Ipari automatizálási rendszerekben alkalmazott hibatűrő villamos gépek összehasonlító vizsgálata Comparative study of fault-tolerant electrical machines used in automated industrial systems Studiu comparativ al maşinilor electrice tolerante la defecte utilizate în automatizări industriale RUBA Mircea 1, dr. SZABÓ Loránd 1, dr. BIRÓ Károly Ágoston 1, dr. KOVÁCS Ernő 2 1
Kolozsvári Műszaki Egyetem, Villamosmérnöki Kar, Villamosgépek Tanszék RO-400750 Cluj, P.O. Box 358, Románia tel.: +40-264-401-827, fax.: +40-264-593-117 e-mail:
[email protected] 2
Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai és Elektronikai Tanszék HU-3515 Miskolc-Egyetemváros tel.: +36-(46)-565-111 mellék: 12-16, 12-18, fax : +36-(46)-563-447 e-mail:
[email protected]
ABSTRACT Nowadays the tendency in industrial automated systems is to implement equipments that can offer a continuous operation even in the event of fault occurrence. A system represents interconnection between feed bus bars, intelligent electronic devices and electromechanical assembles. The fault tolerance can be implemented in all the system’s levels. The result will be a safe and continuous operating system. Electrical machines involved in safe automated equipments are the subject of the present study. Switched reluctance machine (SRM), and a permanent magnet synchronous machine with two attached inverter topologies will be presented regarding their fault tolerance. The conclusions will present the optimal fault tolerant machines.
REZUMAT Tendinţa actuală în domeniul automatizărilor industriale este de a oferi echipamente care au continuitate în funcţionare chiar după eventualele apariţii ale unor defecte. Sistemele sunt formate din sisteme de alimentare, de comandă şi de control inteligente, respectiv din ansamble electromecanice. Toleranţa faţă de defecte poate fi implementată fiecărui nivel al sistemului, rezultând în final un sistem ce oferă siguranţă şi continuitate în funcţionare. Maşinile electrice implicate în sistemele de automatizare devin subiectul prezentei lucrări. Diferite structuri de maşini cu reluctanţă comutată, respectiv o maşină sincronă cu magneţi permanenţi cu două stricturi de invertor vor fi prezentate. Concluziile vor contura alegerea optimă a maşinii electrice tolerante la defecte.
ÖSSZEFOGLALÓ Napjainkban az ipar olyan automatizálási berendezések igényel, amelyek meghibásodásuk estén is tovább tudnak működni, nem veszélyeztetve leállással a termelést. Az ipari rendszerek felépítése magába foglalja magát az elektromechanikai átalakítót, valamint táplálását és vezérlését is. Hibatűrő képességet a rendszer valamennyi alkotóelmének szintjén biztosíthatunk. A cikk az ipari automatizálási rendszerekben alkalmazott hibatűrő villamos gépek összehasonlító vizsgálatával foglalkozik, különös
hangsúlyt fektetve a kapcsolt reluktancia- és az állandómágneses szinkron motorokra. Továbbá hasznos tanácsokkal szolgál a különböző alkalmazásokhoz illő hibatűrő villamos gép kiválasztásához. Kulcsszavak: hibatűrés, kapcsolt reluktancia motor, állandómágneses szinkron motor, hibatűrő hajtásrendszer, csatolt szimuláció.
1. BEVEZETÉS A hibatűrés fogalma nem új, a nyolcvanas évek végén jelent meg, először a számítógépek működése megbízhatóságával kapcsolatban [1]. Később mind több és több mérnöki szakterületen elterjedt a biztonságos működés iránti igény növekedésével párhuzamosan. A hibatűrő rendszerek kiépítése egyáltalán nem könnyű fejlesztési feladat. A rendszernek fel kell ismernie a z előforduló hibákat és a vezérlési rendszerének be kell avatkoznia oly módon, hogy a hiba káros hatása minél kisebb mértékben befolyásolja a rendszer működését. Legegyszerűbb esetben át kel kapcsolnia egy tartalék alegységre, természetesen amennyiben ilyen rendelkezésre áll. Azonban nagyon költséges megoldás a rendszer gyakorlatilag megduplázása. Ezért olyan alegységeket próbálnak kifejleszteni, amelyek a legtipikusabb hibák előfordulása esetén, ha még alacsonyabb paraméterekkel is, de működésben tudjak tartani a rendszert addig, míg lehetőség nyílik a hibás berendezés kicserélésére [2]. Napjainkban a hibatűrő villamos hajtásrendszerek iránt is komoly az érdeklődés, ezért egyre több kutatási központban foglakoznak az ez irányú fejlesztésekkel [3], [4]. A hibatűrő villamos gépek szerves részei a fejlett, biztonságos működésű villamos hajtásrendszereknek. Valamennyi villamos gép alkalmas arra, hogy hibatűrővé alakítsák át, azonban a gazdasági szempontokat is figyelembe véve gyakorlatilag két típusú gép létezik, amelyek hibatűrő változataival komolyabban érdemes foglakozni: a kapcsolt reluktancia motor (SRM – Switched Reluctance Motor) "eredeti" változatában is egyszerű felépítésű és robosztus, és ebből eredendően kitűnő és gazdaságos alternatívát kínál a hibatűrő villamos gépek területén [5] Az állandómágneses szinkrongépek (PMSM – Permanent Magnet Synchronous Machine) a mágnesek miatt drágábbak, de ugyanakkor ezek állandó (szinte meghibásodhatatlan) gerjesztést biztosítanak [6]. A teljesítményelektronika, valamint a digitális jelfeldolgozás gyors fejlődése utat nyitott a hibatűrő villamos hajtásrendszerek vezérlésének tökéletesítése felé is. A hibatűrő gépek fázisainak különálló, független tápellátása, a diagnosztikai algoritmusok telepítése hátterének biztosítása mind komoly előrelépéseket jelentett a hajtásrendszerek biztonságos működése felé [7].
2. A TANULMÁNYOZOTT VILLAMOS GÉPEK Egy villamos gép hibatűrővé tétele kötelező módon feltételezi szerkezetének módosítását. A módosítások eszközölésekor nemcsak a hibatűrés megvalósítására, hanem a fejlesztett gép méreteire és veszteségeire is oda kell figyelni. Először az általunk javasolt hibatűrő kapcsolt reluktancia motort ismertetjük. Kiindulópontként egy klasszikus 12/8 pólusú motor szolgált (lásd az 1.a ábrát).
a)
b)
1. ábra. Az eredeti és a javasolt kapcsolt reluktancia motor szerkezete a mágneses erővonalakkal
A módosított változatnak (1.b ábra) 6 állórészi és 7 forgórészi póluspárja van. A javasolt hibatűrő kapcsolt reluktancia gép hatfázisú duplex tekercselésű, azaz minden fázisa meg van duplázva. A fázisok 180 fokkal vannak elhelyezve egymáshoz képest, annak érdekében, hogy egyenletes nyomatékkifejtést biztosítsanak motor üzemben. Amennyiben valamilyen meghibásodás fordul elő a tekercsek egyik ágában, ún. csatornájában (channel), a megmaradó másik ág képes részben biztosítani a motor további működését. Valamennyi tekercság külön táplálása biztosítja a kapcsolt reluktancia motor hibatűrő működését. Az eredeti és a javasolt kapcsolt reluktancia motort egy összehasonlító vizsgálatnak vetettük alá. A két villamos gépnek hasonló külső méretű állórésze van. Forgórészük, illetve tekercselési vázlatuk azonban különböző. A nagyobb forgórészi póluspár-szám szintén hozzájárul a hibatűrés növekedéséhez, illetve hibás üzemben a nyomatékképzés szinten tartásához. A tanulmányozott állandómágneses szinkrongép a klasszikus háromfázisú gép kilenc fázisos változata, amit a fázisok triplázása útján nyertünk. Táplálását a hagyományos H-híd kilenc fázisú változatával biztosíthatjuk (lásd a 2.a. ábrát).
a)
b) 2. ábra. A javasolt motorvezérlés és az állandómágneses szinkrongép tekercseinek kapcsolása A magas hibatűrés érdekében az állandómágneses szinkrongép kilenc fázisát egy speciális kapcsolás szerint kötöttük össze (2.b ábra) [8]. Mint az ábrán is látható, a tekercselés 3 × 3 = 9 részre van osztva. A három tekercses csoportok csillagba vannak kötve. Mindegyik hármas tekercscsoportot egy-egy közös H-híd táplál. Természetesen e sajátságos tekercselés egy speciális áramirányítót igényel, amelyikbe fázisonként egy-egy plusz inverter lábat is beépítenek. Amennyiben valamelyik tekercselési ág meghibásodik, ezt a többitől könnyen el lehet szigetelni egyszerűen a hozzá tartozó két teljesítmény tranzisztor állandó nyitva tartásával. Ekkor a pótlólagosan beépített inverter láb vezeti el az áramot.
3. A CSATOLT SZIMULÁCIÓS PROGRAM A javasolt hibatűrő villamos hajtásrendszereket a koszimuláció segítségével tanulmányoztuk. A kapcsolt szimuláció lényege, hogy a hajtásrendszer elemeit különböző szimulációs platformban modellezzük, majd a szimuláció során ezeket összekapcsoljuk. Esetünkben a villamos gépek modelljét a végeselemek módszerét (FEM – Finite Element Method) alkalmazó Flux 2D mágneses térszámító programcsomag segítségével dolgoztuk ki. A villamosgép modelljét egy SIMULINK programba építettük bele a "Coupling Flux2D" S-függvény típusú tömb segítségével.
3. ábra. A kapcsolt szimulációs program blokksémája A SIMULINK platform biztosítja a szimuláció koordinálását. Valamennyi időlépésnél meghatározza a villamos gépet tápláló áramirányító teljesítmény tranzisztorainak állapotát. Ezeket az információkat a program továbbítja a Flux 2D mezőszámító programnak. Ezen adatok (gyakorlatilag a táplálási mód) birtokában a program elvégzi a mezőszámítást és visszaküldi a SIMULINK környezetbe a kapott eredményeket. Ezek függvényében a program kiszámítja a következő időpillanathoz tartozó helyzetét a forgórésznek, illetve tárolja és megjeleníti a kapott eredményeket. A csatolt program kitűnő lehetőségeket nyújt a hibatűrő villamos hajtás elemzéséhez, mivel igen könnyen szimulálhatók a különböző tekercselési hibák.
4. A SZIMULÁCIÓK EREDMÉNYEI Az előbbiekben ismertetett programhoz hasonlóan tanulmányoztuk mindkét hibatűrő villamos gépünket. A kapcsolt reluktancia motor esetében a következő működési feltételeket szimuláltuk: 1. normál, hibamentes üzem (referenciaként), 2. egy megszakadt csatorna, 3. egy megszakadt fázis, 4. két különböző fázishoz tartozó csatorna magszakadása, 5. egy megszakadt fázis, illetve egy másik fázis egy megszakadt csatornával. A hibatűrő állandómágneses szinkrongépet szintén öt különböző feltétel mellett tanulmányoztuk: 1. normál, hibamentes üzem 2. egy magszakadt fázis, 3. két, különböző tekercselési csoporthoz tartozó hibás fázis,
4. három, különböző tekercselési csoporthoz tartozó hibás fázis, 5. két hibás fázis egyazon csoportból és két másik egy-egy különböző csoportból. A szimulációval kapott eredmények a 4. ábrán láthatók. Valamennyi esetben ábrázoltuk a hibatűrő gépek nyomatékának időbeni változását, illetve a kapcsolt reluktancia motor esetében a fázisáramokét is. A hibatűrő állandómágneses szinkrongép 60
0 -50
0
1
2
3
4 t [s]
5
6
7
8 -3
x 10
50
Torque [Nm]
Torque [Nm]
Current [A]
A hibatűrő kapcsolt reluktancia motor 50
40
20
0
0 -20
-50
0
1
2
3
4 t [s]
5
6
7
8
0
0.005
0.03
80
0 60
-50
0
1
2
3
4 t [s]
5
6
7
8 -3
x 10
50 0 -50
0
1
2
3
4 t [s]
5
6
7
Torque [Nm]
Current [A] Torque [Nm]
40 20 0 -20
8
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
0.016
0.018
0.02
Time [s]
-3
x 10
g) egy magszakadt fázis
50
60
0
1
2
3
4 t [s]
5
6
7
8 -3
x 10
50
Torque [Nm]
0 -50
40
20
0
0 -20
-50
0
1
2
3
4 t [s]
5
6
7
0
0.002
0.004
0.006
0.008
8
0.01
0.012
0.014
Time [s]
-3
x 10
h) két, különböző tekercselési csoporthoz tartozó hibás fázis
50 60
0 -50
0
1
2
3
4 t [s]
5
6
7
8 -3
x 10
50 0 -50
0
1
2
3
4 t [s]
5
6
7
Torque [Nm]
Current [A] Torque [Nm] Current [A]
0.025
f) normál, hibamentes üzem
c) két különböző fázishoz tartozó csatorna magszakadása
Torque [Nm]
0.02
50
b) egy megszakadt csatorna
40
20
0
-20
8
0
0.005
0.01
0.015
-3
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
Time [s]
x 10
d) két különböző fázishoz tartozó csatorna magszakadása
i) három, különböző tekercselési csoporthoz tartozó hibás fázis
50 60
0 -50
0
1
2
3
4 t [s]
5
6
7
8 -3
x 10
50 0 -50
0
1
2
3
4 t [s]
5
6
7
8 -3
x 10
e) egy megszakadt fázis, illetve egy másik fázis egy megszakadt csatornával
Torque [Nm]
Current [A]
0.015
Time [s]
a) normál, hibamentes üzem
Torque [Nm]
0.01
-3
x 10
40
20
0
-20
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
Time [s]
j) két hibás fázis egyazon csoportból és két másik egy-egy különböző csoportból.
4. ábra A szimulációk eredményei Az eredményeket tanulmányozva megállapíthatjuk, hogy mindkét gép esetében a tekercselési hibákat viszonylag jól tűrik a gépek, azaz viszonylag magas százalékarányban megmarad a nyomatékképző képességük a hibák előfordulásának a dacára.
5. KÖVETKEZTETÉSEK Egy korábbi tanulmányunkban bemutattuk, hogy a kapcsolt reluktancia gépek közül a 12/14 pólusszámú felel meg leginkább a hibatűrések feltételeinek, ezért összehasonlító vizsgalatunkat ezzel a géppel végeztük [9]. A hibatűrő állandómágneses szinkrongépek esetében a cikkben ismertetett változat szintén az egyik legsikerültebb, és egy ipari szerződés részét képezte. A vizsgált meghibásodások is nagyjából hasonló súlyosságúak a két összehasonlítandó gép esetében. Mindezekből megállapíthatjuk, hogy a két gép összehasonlítását a tűrésképesség szempontjából tisztességes körülmények között végeztük el. Normál (hibamentes üzemben) az állandómágneses szinkrongép nyomatékának hullámossága kisebb, mint a kapcsolt reluktancia motoré. Amennyiben a gépek tekercselése meghibásodik megfigyelhetjük, hogy az állandómágneses szinkrongép által kifejtett nyomaték valamivel magasabb. A legsúlyosabb meghibásodások esetében a hibatűrő szinkrongép képes kifejteni névleges nyomatékának 77 százalékát, míg a kapcsolt reluktancia motor közel 70 százalékát. Amennyiben a nyomaték hullámosságát vizsgáljuk, megállapíthatjuk, hogy ebből a szempontból a kapcsolt reluktancia motor előnyösebb, mivel a legsúlyosabb meghibásodás esetében is viszonylag kicsi marad a hullámossága. Mindezekből adódik, hogy az adott ipari alkalmazás határozza meg, milyen típusú hibatűrő gépet használjunk: ha a nyomaték hullámossága nem kritikus szempont, akkor az állandómágneses szinkrongépet, ellenkező esetben a kapcsolt reluktancia gépet. Végül megállapíthatjuk, hogy a javasolt koszimulációs módszer kitűnően alkalmas a különböző meghibásodású villamos gépek vizsgálatára. Továbbá az is bebizonyosodott, hogy mindkét javasolt villamos gép alkalmas hibatűrő villamos rendszerek meghajtására.
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ez a publikáció részben a "Magyar–román kormányközi TÉT együttműködés 2008-2009" részét képező "Ipari automatizálási rendszerekben alkalmazott forgó és lineáris elektromechanikus aktuátorok fejlett irányítási, állapot-felügyeleti és diagnosztikai módszereinek kutatása" című (szerződésszám 27/09.06.2008) kutatási projekt keretében elvégzett kutatómunka eredményei alapján készült. A szerzők ez úton mondanak köszönetet a kutatási munka finanszírozásáért.
IRODALOM [1] Blanke, M., "Diagnosis and Fault-Tolerant Control," Springer Verlag, 2006. [2] Husain, I., Radun, A., Nairus, J., “Fault Analysis and Excitation Requirements for Switched Reluctance Generators”, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 17, no. 1 (March 2002), pp. 67-72. [3] Ertugrul, N., "LabVIEW for Electric Circuits, Machines, Drives, and Laboratories," Prentice Hall PTR, 2002. [4] Szabó L., Bíró K.Á., Fodor D., Ruba M.: "Hibatűrő villamos hajtásrendszerek," SzámOkt – ENELKO' 2007, az Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság Számítástechnikai, Energetikai és Elektrotechnikai Konferenciája, Nagyvárad, 2007, pp. 157-160. [5] Ruba, M., Szabó L., Fodorean, D. "On the Fault Tolerant Switched Reluctance Machines," Proceedings of the International Scientific Conference MicroCAD '2008, Miskolc, Section J (Electrotehnics and Electronics), 2008, pp. 73-78. [6] Wallmark, O., Harnefors, L., Clarson, O., "Control Algorithms for a Fault tolerant PMSM Drive," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, no. 4 (August 2007), pp. 1973-1980. [7] Heimerdinger, W., Weinstock, C., "A Conceptual Framework for System Fault Tolerance," Technical Report CMU/SEI-92-TR-033, Carnegie Mellon University, Software Engineering Institute, Pittsburgh (USA), 1992. [8] Szabó L., Ruba, M., Fodorean, D., "Study on a Simplified Converter Topology for Fault Tolerant Motor Drives," Proceedings of the 11th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM '2008), Brassó, 2008, pp. 197-202. [9] Ruba M., Szabó L., Strete, Larisa, Viorel, I.-A., "Study on Fault Tolerant Switched Reluctance Machines," Proceedings of the 2008 International Conference on Electrical Machines (ICEM '2008), Vilamoura (Portugália), CD-n 1200.pdf.
