LABORATORYJNY FALOWNIK NAPIĘCIA

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 60
Politechniki Wrocławskiej
Nr 60
Studia i Materiały
Nr 27
2007
Falownik napięcia, energoelektronika,
zasilanie silników
Zdzisław ŻARCZYŃSKI, Marcin PAWLAK, Krzysztof P. DYRCZ*
LABORATORYJNY FALOWNIK NAPIĘCIA
W artykule przedstawiono koncepcję budowy laboratoryjnego falownika napięcia do współpracy
z dowolnym układem sterującym. Przedstawiono również założenia techniczne i konstrukcyjne jakie
miał spełniać nowoczesny falownik. Pokazano przykładowe przebiegi napięć i prądów wyjściowych
zbudowanego falownika przy zasilaniu silnika indukcyjnego. Przedstawiono także widmo
harmonicznych napięć i prądów wyjściowych falownika.
1. WSTĘP
Falowniki napięcia są obecnie podstawowymi elementami w strukturach
sterowania silnikami indukcyjnymi. Na rynku istnieje wiele sprawdzonych rozwiązań
falowników napięcia, przeznaczonych do zasilania silników o różnych mocach i o
różnych napięciach pracy. Jednak w warunkach laboratoryjnych wykorzystanie takich
falowników jest utrudnione, ponieważ stanowią one zamkniętą konstrukcję i oprócz
standardowych dla danego rozwiązania zmiennych systemowych nie umożliwiają
dostępu do wszystkich sygnałów sterujących i pomiarowych. Przedstawiony w
artykule falownik napięcia spełnia wymagania stawiane urządzeniom, które mogą być
wykorzystywane w laboratoriach badawczych, ponieważ jego konstrukcja umożliwia
monitorowanie wszystkich najważniejszych sygnałów sterujących i pomiarowych
użytecznych podczas opracowywania i testowania nowych struktur sterowania
silnikami elektrycznymi. Konstrukcja falownika umożliwia jego współpracę zarówno
z popularnymi kartami szybkiego prototypowania (np. firmy dSpace) jak i z
dedykowanymi kartami sterującymi zaprojektowanymi przez użytkownika. Ponadto,
przy konstruowaniu falownika uwzględniono wszystkie wymogi bezpieczeństwa
stawiane tego typu urządzeniom.
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych,
ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław, tel. (071) 3204291,
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
2. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE
Głównym zadaniem projektowanego falownika napięcia było zapewnienie
bezawaryjnego zasilania i różnorodności sterowania trójfazowych silników
indukcyjnych, wykorzystywanych w realizacji projektów badawczych realizowanych
w Zakładzie Napędów Elektrycznych Instytutu I-29 Politechniki Wrocławskiej.
W założeniach projektowych przewidziano zatem taką konfigurację falownika,
która miała umożliwić elastyczność w doborze różnych technik sterowania. To
zdecydowało o rozdzieleniu części wykonawczej mocy falownika od części sterującej
jako niezależnego źródła sygnałów zewnętrznych. W części wykonawczej oprócz
modułu mocy z układami zasilającymi i zabezpieczającymi miały być zainstalowane
również układy pomiarowe, układ wyświetlacza i interfejs komunikacyjny
użytkownika.
Przy konstrukcji falownika przyjęto następujące założenia techniczne:
• możliwość zasilania silników o mocy do 5,5kW,
• zakres ciągłych prądów fazowych do 20A,
• realizacja zabezpieczeń zwarciowych, przeciążeniowych, termicznych,
• monitorowanie istotnych parametrów falownika,
• pomiar wartości skutecznych prądów fazowych i napięć międzyfazowych
silnika,
• pomiar prądu i napięcia obwodu pośredniczącego,
• wyświetlanie bieżących wartości pomiarowych oraz sygnalizacja stanów
awaryjnych,
• możliwość bezpośredniego sterowania tranzystorami falownika,
• możliwość wyboru dwóch niezależnych źródeł zewnętrznych sygnałów
sterujących,
• minimalizacja emisji zakłóceń do sieci zasilającej,
• możliwość wyłączenia awaryjnego.
3. BUDOWA I OPIS FUNKCJONALNY FALOWNIKA
Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy falownika. Można na nim wyróżnić
następujące bloki funkcyjne:
• układ mocy,
• sterownik mikroprocesorowy,
• układ pomiaru prądów i napięć,
• moduł sterujący,
• interfejs wejściowy,
• panel czołowy z klawiaturą i wyświetlaczem.
sieć
Układ mocy
silnik
Moduł sterujący
Sterownik
mikroprocesorowy
gniazda
wejściowe
Układ pomiaru
prądów i napięć
zaciski
pomiarowe
Interfejs
wejściowy
Klawiatura i wyświetlacz
Rys. 1. Schemat blokowy falownika
Fig. 1. Block diagram of inverter
Poniżej opisano podstawowe struktury widoczne na rys. 1.
Układ mocy realizuje funkcję formowania napięcia zasilającego silnika, według
założonej sekwencji sterującej kluczami tranzystorowymi modułu mocy. Schemat
ideowy układu mocy przedstawiono na rysunku 2.
DD B6U 85N
PM50RLA120
+
F1
BR
L1
RB
L2
L3
U
V
W
K1
K2
Rys. 2. Schemat ideowy układu mocy
Fig. 2. Schematic diagram of Power module
W skład układu mocy wchodzą następujące podzespoły:
• moduł mocy IV generacji PM50RLA120 firmy Mitsubishi, posiadający
w swojej strukturze 7 tranzystorów mocy IGBT oraz układy zabezpieczeń
zwarciowych, przeciążeniowych i termicznych,
•
prostownik sześciopulsowy DD B6U 85N o dopuszczalnym prądzie 60A i
napięciu 1200V,
• bateria elektrolitycznych kondensatorów obwodu pośredniczącego o
pojemności 1100uF na napięcie 900V,
• obwód hamowania nadsynchronicznego z rezystorem RB o rezystancji
100Ω i mocy 100W, z możliwością podłączenia rezystora zewnętrznego o
większej mocy,
• stycznikowy obwód załączający realizujący funkcję ograniczenia prądu
ładowania kondensatorów obwodu pośredniczącego,
• trójfazowy filtr sieciowy F1 typu F.LL.D3.025A.AN.R1
Sterownik mikroprocesorowy stanowi wewnętrzny układ monitorująconadzorujący pracę podzespołów falownika i nie bierze bezpośredniego udziału w
procesie sterowania kluczami tranzystorowymi. Do jego zadań należy: monitorowanie
istotnych parametrów falownika, obsługa układu pomiarowego, obsługa klawiatury i
wyświetlacza, realizacja zabezpieczeń sprzętowych i programowych, zarządzanie
interfejsem wejściowym.
Sterownik mikroprocesorowy został wykonany przy zastosowaniu nowoczesnego
8–bitowego mikrokontrolera typu ATMega32 firmy Atmel, taktowanego sygnałem
zegarowym o częstotliwości 16MHz, posiadającego 32kB pamięci flash,
wyposażonego
w 8–kanałowy, 10-bitowy przetwornik A/C oraz zestaw portów
cyfrowych.
Forma i dobór elementów panelu czołowego zapewnia optymalny sposób obsługi
falownika w zakresie konfiguracji pracy, dostępu do sygnałów pomiarowych i
obserwacji stanu pracy w warunkach normalnych i awaryjnych. Na panelu czołowym
umieszczono:
• wyświetlacz graficzny z podświetlaniem o rozdzielczości 240x128,
• 5-przyciskową klawiaturę,
• wyłącznik główny zasilania falownika,
• matrycę diod LED do wizualizacji stanu kluczy falownika,
• zaciski wyjściowe sygnałów pomiarowych napięć i prądów,
• złącza interfejsu sterującego (ZS1, ZS2),
• złącze interfejsu RS232.
Interfejs wejściowy spełnia funkcję elektronicznego przełącznika aktywnego
złącza sygnałów sterujących falownika. Układ umożliwia również konfigurację trybu
sterowania (3-kanałowy / 6-kanałowy) oraz wybór aktywnego poziomu logicznego
zewnętrznych sygnałów sterujących falownika.
Moduł sterujący wypełnia rolę układu sprzęgającego interfejs wejściowy
falownika z układem mocy i zapewnia dopasowanie poziomów logicznych sygnałów
wejściowych do poziomów akceptowalnych przez układ mocy oraz stanowi sprzętową
realizację czasu martwego sterowania kluczy tranzystorowych. Układ sprzęgający,
który formuje sygnały sterujące falownika jest izolowany od obwodów mocy za
pomocą szybkich transoptorów.
Układ pomiaru prądów i napięć wykorzystuje hallotronowe przetworniki firmy
LEM do pomiaru prądów fazowych silnika, napięć międzyfazowych silnika oraz
napięcia i prądu obwodu pośredniczącego. Wszystkie sygnały pomiarowe w postaci
wartości chwilowych są udostępnione na panelu czołowym falownika za pomocą
złącz BNC. Dodatkowo, są one przetworzone do postaci sygnałów True-RMS i
doprowadzone do wejść przetwornika A/C sterownika mikroprocesorowego jako
sygnały wejściowe z obiektu nadzorowanego.
Wygląd panelu czołowego oraz panelu podłączeniowego falownika przedstawiono
na rysunku 3.
a)
b)
Rys. 3. Panel czołowy a) i połączeniowy b) falownika
Fig. 3. Front a) and connection panel b) of the inverter
3. OBSŁUGA FALOWNIKA
Interfejs użytkownika stanowi 5-przyciskowa klawiatura oraz wyświetlacz
graficzny. Uruchomienie falownika realizuje się przełącznikiem „Zasilanie główne”.
Na wyświetlaczu pojawia się wówczas ekran powitalny, a następnie ekran statusu
falownika przedstawiający stan załączenia falownika, bieżące wartości pomiarowe
oraz aktywny interfejs wejściowy.
Po załączeniu wszystkie dostępne nastawy falownika przyjmują wartości
domyślne, co umożliwia natychmiastową pracę, bez konieczności wykonania
konfiguracji. W każdej jednak chwili użytkownik może zmienić wybrane nastawy
falownika, korzystając z menu głównego, w którym istnieje możliwość wybrania
jednej z następujących pozycji:
• konfiguracja interfejsu wejściowego,
• ustawienia zabezpieczeń,
• ustawienia domyślne,
• opis złącz wejściowych,
• specyfikacja falownika.
Ekran głównego menu falownika przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 4. Menu główne falownika
Fig. 4. Inverter’s main menu
Poszczególne pozycje menu głównego falownika opisano poniżej.
• Interfejs wejściowy
Interfejs ten umożliwia wybór aktywnego złącza sygnałów sterujących
falownika, konfigurację trybu sterowania (3-kanałowy / 6-kanałowy)
oraz wybór aktywnego poziomu logicznego zewnętrznych sygnałów
sterujących(niski, wysoki).
• Ustawienia zabezpieczeń
Oprócz zabezpieczeń sprzętowych falownika wynikających z
ograniczeń zastosowanego modułu mocy i gwarantujących pewną
ochronę modułu przed uszkodzeniem istnieje możliwość konfiguracji
zabezpieczeń programowych, poprzez ustawienie maksymalnych
wartości napięcia obwodu pośredniczącego, wartości skutecznych
prądów fazowych silnika oraz temperatury modułu mocy.
• Ustawienia domyślne
Wszystkie nastawy falownika przechowywane są w nieulotnej pamięci
i stanowią konfigurację domyślną, której wartości są wprowadzane do
nastaw po każdorazowym załączeniu falownika.. Użytkownik ma
jednakże dostęp do tej pamięci, co daje mu możliwość zapisania
własnych nastaw jako wartości domyślnych.
• Opis złącz wejściowych
Na ekranie pojawia się rysunek przedstawiający rozkład wyprowadzeń
złącz sygnałów sterujących ZS1 i ZS2.
• Specyfikacja falownika
Na ekranie są wyświetlone parametry falownika: dopuszczalne napięcie
wejściowe, maksymalny prąd fazowy, maksymalna częstotliwość
kluczowania, czas martwy, wartości współczynników skalujących
przetworników pomiarowych, z możliwością ich korekcji.
4. BADANIA LABORATORYTJNE FALOWNIKA
Celem przeprowadzonych badań było sprawdzenie zachowania się falownika w
różnych warunkach pracy i stwierdzenie zgodności parametrów falownika z
założeniami projektowymi. Badania falownika zostały przeprowadzone na stanowisku
laboratoryjnym z silnikami indukcyjnymi o różnych mocach, w klasycznym otwartym
układzie sterowania, przy założeniu U/f=const. Poszczególne testy przeprowadzono
przy różnych wartościach napięć zasilających i prądów obciążenia. Zmieniano
również częstotliwość zadaną napięcia wyjściowego falownika oraz częstotliwość
kluczowania tranzystorów. W wyniku przeprowadzonych badań zostały
zarejestrowane przebiegi prądów i napięć silnika pochodzące z wewnętrznego układu
przetworników pomiarowych falownika oraz oscyloskopu cyfrowego. Przykładowe
przebiegi testowe oraz ich spektrogramy przedstawiono na rysunkach 5–9.
Na rysunkach przyjęto następujące oznaczenia:
Ud – napięcie obwodu pośredniczącego falownika,
fwy – częstotliwość napięcia wyjściowego falownika,
fT – częstotliwość kluczowania tranzystorów.
UAB [V]
a)
200
100
0
-100
-200
0
0.005
0.01
0.015
0.02
U AB [V]
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
t [s]
b)
200
100
0
-100
-200
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
t [s]
UAB [V]
c)
200
100
0
-100
-200
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
t [s]
Rys. 5. Napięcie wyjściowe falownika dla Ud=200V, fwy=50Hz przy częstotliwościach kluczowania
a) fT=20kHz, b) fT=10kHz oraz c) fT=3kHz
Fig. 5. Inverter’s output voltage for Ud=200V, fwy=50Hz for a) fT=20kHz, b) fT=10kHz and c) fT=3kHz
UAB [V]
a)
120
100
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
250
f [kHz]
UAB [V]
b)
120
100
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
250
f [kHz]
UAB [V]
c)
140
120
100
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
250
f [kHz]
Rys. 6. Zawartość wyższych harmonicznych w napięciu wyjściowym falownika przy Ud=200V, fwy=50Hz
dla częstotliwości kluczowania a) fT=20kHz, b) fT=10kHz oraz c) fT=3kHz
Fig. 6. Spectrum of inverter’s output voltage for Ud=200V, fwy=50Hz a) fT=20kHz, b) fT=10kHz and
c) fT=3kHz
IA [A]
a)
10
5
0
-5
-10
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
t [s]
IA [A]
b)
10
5
0
-5
-10
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
t [s]
IA [A]
c)
10
5
0
-5
-10
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
t [s]
Rys. 7. Prąd wyjściowy falownika dla Ud=200V, fwy=50Hz przy częstotliwościach kluczowania
a) fT=20kHz, b) fT=10kHz oraz c) fT=3kHz
Fig. 7. Inverter’s output current for Ud=200V, fwy=50Hz for a) fT=20kHz, b) fT=10kHz and c) fT=3kHz
IA [A]
a)
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
f [kHz]
IA [A]
b)
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
f [kHz]
IA [A]
c)
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
f [kHz]
Rys. 8. Widmo prądu wyjściowego falownika przy Ud=200V, fwy=50Hz dla częstotliwości kluczowania a)
fT=20kHz b) fT=10kHz oraz c) fT=3kHz
Fig. 8. Spectrum of inverter’s output current for Ud=200V, fwy=50Hz for a) fT=20kHz b) fT=10kHz and
c) fT=3kHz
5. UWAGI
Przedstawiony w artykule laboratoryjny falownik napięcia został wykonany
specjalnie do zastosowań laboratoryjnych i był wykorzystywany w pracach
badawczych prowadzonych w Zakładzie Napędów Elektrycznych. Dzięki bardzo
elastycznej konstrukcji układów wejściowych oraz możliwości konfiguracji systemu
zabezpieczeń (np. zmiany nastaw maksymalnych prądów wyjściowych) falownik
umożliwił testowanie wielu różnych metod sterowania silnikiem indukcyjnym.
Przedstawione w artykule przebiegi prądów i napięć wyjściowych falownika oraz ich
widma zostały zarejestrowane przy sterowaniu najprostszą metodą z zachowaniem
zasady u/f=const.
VOLTAGE INVERTER FOR LABORATORY
A novel construction of the voltage inverter for laboratory is presented in the paper. A brief foredesign and construction of the inverter is submitted. The example diagrams of the outputs current and
voltage for induction machine supplying are presented in the paper.