analiza sterowania wektorowego napędem indukcyjnym z

Nr 58
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 58
Studia i Materiały
Nr 25
2005
przekształtnik dwustronny AC/DC/AC, prostownik PWM,
silnik indukcyjny, sterowanie wektorowe,
hamowanie odzyskowe, analiza
Michał KNAPCZYK * , Krzysztof PIEŃKOWSKI *
F
F
F
ANALIZA STEROWANIA WEKTOROWEGO NAPĘDEM
INDUKCYJNYM Z PRZEKSZTAŁTNIKIEM DWUSTRONNYM
AC/DC/AC W STANACH PRACY SILNIKOWEJ
I HAMOWANIA ODZYSKOWEGO
Artykuł prezentuje analizę stanów pracy wektorowego układu sterowania napędem indukcyjnym
zasilanym z przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC. Zastosowany układ przekształtnikowy zapewnia wielostopniowe przetwarzanie energii elektrycznej z możliwością jej dwukierunkowego przepływu. W układzie przekształtnikowym AC/DC/AC występują następujące przekształtniki: przekształtnik sieciowy AC/DC- nazywany również prostownikiem PWM – i przekształtnik silnikowy
DC/AC – wykonany jako układ falownika napięcia (VSI). Przedstawiono schemat układu jednoczesnego sterowania przekształtnikiem sieciowym AC/DC i przekształtnikiem silnikowym DC/AC w
oparciu o metody: bezpośredniego sterowania mocą przekształtnika (VF-DPC) i bezpośredniego sterowania momentem i strumieniem silnika indukcyjnego (DTC). Przedstawiono wybrane wyniki badań symulacyjnych wymienionych metod sterowania przekształtnikiem AC/DC/AC w stanie pracy
silnikowej i hamowania odzyskowego ze zwrotem energii do sieci zasilającej.
1. WSTĘP
Silniki indukcyjne klatkowe ze względu na prostą konstrukcję, dużą niezawodność,
możliwość pracy w trudnych warunkach środowiskowych oraz niskie koszty produkcji i eksploatacji stanowią obecnie najczęściej stosowany napęd elektryczny wielu
maszyn roboczych. Do sterowania prędkością kątową tych silników są stosowane
różnego rodzaju przekształtniki energoelektroniczne. Jednym z wielu wymagań stawianym nowoczesnym układom przekształtnikowym z silnikami indukcyjnymi jest
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-370 Wrocław,
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected], [email protected].
zapewnienie możliwości hamowania elektrycznego. Powszechne dążenie producentów
do zwiększenia efektywności procesów technologicznych stymuluje ciągły rozwój
zaawansowanych metod i układów hamowania elektrycznego. Zastosowanie układów
hamowania elektrycznego silnika napędowego pozwala skrócić czas trwania procesów
elektromechanicznych. Powoduje to zwiększenie wydajności maszyny roboczej i
zmniejszenie kosztów produkcji [6].
Obecnie są intensywnie rozwijane układy hamowania odzyskowego, umożliwiające odzyskiwanie energii hamowania i jej zwrot do źródła zasilania. Opracowywane są
różne topologie układów hamowania odzyskowego z zastosowaniem specjalnej konstrukcji przekształtników energoelektronicznych, zapewniających możliwość dwukierunkowego przepływu energii elektrycznej oraz metody sterowania tymi przekształtnikami [1,2,3,4,7,8,9,10].
2. UKŁAD TOPOLOGICZNY I ZASADA DZIAŁANIA DWUSTRONNEGO
PRZEKSZTAŁTNIKA AC/DC/AC
Układy napędowe z silnikami indukcyjnymi klatkowymi, zasilanymi przez falowniki napięcia, stanowią obecnie największą grupę regulowanych napędów prądu
przemiennego stosowanych w przemyśle. Falownik napięcia stanowi integralną część
topologiczną przetwornicy częstotliwości i zapewnia możliwość sterowania przepływem energii elektrycznej i momentem elektromagnetycznym silnika.
Rys. 1. Typowy przekształtnik AC/DC/AC z prostownikiem diodowym i przekształtnikiem
tyrystorowym do zwrotu energii hamowania do sieci
Fig. 1. Typical AC/DC/AC converter with the diode rectifier and the thyristor converter
for returning energy of braking back to the mains
Podczas hamowania energia kinetyczna wirującego wału po zamianie w silniku na
energię elektryczną jest przekazywana do obwodu pośredniczącego przetwornicy czę-
stotliwości i gromadzona w kondensatorze dołączonym do tego obwodu. Gdy wartości
tej energii są duże, konieczne jest przekazanie jej do innych obwodów. W przeciwnym
wypadku może wystąpić nadmierny wzrost napięcia w obwodzie pośredniczącym,
niebezpieczny dla elementów układu energoelektronicznego i obwodów silnika. W
klasycznych przekształtnikach AC/DC/DC stosowany jest dodatkowy prostownik
tyrystorowy o komutacji sieciowej (rys. 1). Podczas hamowania prostownik ten znajduje się w stanie pracy falownikowej, umożliwiając zwrot energii do sieci [6,7].
Najbardziej korzystnym rozwiązaniem, z technicznych i ekonomicznych względów, jest zastosowanie przekształtnika sieciowego AC/DC o dwukierunkowym przepływie energii. Przekształtnik ten, nazywany prostownikiem PWM, jest urządzeniem
energoelektronicznym o komutacji wewnętrznej i sterowaniu impulsowym [3,7,9].
Rys. 2. Przekształtnik AC/DC/AC z prostownikiem PWM o dwukierunkowym przepływie energii
Fig. 2. The AC/DC/AC converter with the PWM reversible rectifier
Przekształtnik sieciowy AC/DC wraz z odpowiednim układem sterowania zapewnia pobór prądów z sieci zasilającej, zbliżonych kształtem do przebiegów sinusoidalnych, praktycznie bez poboru mocy biernej (współczynnik mocy cos(ϕ) bliski jedności). W światowej literaturze technicznej opisano różne metody sterowania
przekształtnikami sieciowymi AC/DC [3,4,8]. Ze względu na podobieństwo topologii
układu prostownika PWM i falownika napięcia jest celowe zastosowanie podobnych
metod sterowania do obu przekształtników w przetwornicy częstotliwości. Zasada
sterowania przekształtnika AC/DC może być oparta na zastosowaniu algorytmu wykorzystywanego w metodzie bezpośredniego sterowania momentem i strumieniem
silnika indukcyjnego, znanej jako metoda DTC (Direct Torque Control). Ze względu
na wybór innych zmiennych stanu do sterowania prostownikiem PWM metodę regulacji tym przekształtnikiem nazywa się bezpośrednim sterowaniem mocą VF-DPC
(Virtual Flux Based Direct Power Control).
3. UKŁAD STEROWANIA WEKTOROWEGO PRZEKSZTAŁTNIKA
DWUSTRONNEGO AC/DC/AC
Schemat blokowy układu sterowania przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC
przedstawiono na rys.3.
Rys. 3. Schemat układu sterowania przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC
z zastosowaniem metody VF-DPC i DTC
Fig. 3. Virtual Flux based Direct Power Control and Direct Torque Control
of AC/DC/AC double-sided converter
Do realizacji zadań regulacji zastosowano metodę DTC w układzie sterowania falownikiem napięcia. Układ regulacji prostownika PWM realizował metodę bezpośredniego sterowania mocą VF-DPC.
Analiza stanów pracy przekształtnika sieciowego AC/DC z zastosowaniem metody
bezpośredniego sterowania mocą wykazuje szereg korzystnych właściwości tej metody regulacji [3, 4]. W metodzie VF-DPC wektor wirtualnego strumienia sieci jest obliczany według następującego równania macierzowego:
∫
Ψ g = u p dt + Lg i g
(1)
gdzie up = [upα, upβ]T – macierz składowych wektora napięcia wejściowego przekształtnika, zależnych od stanów kluczy Sa, Sb, Sc i wartości napięcia Udc; ig = [igα, igβ]T
– macierz składowych wektora prądu sieci zasilającej [3]. Na podstawie znajomości
estymowanych wartości wektora wirtualnego strumienia sieci (1) i mierzonych prądów sieciowych ig estymowane są chwilowe wartości mocy czynnej i biernej, według
zależności (2), przy założeniu stałej wartości częstotliwości sieci ωg.
(
)
(Ψ α i α + Ψ β i β )
p = ω g Ψgα i gβ − Ψgβ i gα
q = ωg
g
g
g
(2)
g
Wartości sygnałów wyjściowych regulatorów histerezowych mocy czynnej p i mocy biernej q wraz z numerem sektora, w którym aktualnie znajduje się wektor wirtualnego strumienia sieci Ψg, określają położenie wektora napięcia przekształtnika up w
tablicy przełączeń (rys. 3).
Zasada bezpośredniego sterowania momentem i strumieniem silnika indukcyjnego
(DTC) opiera się na regulacji chwilowych wartości kąta δ między wektorami strumienia stojana Ψs i strumienia wirnika Ψr [6]. Zasadę tą opisuje następująca zależność:
Me =
Lm
Ψr Ψs sin δ
Lr Lσ
(3)
W celu polepszenia właściwości dynamicznych pętli regulacji napięcia stałego obwodu pośredniczącego Udc przekształtnika AC/DC/AC wprowadzono dodatkowy tor
sygnałowy mocy elektromagnetycznej silnika pe estymowanej według zależności (4).
pe = M e ⋅ ω m
(4)
Chwilowe wartości strumienia stojana i momentu elektromagnetycznego silnika
niezbędne do prawidłowego procesu sterowania według metody DTC mogą być pozyskiwane jedną z wielu metod estymacji, analizowanych i opisywanych szczegółowo w
literaturze [6]. W badaniach zastosowano symulator tych wartości.
4. WYBRANE WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH
Badania symulacyjne zostały przeprowadzone dla układu sterowania przekształtnikiem dwustronnym AC/DC/AC przedstawionego na rys. 3. Parametry silnika indukcyjnego, sieci zasilającej i obwodu pośredniczącego zastosowane w badaniach zamieszczono w tabeli 1.
Tabela. 1. Parametry modelu symulacyjnego
Table 1. Parameters of the simulation model
Parametry silnika indukcyjnego klatkowego:
PN = 10 kW
J = 0,067 kg⋅m2
U1fN = 220 V
Rs = 0,4937 Ω
I1fN = 20,5 A
Rr = 0,3756 Ω
ωN = 152 rad/s
Lsσ = Lrσ = 2,9mH
pb = 2
Lm = 51,9mH
Parametry sieci zasilającej i obwodu DC:
eg = 230 V
Lg = 30mH
fg = 50 Hz
Cd = 15mF
Rg = 0,1 Ω
Analizowano zachowanie układu symulacyjnego przy rozruchu, przy skokowym
obciążeniu silnika i przy zwrocie energii do sieci. Na rys. 4 przedstawiono przebieg
prędkości kątowej przy łagodnym rozruchu częstotliwościowym oraz zmianach wartości i kierunku momentu obciążenia silnika. Układ sterowania falownikiem napięcia
utrzymuje zadaną wartość prędkości kątowej ωref = 100 rad/s.
Rys. 4. Prędkość kątowa silnika przy rozruchu i skokowych zmianach obciążenia silnika
Fig. 4. Rotor angular velocity by start-up and under step changes of the motor load
Ze względu na częstotliwościowy charakter rozruchu silnika wartość średnia momentu elektromagnetycznego me została ograniczona do wartości równej ok. połowie
wartości momentu znamionowego silnika (rys. 5). Silnik został obciążony momentem
znamionowym Mobc = 65 Nm, a następnie zmieniono kierunek działania momentu
obciążenia, wprowadzając układ napędowy w stan hamowania odzyskowego.
Rys. 5. Moment elektromagnetyczny silnika przy rozruchu i skokowych zmianach obciążenia silnika
Fig. 5. Electromagnetic torque by start-up and under step changes of the motor load
Przebiegi napięcia fazowego stojana usA i prądu silnika isA przedstawia rys. 6. Prąd
isA charakteryzuje się kształtem zbliżonym do przebiegu sinusoidalnego, natomiast
napięcie fazowe stojana usA jest ciągiem impulsów o modulowanej szerokości.
Rys. 6. Napięcie fazowe i prąd stojana w stanie pracy silnikowej i hamowania odzyskowego
Fig. 6. Stator voltage and stator current under drive mode and regenerative braking
Przy zastosowaniu modulacji szerokości impulsów napięcia wyjściowego przekształtnika silnikowego DC/AC składowe prostokątne alfa i beta wektora strumienia
stojana charakteryzują się przebiegami zbliżonymi do sinusoidy. Z tego względu koniec wektora strumienia stojana porusza się z prędkością synchroniczną po trajektorii
zbliżonej do okręgu (rys. 7).
Rys. 7. Hodograf wektora strumienia stojana
Fig. 7. Stator flux vector hodograph
Rys. 8. a) Napięcie obwodu pośredniczącego przy rozruchu i skokowych zmianach obciążenia silnika;
b) Prąd obwodu pośredniczącego przy rozruchu i skokowej zmianie obciążenia silnika
Fig. 8. a) DC-link voltage by start-up and under step changes of the motor load;
b) DC-link current by start-up and under the step change of the motor load
Nadrzędny tor regulacji napięcia stałego z regulatorem PI utrzymuje wartość napięcia obwodu pośredniczącego przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC na zada-
nym poziomie Udc = 600 V (rys. 8a). Przebieg prądu stałego Idc w obwodzie pośredniczącym w różnych stanach pracy napędu przekształtnikowego przedstawia rys. 8b.
Rys. 9. a) Napięcie i prąd sieci przy przejściu układu do hamowania odzyskowego;
b) Współczynnik mocy cos(ϕ)przejściu układu do hamowania odzyskowego
Fig. 9. a) Line voltage and current by getting into regenerative braking mode;
b) Power factor cos(ϕ)by getting into regenerative braking mode
Rys. 10. Moc czynna sieci i moc na wale przy rozruchu i skokowych zmianach obciążenia silnika
Fig. 10. Line active power and shaft power by start-up and under step changes of the motor load
Na rys. 9a przedstawiono przebiegi napięcia sieci zasilającej i prądu pobieranego
przez przekształtnik AC/DC/AC. Prąd przewodowy sieci zasilającej igA charakteryzuje
się przebiegiem zbliżonym kształtem do sinusoidalnego i w stanie pracy silnikowej
jest w fazie z napięciem fazowym sieci egA (cos(ϕ) = 1). W stanie hamowania odzy-
skowego współczynnik mocy cos(ϕ) ma znak ujemny (rys. 9b), a nadmiar mocy mechanicznej, po konwersji w przekształtniku dwustronnym AC/DC/AC na moc elektryczną, zwracany jest do sieci. Dla zapewnienia jednostkowego współczynnika mocy
wymaga się utrzymania zerowej wartości mocy biernej q (rys. 10).
Rys. 11. Napięcie obwodu pośredniczącego przy rozruchu i skokowych zmianach obciążenia silnika(1) bez dodatkowego toru sygnału estymowanej mocy mechanicznej (łącznik A otwarty, rys.3.);
(2) z dodatkowym torem sygnału estymowanej mocy mechanicznej (łącznik A zamknięty, rys.3.); - dla
jednakowych wartości nastaw regulatora napięcia RU typu PI
Fig. 11. DC-link voltage by start-up and under step changes of the motor load (1) without the additional estimated shaft power feed-forward signal (switch A off, fig.3.);
(2) with the additional estimated shaft power feed-forward signal (switch A on, fig.3.);
for the same voltage controller RU (PI type) values of parameters
W układzie regulacji przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC wprowadzono dodatkowy tor sygnałowy estymowanej mocy elektromagnetycznej silnika indukcyjnego
(rys. 3). Zapewniło to możliwość polepszenia dynamiki działania toru regulacji napięcia stałego obwodu pośredniczącego. Na rys. 10 przedstawiono przebiegi napięcia
stałego Udc w przypadku braku i przy obecności dodatkowego toru sygnału estymowanej mocy elektromagnetycznej silnika pe.
Zmienna częstotliwość łączeń tranzystorów IGBT przekształtnika dwustronnego
AC/DC/AC jest wynikiem zastosowania w układzie sterowania tablic wyboru wektora
napięcia prostownika PWM i falownika napięcia (rys. 12).
Rys. 12. Częstotliwość łączeń kluczy przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC
Fig. 12. Switching frequency of power devices of the AC/DC/AC double-sided converter
4. PODSUMOWANIE
W artykule przedstawiono analizę sterowania wektorowego napędem indukcyjnym
z przetwornicą częstotliwości w układzie dwustronnego przekształtnika AC/DC/AC.
Zastosowanie przekształtnika dwustronnego zapewnia czterokwadrantową pracę układu napędowego z możliwością zwrotu energii hamowania do sieci zasilającej. Dwustronnie modulowany przekształtnik AC/DC/AC przy zastosowaniu odpowiednich
metod sterowania zapewnia pobór prądów sieci o przebiegach kształtem zbliżonych
do sinusoidy. Jednocześnie układ sterowania zapewnia możliwość pracy przekształtnika przy dowolnie nastawianej wartości współczynnika mocy cos(ϕ). Wówczas układ
napędowy charakteryzuje się właściwościami kompensacyjnymi mocy biernej pobieranych przez odbiorniki zainstalowane w pobliżu.
Metody bezpośredniego sterowania mocą przekształtnika (VF-DPC) i bezpośredniego sterowania momentem i strumieniem silnika indukcyjnego (DTC) nie wymagają
stosowania układów transformacji współrzędnych i nie posiadają wewnętrznych pętli
sprzężenia prądowego. To powoduje uproszczenie struktury regulacji i zmniejszenie
kosztów układu. Układ przekształtnika dwustronnego AC/DC/AC znajduje zastosowanie przede wszystkim w napędach szynowych pojazdów trakcyjnych, maszyn wyciągowych (wind, dźwignic i dźwigów) oraz przenośników taśmowych.
Ze względu na intensywne zwiększenie zastosowań przekształtnikowych układów
napędowych z możliwością hamowania odzyskowego jest celowe kontynuowanie
dalszych prac, dotyczących analizy teoretycznej i badań energoelektronicznych układów zasilania o dwukierunkowym przepływie energii elektrycznej.
LITERATURA
[1] JASIŃSKI M., KAŹMIERKOWSKI M. P., ŻELECHOWSKI M., Direct Power and Torque Control
Scheme for Space Vector Modulated AC/DC/AC Converter-Fed Induction Motor, XVI International
Conference on Electrical Machines ICM’2004, Cracow, 2004.
[2] KNAPCZYK M., PIEŃKOWSKI K., Analiza nieliniowych metod sterowania przekształtnikiem sieciowym AC/DC, Materiały Konferencyjne XIV Seminarium Technicznego KOMEL, Ustroń – Jaszowiec, 2005.
[3] KNAPCZYK M., PIEŃKOWSKI K., Bezczujnikowe metody sterowania przekształtnikami sieciowym
AC/DC o dwukierunkowym przepływie energii, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 56, Studia i Materiały, Nr 24, Wrocław, 2004.
[4] MALINOWSKI M., Sensorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifiers, Ph.D.Thesis,
Warsaw University of Technology, Warsaw, 2001.
[5] MALINOWSKI M., KAŹMIERKOWSKI M. P., HANSEN S., BLAABJERG F., MARQUES G. D.,
Virtual-Flux-Based Direct Power Control of Three-Phase PWM Rectifiers, IEEE Transactions on industry applications, vol.37, no.4, July/August 2001.
[6] ORŁOWSKA-KOWALSKA T., Bezczujnikowe układy napędowe z silnikami indukcyjnymi, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2003.
[7] PIEŃKOWSKI K., Analiza układów hamowania elektrycznego silników indukcyjnych klatkowych z
przekształtnikami energoelektronicznymi, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów
Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 52, Monografie, Nr 15, Wrocław, 2000.
[8] PIEŃKOWSKI K., KNAPCZYK M., Przekształtniki energoelektroniczne AC/DC/AC i AC/AC –
układy topologiczne i sterowanie, Materiały Konferencyjne XIV Seminarium Technicznego
KOMEL, Ustroń – Jaszowiec, 2005.
[9] PÖLLÄNEN R., Converter-Flux-Based Current Control of Voltage Source PWM Rectifiers – Analysis and Implementation, Ph.D.Thesis, Lappeenranta University of Technology, Lappeenranta, 2003.
[10] SINGH B., SINGH B. N., CHANDRA A., AL-HADDAD K., PANDEY A., KOTHARI D. P., A
Review of Three-Phase Improved Power Quality AC-DC Converters, IEEE Transactions on industrial
electronics, vol.51, no.3, June 2004.
ANALYSIS OF VECTOR CONTROL SYSTEM OF INDUCTION DRIVE WITH
AC/DC/AC DOUBLE-SIDED CONVERTER IN DRIVING- AND REGENERATIVE
BRAKING-MODE
The paper presents an analysis of vector control system of induction drive witch AC/DC/AC doublesided converter. In particular the start-up, driving-mode and regenerative braking-mode of the drive
system were examined and discussed. Virtual Flux based Direct Power Control (VF-DPC) of AC/DC
line-side converter and Direct Torque Control of DC/AC motor-side converter were proposed and described. The drive system analysis based on computer simulations is carried out. The main task of the
line-side converter control system is to maintain the required value of the dc-link voltage, while line
currents should be almost sinusoidal and in phase with respective phase line voltages to satisfy the unity
power factor condition. Direct Torque Control was chosen as a precise and not complicated control strategy of induction motor fed by Voltage Source Inverter. Both control structures – bounded up into one
control system of the AC/DC/AC double-sided converter - provide excellent dynamics in four-quadrant
operation with returning energy of braking back to the mains.