzékelő nélküli hajtás
14
3. Implementációs eredmények A vizsgált Kalickás indukciós motor
típusa: 1LA7-106 4AA10 SIEMENS Névleges adatok: PtN=2.2 kW, fN=50 Hz, UsN=230/400Veff , IsN=8,2/4,7Aeff , nN=1420 ford/perc. Számított értékek:
Névleges lektromágneses nyomaték: MeN=15 Nm Névleges villamos szögsebesség 297 rad/s Névleges rotor fluxus 0.9 Wb DANFOSS gyártmányú, módosított VLT5004
frekvenciaváltó a KIM táplálását biztosítja 15
3. Gyakorlati implementáció Mechanikai terhelés
9,7 kW-os SIEMENS állandómágnes-forgórészű szinkrongép
melyet egy SIEMENS gyártmányú SIMOVERT 4 negyedes
fekvenciaváltó táplál, nyomatékvezérlési módban A próbapad vezérlését
dSPACE DS1104 digitális jelprocesszoros vezérlőkártyán
alapuló rendszer biztosítja
16
Implemetációs eredmények Forgásirányváltás 100 rad/s szögsebességről –60 rad/s-ra Rotorfluxus referencia 0.9 Wb Terhelőnyomaték 2 Nm
Az előírt(Ref), a becsült (est) illetve a mért szögsebesség..
Az előírt(Ref) és az aktuális rotorfluxus amplitudója.
17 .
Implementációs eredmények
A sztátor áram rotor-mező-orientált (dλr-qλr) összetevői. 18
A sztátor áram sztátor-mezőorientált (dλs-qλs) összetevői.
Implementációs eredmények
A rotor-fluxus térfázor diagramja. 19
A sztátor-fluxus térfázor diagramja.
Implementációs eredmények
A Ψr rotor-fluxus sztátor-orientált kétfázisú d-q összetevőinek időbeli lefolyása 20
Az állórész három fázis-áramának (i_a,b,c) időbeli lefolyása
Implemetációs eredmények
Az állórész-feszültség időbeli lefolyása az „a” fázisban. 21
Az elektromágneses nyomaték időbeli változása.
4. Következtetések Az alkalmazott sebesség identifikációs eljárással a
visszacsatolási ágon kiküszöbölhető a rotorparaméterfüggő számítások nagy része. A kettős mezőorientáción alapuló szabályozási struktúra rotor-paraméter-függetlenséget biztosít a váltó-irányító vezérléséhez szükséges állórészfeszültség alapjeleinek a számításhoz. Az állórész-áram szabályozása rotormező-orientált összetevőkkel történő szabályozása megnöveli a hajtásrendszer dinamikáját és stabilitását nyomatékperturbációk esetén. 22
4. Következtetések A rendszer jobb viselkedést mutat amennyiben a
23
klasszikus PI jellegű szabályozót részben adaptív szabályozóval helyettesítjük. A szabályozási struktúra közvetett (indirekt) nyomatékszabályozást biztosít. Amennyiben a motor nyomatékát pontosabban szeretnénk szabályozni az aktív áramösszetevőt egy nyomaték-szabályozó segítségével állíthatjuk elő (direkt/közvetlen nyomatékszabályozás). Ez esetben megnő a szabályozási struktúra komplexitása és ennek következtében a számítási igény is, mely kritikus tényező lehet a próbapadi implementáció során.
Köszönöm a megtisztelő figyelmet!
24
