Unidrive - a vektorszabályozás alappillére A vektorszabályozás jelenleg a váltakozó áramú ipari hajtások széles körben elfogadott és alkalmazott megoldása, amely kiváló szabályozást nyújt a mai szabványokhoz mérten ma már megszokott mérsékelt vezérlési te ljesítményigény mellett. A vektorszabályozást, mint alapvetõ szabályozási metodikát alkalmazva viszonylag egyszerûen valósítható meg a nyílt- és zárt hurkú vektorszabályozás, az állandó mágneses szervohajtás és a szinuszos áramirányítás funkciója, mivel ezekben a mûködési egységek jelentõs része azonos.
A
kereskedelmi
forgalomban
kapható
hajtások
vezérlésétõl
megkövetelhetõ
a
költséghatékonyság. Ez különösen így van a Control Techniques által forgalmazott Unidrive esetében, ahol ugyanaz a hardver mûködik valamennyi fent említett mûködési módban. Egy nagy tömegben alkalmazott terméknél - és ilyen ez a hajtás is - az is fontos, hogy alkalmazása minél kevesebb beállítást és felhasználói szakismeretet igényeljen.
Aszinkron motor zárt hurkú vektorszabályozása Az alkalmazott szabályozási elvnek megfelelõen, a forgórészfluxus szabályozását a közvetett pozitív visszacsatolású szlipkalkulátor végzi. A forgórész pozíciójára vonatkozó információt egy mechanikus visszacsatoló eszköz szolgáltatja. Ez a viszonylag egyszerûen megvalósítható nagy stabilitású szabályozás az alkalmazások legnagyobb részében kiváló mûködési tulajdonságokat mutat fel, még azokon a helyeken is, ahol nincs mód az önbeállító teszt végrehajtására, és csak a motor adatlapján szereplõ értékek állnak rendelkezésre (a beállításhoz).
Motorparaméterek A felhasználó táplálja be a motor névleges feszültségét, névleges frekvenciáját és pólusszámát. Ezeket az alapadatokat felhasználva, a hajtás képes a többi paraméter meghatározásához szükséges önbeállító teszt végrehajtására. Az L s ' redukált tranziens
induktivitás
mérése
a
motor
álló
helyzetében
történik,
rövid
feszültségimpulzusok betáplálásával és az eredményként kapott áram mérésével. A motor ezután nyílt hurkú U/f üzemmódban felfut névleges frekvenciájának és feszültségének kétharmadára, az Ls teljes állórész-induktivitás megméréséhez (ezt terhelés nélkül kell elvégezni, hogy pontos eredményt kapjunk). A frekvencia állandó értéken tartása mellett csökken a feszültség, a telítõdési karakterisztika méréséhez. A teljes terhelésû szlipfrekvenciát a hajtás automatikusan kiszámítja.
2
Állandósult állapotokat és forgórészfluxust feltételezve, a névleges forgórészidõállandó kiszámítható. Tekintettel arra, hogy a forgórész-idõállandó változik a hõmérséklettel, alkalmazhatjuk a forgórész-idõállandó optimalizálót, amely a meddõ teljesítményen alapuló módszert használja fel. Ez az eljárás a tényleges meddõ teljesítményigényt összehasonlítja a motor helyettesítõ kapcsolásából számítottal, és az eredményként kapott eltérést használja fel a névleges szlip és ezen keresztül a forgórész-idõállandó beszabályozására.
Az aszinkron motor helyettesítõ kapcsolása Az alábbi ábrán a motor fázisonkénti helyettesítõ kapcsolását látjuk:
L 1 és L 2 az állórész és a forgórész redukált szórási tranziens induktivitása R 1 és R 2 az állórész ellenállása és a forgórész redukált ellenállása L m a mágnesezési induktivitás Ebbõl leszármaztathatók más induktivitás értékek: ###
Állórész-induktivitás L s = L 1 + L m
###
Forgórész-induktivitás
###
Lm 2 Lm L2 L minduktivitás + L2 Teljes redukált L r tranziens
= Ls −
Lr = L2 + Lm Ls '
= L1 +
A szabályozás blokkvázlata
Az
aszinkron
motor
forgórészfluxus
blokkvázlatát mutatja be a 2. ábra:
vektorszabályozásának
egyszerûsített
3
V dc
T*
+
Nyomatékszab.
isy*
|| v || *
vsy*
+
Derékszögrõl polárisra
−− Feszültségszab.
isx*
+
Θ Θm
+ + Θ Θs
Szlipszámítás
IGBT inverter
SVM
Θ Θv
vsx*
PI
−−
ψ ψr
m*
PI
Θ Θ ref
+ +
isy
iD
iv
iQ
iw
xy Fluxusmodell
1 1 + sTr
isx
DQ
Θ Θr
Tr
I.M.
Tr optimalizáló
E
A PI áramszabályozók # # # 3 dB-es erõsítésû átviteli sávja jellemzõen 500 Hz és 800 Hz között van, a paraméterektõl függõen. A kimeneti határértékrõl való gyors feléledés fenntartása érdekében az integráló tag beszabályozására van szükség, ha a kimeneti feszültség eléri a lehetséges maximális értéket. A maximális kimeneti feszültség a választott modulációs stratégiától és az egyenáramú kör feszültségétõl függ. A pozitív visszacsatolású szlipkalkulátor az alábbi képletet alkalmazza: A fluxus nagyságát az isx# # #-bõl számíthatjuk ki, felhasználva dQ névs l e g= e sω
slip .
isy
.
ψ
isyn é v l e g e s
ψ
a motorfluxus helyettesítõ képét és az elsõfokú idõállandót: ### = Tr
Fluxus- és feszültségszabályozás Ha elegendõ a rendelkezésre álló tápfeszültség, a forgórészfluxus megtartja állandó értékét
a
névleges
fordulatszám
eléréséig.
A
névleges
fordulatszám
felett
a
kapocsfeszültség az isx csökkentésével tartható állandó értéken. A fluxus nagyságát a PI-szabályozó pontos szinten tartja a hibajelbemenet értékének felhasználásával, amelyet a maximális megengedett motorfeszültségbõl és kapocsfeszültségbõl számít ki. A feszültségszabályozó kimenete úgy van korlátozva, hogy a maximális mágnesezõ áram a névleges mágnesezõ áram, a minimumérték pedig úgy, hogy a # # #v kielégítse a maximális nyomaték feltételét.
4
Az állandó mágneses szervomotor zárt hurkú vektorszabályozása Az állandó mágneses váltakozó áramú szervomotor szabályozása nem olyan bonyolult, mint az aszinkron indukciós motoré, mivel a forgórészfluxus iránya közvetlenül a mechanikai pozícióból származtatható. A motor szabályozása olyan módon történik, hogy az 'x' tengely a forgórészfluxushoz igazodik. Az inkrementális jeladóval a fluxusirány származtatása kezdetben az 'uvw' kommutációs jelekbõl történik az elsõ ciklus ideje alatt. Abszolút helyzet jeladóval a fluxusirány kiszámítása az üzembe helyezési tesztelés alatt tárolt referenciairány felhasználásával történik. Minthogy a forgórészfluxust a mágnesek biztosítják, az isx# # # nullára van állítva. Mágneses mezõgyengítésre nincs lehetõség a konverter feszültségkorlátja feletti mûködtetéshez. Ha a hajtást forgó motorhoz alkalmazzuk a nyomatéktranziens csökkentésére és az esetleges túláramleoldások megelõzésére, az inverter kimeneti feszültsége a mért fordulatszámból és a motor nyomatékállandójából számított értékre áll be.
Szinuszos áramirányító Ugyanazt az erõsáramú kört és egy sor funkcionális egységet felhasználva, a vektorhajtás
alkalmazható
szinuszos
PWM
áramirányítóként.
A
hajtás
ekkor
lényegében fordított módon mûködik, mivel az AC vonali feszültség a bemeneti fojtókon keresztül az inverter kivezetéseire csatlakozik, és az egyenáramú kimenetet az egyenáramú körrõl nyerjük. A szabályozott kimeneti feszültség állandó, míg a vonaláramok szinuszosak, az egyhez közel álló teljesítménytényezõvel.
Feszültségérzékelés Az elõzõekben ismertetett vektorszabályozott motorhajtás a visszacsatoló-jeleket az inverter fázisáramaiból és DC-köri feszültségbõl állítja elõ, azonban az inverter kimeneti feszültségeirõl nincs visszacsatolás. Egy standard kivitelû, nagy sorozatban gyártott hajtás esetében meg kell találni a módját hogy a PWM ármirányító árambemenetét
a
vonalfeszültséghez
szinkronizáljuk,
alkalmazása nélkül. Azonnal belátható, hogy a zérus
további
(hardver)
elemek
vonali áramhoz az inverter
kimeneti feszültségének, fázisának és frekvenciájának úgy kell illeszkednie, mint egy hálózati tápláláshoz. Mindezek az értékek rendelkezésre állnak a térvektor modulátor bemenetén, és felhasználhatók a szinkronizáláshoz.
Szabályozási funkciók A Unidrive is a forgó vonatkoztatási rendszerû, zárt hurkú áramszabályozás módszerét alkalmazza. A vonatkoztatási rendszer 'x' tengelye a hajtás kivezetésein
5
megjelenõ feszültséget ábrázoló vektorhoz kapcsolódik. Ha a bemeneti fojtók két oldalán a feszültségek közötti fáziseltolódást figyelmen kívül hagyjuk, az 'x' tengely áramkomponensei a táplálásból vett valós áramok, az 'y' tengely áramai pedig a meddõáramok. A fázistolás elhanyagolása indokolt, mivel az a teljes áramterhelés mellett nem haladja meg az 5# # #-ot, összhangban az eltolási teljesítménytényezõ 0,997-es értékével. Ha az üzemelés 1 értékû teljesítménytényezõ mellett történik, a táplálás nem ad le meddõ áramot, és így az 'y' tengely iy # # # áramalapjele nullára van állítva. Az 'x' tengely árama, amely a tápfeszültséghez kapcsolódik, a táplálás és a hajtás egyenáramú köre közötti teljesítményáramlást szabályozza. A PI-szabályozó által generált ix # # # áramalapjel gondoskodik az egyenáramú kör feszültségének a beállított szinten tartásáról. Az egyenáramú körön megjelenõ bármilyen terhelés feszültséghibajelet generál, és az ix # # # olyan értéket kap, hogy egyensúlyi állapotban az AC és a DC teljesítmény megegyezzen (a veszteségek elhanyagolása mellett).
PLL fázisreferencia A vonatkoztatási rendszer szögértékét a szoftveres fáziszárt hurok (PLL = Phase Locked Loop) állítja elõ. A PLL a kimeneti feszültség és az AC táplálás fázisban tartására törekszik, amely a kiválasztott vonatkoztatási rendszerben # # #v zérusérték mellett teljesülne. A PLL ezért a # # #v zérustól való eltéréseit használja fel a # # #ref szabályozására. A térvektor-modulátor feszültségét közvetett módon érzékelõ szoftveres PLL alkalmazásával a kimeneti fázis minden egyes mintavételi idõközben rendelkezésre
áll.
Ez
a
megoldás
szilárd
alapot
teremt
a
hálózathoz
való
szinkronizáláshoz, még a táplálás jelentõs torzításai és csipkézettsége estén is. Mielõtt
a
hajtás
elkezdené
az
AC
táplálás
fázisának
és
magnitúdójának
meghatározását, még egy sor impulzusteszt lefuttatására is sor kerül. Ez lehetõvé teszi, hogy a PLL és az áramszabályozók pontos kezdõértékeket kapjanak, ami a minimumra csökkenti a kezdeti tranzienseket.
Gyakorlati tesztelési eredmények Az AC hajtások hagyományos felhasználási területe a fordulatszám -szabályozás, ahol a
fordulatszám
és
nem
a
nyomaték
a
lényeges
szabályozási
elem.
A
nyomatéks zabályozási alkalmazásokhoz fõleg a DC hajtásokat és rendszereket használták. A Unidrive és az AC hajtások fejlett technológiái azonban ezen a területen is felülmúlják a DC hajtásokat. A Unidrive-hoz alkalmazott áramhurok mintavételi ideje 176 # # #s, ami 20-szor gyorsabb annál, mint ami egy hagyományos 50 Hz -es táplálású DC hajtással elérhetõ.
6
Egy 7,5 kW- os Unidrive (zárt hurkú vektorszabályozás) nyomatéktesztje: üzemmeleg motor, TR optimalizálóval
Ny o m a t é k
Fordulatszám (rpm)
Ez a rendszer a gyakorlatban valósítja meg azt a vektoros stratégiát, ami a frekvenciaváltók piacán ma a legnagyobb kihívást jelenti. A felhasznált algoritmusok praktikus felhasználói visszajelzésen alapuló folyamatos finomításával a Control Techniques már eljutott arra a szintre, hogy egy
kézikönyv összes lehetõségét
nyújtsa egy ipari hajtás használatakor. A Unidrive nemcsak az állandósult állapot viszonyai között mutatja fel kiváló tulajdonságait, hanem dinamikus feltételek mellett is rendkívüli teljesítményekre képes. A nyomatékfelfutás ideje fontos paraméter, amely meghatározza, hogy milyen mértékben képes a hajtás a vele összekapcsolt motort szabályozással "kézben tartani". Az alábbi ábra a motor áramának 1 ms-on belüli nyomatékfelfutási idejét mutatja be, ami azt bizonyítja, hogy a PWM modulációs technika az indukciós motorokból teljesítõképességük maximumát hozza ki. A korlátozó tényezõt most már nem a hajtási technológia, hanem maga a motor jelenti.
7 Egy 7,5 kW- os indukciós motor nyomatékfelfutási ideje
1- e s c s a t o r n a Nyomatékelõállító áramalapjel 2- e s c s a t o r n a Tényleges nyomatékelõállító áram 3- a s c s a t o r n a U fázis árama
