KETTŐS MEZŐORIENTÁCIÓS SZABÁLYOZÁSI STRUKTÚRA MECHANIKAI ÉRZÉKELŐ NÉLKÜLI KALICKÁS INDUKCIÓS MOTOROS HAJTÁS RÉSZÉRE

Átírás

1 EME Műszak Tudományok Szakosztálya a Magyar Tudomány Napja Erdélyben XIV. Műszak Tudományos Ülésszak 2013 november Kolozsvár KETTŐS MEZŐORIENTÁCIÓS SZABÁLYOZÁSI STRUKTÚRA MECHANIKAI ÉRZÉKELŐ NÉLKÜLI KALICKÁS INDUKCIÓS MOTOROS HAJTÁS RÉSZÉRE I M E C S M á r a Vllamos Gépek és Hajtások Tanszék Kolozsvár Műszak Egyetem Erdély Magyar Tudomány Egyetem Vllamos Mérnök Tanszék Marosvásárhely

2 EME Műszak Tudományok Szakosztálya a Magyar Tudomány Napja Erdélyben XIV. Műszak Tudományos Ülésszak 2013 november Kolozsvár DOUBLE FIELD-ORIENTED CONTROL STRUCTURE FOR SENSORLESS CAGE INDUCTION MOTOR DRIVE I M E C S M á r a Vllamos Gépek és Hajtások Tanszék Kolozsvár Műszak Egyetem Erdély Magyar Tudomány Egyetem Vllamos Mérnök Tanszék Marosvásárhely

3 Abstract The paper presents two smple vector control structures wthout speed sensor for nducton motor drves fed by a voltage-source nverter (VSI) wth open-loop voltage-controlled space-phasor-based pulse-wdth modulaton procedure, whch are sutable for mplementaton wth help of dgtal sgnal processors dedcated to controlled electrcal drves. The speed feedback value s generated by a torque-, respectvely a torque-producng currentcomponent-controller n cascade combnaton wth the speed controller. In order to reduce the rotor-parameter dependence n the computaton of the forward control varables, the double feld-orentaton s appled, and the calculus of the controlled rotor-flux feedback value s made by compensaton wth the leakage fluxes of the stator flux, whch s dentfed from the measured phase currents and voltages. The stator-current control varables are drectly generated by the speed and flux controllers as rotor-feld-orented components and the stator-voltage control varables are computed n stator-feld-orented coordnates. Consequently, there are combned the advantages of two types of feld-orentaton procedures, avodng the rotor-resstance dependency and cconferrng good control dynamcs and stablty, robust behavor at reduced computaton capacty and motor-parameter-ndependence 3

4 Kulcsszavak Key words térfázoros mpulzus-szélesség modulácó (TF-ISzM) Space Vector Modulaton (SVM) drekt/közvetett mezőorentácó (DMO) Drect Feld-orentaton (DFO) csúszás-kompenzálás (CsKo) Slp-frequency Compensaton (SFCo) egyen-áramú közbensőkörös frekvencaváltó (EÁ-KK-SzFV) DC-lnk (Statc) Frequency Converter (SFC) vektoráls szabályozás (VSz) numerkus mplementácó feszültség nverter (FFJ-VI) Vector Control (VC) dgtal mplementaton Voltage-source Inverter (VSI) 4

5 Összefoglalás A dolgozatban bemutatott két egyszerű vektoráls szabályozás struktúra a nyílt-hurkú térfázoros feszültség típusú ISzM-vel vezérelt feszültség-forrás jellegű váltórányítóról táplált mechanka érzékelő nélkül kalckás ndukcós motoros hajtásokra alkalmazható, melyek mplementácóra alkalmasak a hajtástechnkának szánt dgtáls jelfeldolgozó vezérlőegységekkel. A sebesség-vsszacsatolás jelét a sebességszabályozóval kaszkádban bekötött nyomaték-, lletve nyomaték-képző aktív áramösszetevő-szabályzó generálja. A rotorellenállás-függőség elkerülésére a vezérlőágban kettős mezőorentácót alkalmazunk, és a vsszacsatolásokhoz szükséges rotor fluxust a mért fázsáramokból és feszültségekből dentfkált sztátor-fluxusból a szórás fluxusok kompenzálásával számoljuk. Ezek szernt az állórész-áram alapjelének a generálása forgórész-fluxus szernt mezőorentált összetevőkkel, míg az állórész-feszültség vezérlő mennységenek a számítása állórész-fluxus szernt mezőorentált koordnátákkal történk Így lehet egyesíten a két mezőorentácós eljárás előnyet kküszöbölve a rotorellenállás-függőséget, ezáltal bztosítva a jó szabályozás dnamkát és stabltást, robusztus vselkedést, alacsonyabb számítás kapactás és alacsony motorparaméter-függőség mellett. 5

6 Tartalom 1. Bevezető 2. A forgómezős motorok kéthurkú vektoráls szabályozása 2.1. A háromfázsú motorok kéthurkú szabályozása 2.2. Vektoráls szabályozás a mezőorentácó elve alapján 2.3. Az orentácós mező megválasztása 2.4. A kettős mezőorentácó alkalmazása 3. Sebesség-érzékelő nélkül mezőorentácós ndukcós motoros hajtások 3.1. Csúszáskompenzálás drekt és ndrekt rotormező-orentácós struktúrákban 3.2. Kaszkád-kapcsolású szabályozóval generált sebesség-vsszacsatolás 4. Kettős mezőorentácós sebességérzékelő nélkül szabályozás struktúrák 4.1. Aktív áram-szabályozóval generált sebesség-vsszacsatolás 4.2. Nyomaték-szabályozóval generált sebesség-vsszacsatolás 5. Következtetések Irodalom (1-32) Köszönetnylvánítás 6

7 A kalckás ndukcós motor (KIM) a legelterjedtebb vllamos gép (VG) a vllamos hajtásokban (VH). A hagyományos VG-k között a legegyszerűbb felépítésű: rövdre-zárt forgórészű kefe nélkül (angolul Brushless ) 3 fázsú váltakozó áramú (VÁ) gép (kegyensúlyozottan terhel le a hálózatot, amelyre akár közvetlenül s rá lehet kötn) Más előnyök: 1. BEVEZETŐ (1/9) a legolcsóbb az ár szempontjából a legrobusztusabb vselkedésű kevés karbantartást gényel az üzemeltetése a legbztonságosabbak közé tartozk A korszerű vllamos hajtásokban forgómezős 3-fázsú VÁ motorokat alkalmaznak: ezek közé tartozk a KIM s. 7

8 1. BEVEZETŐ (2/9) A 3-fázsú VÁ forgómezős VG-k (sznkron és asznkron/ndukcós) matematka modellje (MaMo) nemlneársak változó paraméterűek matematkalag: többváltozósak, bonyolult belső kapcsolatokkal szabályozásuk bonyolult és sokág nehezen kvtelezhető volt A szabályozás elmélet hátterét a térfázor elméleten alapuló (TF Park-vektor) (vektoráls vagy mátrxos) állapotváltozós, úgynevezett általános egyenletrendszerek szolgáltatják [1] Kelemen Á., Imecs Mára: Vector Control of AC Drves, Vol. 1: Vector Control of Inducton Machne Drves, OMIKK-Publsher, Budapest, [2] Imecs Mára: A vllamos gépek modern szabályozás módszere a térfázor elmélet alapján, Plenárs előadás, XVI. FMTÜ, Erdély Múzeum Egyesület kadványa, Kolozsvár,

9 1. BEVEZETŐ (3/9) A vektoráls szabályozás rendszerek. a mezőorentácó (MO) elvén alapulnak szétcsatolt többváltozós struktúrák A TF-s MaMo-kat fgyelembe véve, az egyenáramú (EÁ) motorokhoz hasonlóan, a VÁ motorokat szabályozhatóvá teszk. 9 Mndez nem történhetett volna meg a teljesítményelektronka és a számítástechnka robbanószerű fejlődése nélkül, am az utóbb évtzedek során következett be. [3] Imecs Mára: Vllamos hajtások szabályozása ma szemmel. Plenárs előadás, ENELKO 2000, EMT kadó, Kolozsvár. [4] Imecs Mára, Szabó Cs., Incze J. J.: Frekvencaváltós vllamos hajtások négynegyedes üzemmódban, III. ENELKO 2002, EMT kadó, Kolozsvár. [5] Imecs Mára, Incze J. J., Szabó Cs., Ádám T.: Váltakozó áramú hajtások skalárs és vektoráls szabályozás struktúrá, Plenárs előadás, IV. ENELKO 2003, EMT kadó, Kolozsvár [6] Imecs Mára, et all: Ks és nagy teljesítményű hálózatbarát egyenáramú közbenső-körös frekvencaváltós hajtások, Plenárs előadás, V. ENELKO 2004, EMT kadó, Kolozsvár

10 1. BEVEZETŐ (4/9) A VÁ-VH szabályozására a beavatkozó szerv egy statkus frekvencaváltó (SzFV), mellyel az úgynevezett veszteség nélkül szabályozást lehet megvalósítan: a kmenet frekvenca és feszültség ampltudójának a változtatásával a VÁ motort szabályozzuk kváz sznuszos VÁ-t bztosítan. A SzFV-k nagyrészt feszültség-forrás jellegű (FFJ) egyenáramú közbensőkörös (EÁ-KK) felépítésűek a hálózat felől dódás egyenrányítóval (DEI) egyszerűbb esetben a hajtó motor felé mpulzus-szélesség-modulácóval (ISzM) vezérelt IGBT-s ( Isolated-Gate Bpolar Transstor ) FFJ váltórányítóval (FVI, angolul VSI Voltage-Source Inverter ). [7], Imecs, Mara: Synthess about pulse modulaton methods n electrcal drves, Plenárs előadás, Part 1: Fundamental aspects,, Proceedngs of CNAE 98, Un. Craova, 10

11 1. BEVEZETŐ (5/9) A felépítésénél fogva FVI nem mndenképpen működk FFJ-vel. A hajtómotor betáplálásának a feszültség-forrás (FFJ) vagy áram-forrás jellegét (ÁFJ) a FVI-nek alkalmazott ISzM-s vezérléseljárás határozza meg: nyílthurkú feszültség-alapjellel vezérelt (ebben az esetben megőrződk a FFJ) zárthurkú áram-alapjellel szabályozott, mely esetben a FVI ÁFJ-vel fog vselkedn a közvetlen áram-vsszacsatolásnak tulajdoníthatóan. (a VH dnamkája és stabltása szempontjából sokkal előnyösebb) [8] Imecs, Mara: Synthess about pulse modulaton methods n electrcal drves, Plenárs előadás, Part 2: Closed-loop current controlled PWM procedures, Proceedngs of CNAE 98, Un. Craova, [9] Imecs, Mara: Synthess about pulse modulaton methods n electrcal drves, Plenárs előadás, Part 3: Open-loop voltage-controlled PWM procedures, Acta Unverstats CIBIENSIS, "Lucan Blaga" Un. Sbu. [10] Imecs Mara, Open-loop voltage-controlled PWM procedures, 3 rd ELECTROMOTION Internatonal Conference, Patras, Greece, Volume I,

12 1. BEVEZETŐ (6/9) A VH-technkának szánt és a pac forgalomban lévő dgtáls jelfeldolgozó vezérlőegységek (DJF-VE) a gyakorlat kvtelezésében: csak nyílt hurkú feszültség-iszm eljárásokat tesznek lehetővé, kzárva az áram-vsszacsatolásos ISzM módszereket (ezekkel vszont jobb szabályozás mnőséget lehet megvalósítan) A kettős mezőorentácó (KMO) az adott feltételek mellett megpróbálja a különböző rendszerek megoldásanak előnyet egy struktúrában érvényesíten. [11] Imecs Mára, Incze J. J., Szabó Cs.: Fluxus-dentfkácós és szabályozás módszerek kalckás ndukcós motorok mező-orentált hajtásrendszereben, X. ENELKO 2009, Marosvásárhely [12] Imecs Mára: Kalckás ndukcós motorok forgó- és állórész mezőorentált vektoráls szabályozás rendszerenek összehasonlítása, X. ENELKO 2009, Marosvásárhely [13] Imecs Mára, Szabó Cs., Incze J. J.: Kalckás ndukcós motorok vektoráls szabályozása kettős mező-orentácóval, X. ENELKO 2009, Marosvásárhely

13 1. BEVEZETŐ (7/9) Az utóbb években a mechanka érzékelők nélkül rendszerek újra az érdeklődés központjába kerültek. Előnyök: ksebb méret csökkentett zajérzékenység a szenzorkábelek kküszöbölése egyszerűbb hardver gény Barátságtalan környezetben s többnyre mechanka érzékelővel nem rendelkező motorokra van szükség. 13

14 1. BEVEZETŐ (8/9) Az évek során a sebességérzékelő nélkül technkák széles skáláját fejlesztették k: nyílt hurkú becslők, referenca modell alapú adaptív rendszerek (MRAS Model Reference Adaptve System ), Luenberger megfgyelők, Kálmán-szűrős eljárások, stb. Mndezek ellenére a mechanka érzékelő nélkül technkák legfőbb hátránya: leszűkített sebességtartomány korlátozzott par alkalmazhatóság [14] Holtz J.: Sensorless control of nducton motors, Proceedngs of the IEEE, Vol.90, No.8, Aug

15 1. BEVEZETŐ (9/9) Nem túl gényes sebességszabályozást egyszerűbb struktúrákkal s meg lehet oldan, melyeknek az egyk hátrányos oldala vszont a paraméterfüggőség. Ezeknek a gyakorlat mplementácóra való alkalmasságát KMO alkalmazásával megoldható, és mellyel a rotor-ellenállás- (R r ) függősége elkerülhető. [1] Kelemen Á., Imecs Mára: Vector Control of AC Drves, Vol. 1: Vector Control of Inducton Machne Drves, OMIKK-Publsher, Budapest, [15] Akesh Maeda; Tung Ha Chn; Hrochrou, Tanaka; Takash, Koga; Ysugutos, Ohtan: Today s AC drve ndustral applcaton n Japan, 4 th European Conference on Power Electroncs and Applcatons, EPE 91, Florence, Italy, [16] Imecs Mára, Negrea C. Aln, Szabó Cs., Incze J. J.: Sebesség-érzékelő nélkül aktív áram-szabályozáson és közvetett mező-orentácón alapuló vektoráls asznkron motoros hajtás szmulácója, XIV. ENELKO 2013, Nagyszeben, EMT kadó, K-vár. [17] Negrea C. A., Imecs, Mara, Szabó Cs., Incze I. I.: Speed sensorless vector control system for nducton motors based on actve current and flux computaton, 4th Internatonal Conference MACRo 2013, Tg. Mures, Sapenta Unversty,

16 Azelső önálló összefoglaló könyv a mező-orentálcós vektoráls szabályozás rendszerekről Kelemen Árpád és Imecs Mára Ssteme de reglare cu orentare după cîmp ale maşnlor de curent alternatv 1987 (Lto, Insttutul Poltehnc, Cluj-Napoca) 1989 (Edtura Academe Române, Bucureşt) A Román Akadéma 1991-ben Traan Vua Díjával ktüntetett könyv Vector Control of AC Drves Volume 1: Vector Control of Inducton Machne Drves (OMIKK Publsher, Budapest) 16

17 2. A forgómezős motorok kéthurkú vektoráls szabályozása A háromfázsú (forgómezős) váltakozó áramú motorok (VÁM) kéthurkú szabályozása jóval bonyolultabb, mnt az egyenáramú motoroké (EÁM). A külső gerjesztésű kompenzált EÁM-nál a mechanka és mágneses mennységek szabályozása egymástól független hurkokban valósítható meg. A VÁM-nál ez a természetes szétcsatolás nem létezk, ennek tudható be, hogy ezek a gépek elektromágneses szempontból sokkal nehezebben tanulmányozhatók. A VÁ gépek mnőség szabályozását vektorálsan kezelt matematka modell alapján a mezőorentácó (MO) oldja meg. 17

18 2.1. A háromfázsú motorok kéthurkú szabályozása A két külső főhurkos szétcsatolt szabályozás struktúrát lehet kalakítan vektorálsan, a MO elve alapján. Szükség van nemcsak a fluxus értékének (modulusának), hanem annak a helyzetszögének (pozícójának) s az dentfkácójára l. A betápláló sztátor-feszültségnek két paraméterét lehet változtatn: frekvenca feszültség (alap-harmonkus ampltúdója). Két referenca alapjelt lehet előírn, : mechanka mennységek (pozícó, sebesség, nyomaték, aktív áram) mágneses mennységekre (eredő fluxusok, mágnesezés áramok) [1] VC1, [5] ENELKO 2003, [18] WESIC 2003, [19] IEEE Trans,on Power Electroncs 2005, [20] Acta Unverstats Sapentae

19 2.2. Vektoráls szabályozás a mezőorentácó elve alapján (1/3) Mért alkalmazunk mezőorentácót? Mezőorentácóval az ndukcós motort a szabályozás struktúrában mesterségesen, egy ekvvalens egyenáramú gép-pé alakítjuk át. A mezőorentált változók állandósult üzemmódban állandó mennységek, melyek az egyenáramú jelleg-et a tranzens folyamatok alkalmával s megőrzk. Így, az eredet váltakozó áramú gépet egyenáramban szétcsatolva szabályozzuk, majd a beavatkozó frekvencaváltó vezérlő mennységenek a kszámolásával összecsatoljuk, azaz vsszaalakítjuk természetes háromfázsú modellé. 19

20 2.2. Vektoráls szabályozás a mezőorentácó elve alapján (2/3) Hogyan mezőorentálunk? A mezőorentácó azt jelent, hogy a komplex sík valós tengelyét ráfektetjük a forgó fluxusnak megfelelő térfázorra. A mezőorentácó-s elv alapján a váltakozó áramú gép áram-vektorát a kválasztott mágneses mező rányába orentált komplex síkban az aktív és reaktív összetevő-re bontjuk. A mezőorentált koordnáta rendszerben: a fluxusra merőleges aktívnak nevezett áram-összetevő a nyomaték-képző komponens a fluxussal egyrányú reaktívnak nevezett áram-összetevő tartalmazza a mágnesezés áram-ot vszont attól különbözhet attól függően, hogy melyk orentácós fluxust választjuk. 20

21 2.2. Vektoráls szabályozás a mezőorentácó elve alapján (3/3) Hogyan alkalmazzuk a mezőorentácót a kéthurkú szabályozásban? A klasszkus RoMO esetében (kalckás AszM állandó rotor-fluxussal) az állórész-áram két mezőorentált összetevője a gép elektromágneses nyomatékát létrehozó két mennységnek felel meg, melyekkel ugyancsak két változó független, szétcsatolt szabályozását lehet elvégezn, melyeket referenca alapjel-ként írjunk elő. A két szabályozás hurok újracsatolása a gép térfázor elméletén alapuló matematka modellen alapszk, és a rendszer beavatkozó vezérlés mennysége-nek a generálásából áll. A mezőorentácó elve alapján a gépben végbemenő fzka jelenségeket, azaz a gép természetes vselkedését vesszük fgyelembe a szabályozás hurkok kalakításában és a beavatkozó változók generálásában, a térfázor / Park vektor elmélete alapján. 21

22 2.3. Az orentácós mező megválasztása dλ r Rotormezõ-orentált Sztátormezõ-orentált dλ r valós tengely valós tengely = ωλr dt dλ s d λ λ s r d λ s = dt ω λs Ψ s =L m ms Ψ σ s = L σ s s Ψ σ = L σ r s r ms Ψ m m r Ψ r mr = L m mr Állórész-orentált fx tengely A mezőorentácó ötletére a rotor-fluxus és rotor-áram fázoranak a természetes úton létrehozott merőlegessége vezetett rá. r 22

23 Állórész-áram-összetevők az RFO koordnáta rendszerben dλ r Rotormező-orentált valós tengely r Ψ r d dt λ r = ω λr Ψ m =L r Ψ σ =L σ m r m r r σ r r Ψ r = sdλr =L λ r m mr mr d Állórész-orentált fx tengely Elektromágneses nyomaték: m e = K M Ψ r r Reaktív-fluxusképző áram- komponens: Rotormező-orentált magnárus tengely s sq λ r = 1+ σ qλ r ( ) r j r m sdλr = mr = Ψ r / L m Aktív-nyomatékképző áram- komponens: Az áramok és fluxusok fázor-dagramja r Ψr esetén az állórész-áram rotor-fluxus orentált (RFO) összetevővel sqλr = - (1+σ r ) r 23

24 Állórész-áram-összetevők a SzFO koordnáta rendszerekben λ s = d dt Sztátormező-orentált valós tengely dλ s ω R s s λs u s qλ s Ψ s dψ dt =L s m = e jω ms sdλs sd λs λ sψs = Ψ σ =L σ s e s sqλs ms Sztátormező-orentált magnárus tengely Ψ s m m sqλs s =L σ s m m sdλs r λ s ms d Állórész-orentált fx tengely Fázor-dagram az állórész-feszültség származtatására az állórész-áram SzFO összetevővel Az EMF szétcsatolt összetevő: Önndukcós EMF: e sdλs = dψ s /dt (d) amt a Ψ s fluxus ampltúdó-változása hoz létre (állandósult állapotban zéro) Forgás EMF: e sqλs = ω λs Ψ s (q) amt az ω λs = dλ s /dt sznkron sebességgel forgó állórész-mező ndukál. Vszont: sdλs ms = Ψ s /L m 24

25 RFO és SFO összehasonlítása FORGÓRÉSZ-MEZŐORIENTÁCIÓ Rotormező szernt-orentált fluxus-összetevők: Ψ rdλr = Ψ r = Ψ r = Ψ r és Ψ rqλr = 0 (1.1) Rotormező-orentált sztátoráram térfázora: sλr = sdλr + j sqλr (2.1) Rotormező-orentált sztátoráram- összetevők: sdλr = mr = Ψ r /L m (3.1) sqλr = m e /K Mr Ψ r = (1+σ r ) r (4.1) Forgórész-fluxus alapú mágnesezés áram: mr = Ψ r /L m = sdλr (5.1) Elektromágneses nyomaték vektora: m e = K M ( r x Ψ r ) (6.1) Elektromágneses nyomaték: m e = K Mr Ψ r sqλr = - K M Ψ r r (7.1) ahol a nyomaték-koeffcense K Mr = K M / (1+σ r ) (8.1) A forgó rotormező sznkron szögsebessége: ω λr = dλ r /dt (9.1) ÁLLÓRÉSZ-MEZŐORIENTÁCIÓ Sztátormező szernt-orentált fluxus-összetevők: Ψ sdλs = Ψ s = Ψ s = Ψ s és Ψ sqλs = 0 (1.2) Sztátormező-orentált sztátoráram térfázora: sλs = sdλs + j sqλs (2.2) Sztátormező-orentált sztátoráram-összetevők: sdλs ms = Ψ s /Lm (3.1) sqλs = m e / K M Ψ s (4.2) Állórész-fluxus alapú mágnesezés áram: ms = Ψ s /L m sdλs (5.2) Elektromágneses nyomaték vektora: m e = K M (Ψ s x s ) (6.2) Elektromágneses nyomaték: m e = K M Ψ s sqλs (7.2) ahol a nyomaték-koeffcense: K M = (3/2) z p (8.2) A forgó sztátormező sznkron szögsebessége: ω λs = dλ s /dt (9.2) 25

26 2.4. A kettős mezőorentácó alkalmazása (1/4) A mezőorentácós eljárások összehasonlítása d dt Rotor-feld-orented quadrature axs λ r = ω λr Ψ m s =L Ψ σ =L σ qλ r ( ) r j r m sq λ r = 1+ r m σ r m dλ r r r σ r r Rotor-feld-orented drect axs Ψ r = sdλr =L λ r m mr mr d Stator-orented fxed reference axs λ s = d dt Stator-feld-orented drect axs ω R s s λs u s Ψ dλ s λ s d s dψ dt =L s m = e jω ms sdλs sd λs λ sψs = Ψ σ =L σ s e s sqλs ms Ψ s m m sqλs s =L σ s m m sdλs r ms Stator-orented fxed reference axs 26 Rotor-mező-orentált kalckás asznkron motor qλ s Stator-feld-orented quadrature axs Sztátor-mező-orentált kalckás asznkron motor

27 2.4. A kettős mezőorentácó alkalmazása (2/4) Mért alkalmazzuk a kettős mezőorentácót? A feszültségben vezérelt, mpulzus-szélességgel modulált (ISzM) áramrányítóval működő struktúra az RFC, RFO és SFO eljárások előnyet egyesít: Drekt RFC Ψ r = ct esetén a mechanka jelleggörbék lneártásának tulajdoníthatóan mutatott jó statkus stabltást és túlterhelhetőség képességet a hajtásnak. A mechanka és mágneses mennységek szétcsatolt szabályozó hurka közvetlenül generálják az állórész-áram forgórészmezőorentált (RFO) összetevőt, így bztosítva az ndukcós motoros hajtás jó dnamkáját. Az állórész-mezőorentácónak (SFO) köszönhetően az állórészfeszültség szabályozás mennységet a lehető legegyszerűbb módon lehet számítan, a két fajta elektromotoros feszültség különválasztásával. Az eljárás forgórész-paraméter függetlenséget és robusztus vselkedést bztosít. 27

28 2.4. A kettős mezőorentácó alkalmazása (3/4) Az ajánlott új kettős mezőorentacós struktúrában: forgórész-mezőorentált koordnáta rendszerben (RFO) a fordulatszám- és fluxus-szabályozók a szétcsatolt állórész-áram összetevőket közvetlenül generálják állórész-mezőorentált koordnáta rendszerben (SFO) az állórész-feszültség számítása történk 28

29 2.4. A kettős mezőorentácó alkalmazása (4/4) dλ r Rotormezõ-orentált Sztátormezõ-orentált dλ r valós tengely valós tengely = ωλr dt dλ s d λ λ s r λ s = d dt qλ r ω R s s λs Rotormezõ-orentált magnárus tengely u s qλ s Ψ dψ dt s s =L = e m sqλr sdλs jω ms Ψ σs sdλs s λ sψs = e ms sqλs Sztátormezõ-orentált magnárus tengely Ψ σr Ψ m = sdλr 1. ábra. A mágnesezés áramok, a fluxusok és az orentált áramösszetevők tér-fázor-dagramja m sqλs Ψ r r mr Állórész-orentált fx tengely Kalckás (rövdrezárt) forgórész: u r = 0 Szabályozott forgórész-fluxus: Következk: Ψ r = ct. r Ψ r Elektromágneses nyomaték: m e = K M Ψ r r Reaktív áram- komponens: sdλr = mr = Ψ r /L m sdλs ms = Ψ s /L m Aktív, nyomaték-képző áram- komponensek: sqλr = - (1+σ r ) r merőleges a Ψ r fluxus-vektorra sqλs merőleges a Ψ s fluxus-vektorra 29

30 3. Sebesség-érzékelő nélkül mezőorentácós ndukcós motoros hajtások A csúszáskompenzálást (CsKo) a skalárs szabályozásokban s alkalmazták a SzFV vezérlés frekvencájának a meghatározására, ahol a csúszást a sebességszabályozó generálhatja [5], [18], [20]. Olcsóbb, ksebb számítás kapactást génylő vszont elfogadható pontosságú gyakorlat kvtelezésre alkalmas, mechanka érzékelő nélkül sebesség-szabályozásnak megfelelnek egyszerűbb megoldások s, melyek a csúszáskompenzálás eljárást alkalmazzák a sebesség vagy a frekvenca meghatározásához [1], [10], [21], [22]. Japánban már a 80-es évek végén par alkalmazást nyert egy egyszerű, nem túl gényes, de elfogadhatóan pontos sebességszabályozás, mely aktív (nyomaték-képző) áram-összetevővsszacsatoláson alapszk és CsKo-val alkalmaz IMO-t [15] 30

31 3.1. Csúszáskompenzálás drekt és ndrekt rotormező-orentácós struktúrákban (1/2) Az ndrekt (közvetett) mezőorentácó (IMO) a CsKo eljáráson alapul. A csúszás abszolút értékéből és a forgórész megmért ω r szögsebességből (mechanka szögben mérve) meg lehet határozn azt a szögsebességet ω λr = Δω + z p ω r, ω λs = ω λr = z p Ω 0 = 2πf s mely megfelel a sznkronsebességnek és megadja a betáplálás frekvencát. A csúszás számítása RMO-s struktúrákban Δω = sqλr / sdλr τ r 31

32 3.1. Csúszáskompenzálás drekt és ndrekt rotormező-orentácós struktúrákban (2/2) Drekt (közvetlen) mezőorentácó (DMO) esetén a λ mezőorentácós szöget a forgó orentácós fluxus állórész-orentált (sznuszos) kétfázsú összetevőből egy VA segítségével közvetlenül számoljuk k [1], [2], [11]. A mechanka érzékelő nélkül rendszerekben a forgórész-sebesség fel lehet használn a CsK-t ω = z p ω r = ω λr Δω, ahol ω vllamos szögben következk. Ilyen sebességérzékelő nélkül DMO-s vektoráls VH-t s javasoltunk az [1]-ben. A CsKo hátránya abban áll, hogy a csúszás számításához szükség van a rotor-paraméterekre, éspedg az R r -re, melynek az értéke a hőmérsékletváltozás matt széles határok között mozog és melynek az dentfkácója bonyolult és nagy számítás kapactást gényel 32

33 3.2. Kaszkád-kapcsolású szabályozóval generált sebesség-vsszacsatolás Azokban az áram ISzM-vel vezérelt FVI-s mechanka érzékelő nélkül KIM VH-kban, melyek a Japánban alkalmazott megoldáshoz hasonlóak, ahol kaszkádban kapcsolt aktív áram-szabályozóval generálják a sebesség vsszacsatolás értékét (vagy helyette akár nyomaték-szabályozót s lehet alkalmazn), mndnél k lehet küszöböln a CsKo alkalmazását és meg lehet szüntetn a R r - függőséget, ha olyan DMO-t alkalmazunk, melynél az orentácós mezőt az EMF ntegrálása alapján számoljuk.. Az mplementácóra alkalmas feszültség ISz-M-vel vezérelt FVI-s VHk esetében vszont a sztátor-feszültség számítását csak a KMO-val lehet R r -függetlenné tenn. Az alábbakban két lyen szabályozás rendszert kerül bemutatásra. 33

34 4. Kettős mezőorentácós sebességérzékelő nélkül szabályozás struktúrák A mechanka érzékelő nélkül hajtásokban a sebességvsszacsatolásban nem alkalmazunk CsKo-t és az orentácós fluxus dentfkálása az sztátor-feszültség egyenlete alapján történk a mért sztátor-áramok és feszültségek segítségével, (így az R r -függőség megszüntethető) Ezt a fluxus-dentfkácós módszert régebben nem lehetett alkalmazn FFJ ISzM-FVI nverterről táplált hajtások esetében. Napjankban egyébként, a dgtáls ISzM vezérlésnek köszönhetően, ez a módszer terjedt el a legnkább. Az szaggatott sztátor-feszültséget gyakran a mért EE-KK feszültségéből (U d ) és a DJF-VE által szolgáltatott ISzM logkából számolják k. Ennek a fluxus-dentfkácónak a gyakorlat megvalósításával járó nehézségek mplementácóban ma már megoldhatók. Például az deáls ntegrátort alul-áteresztő szűrőkkel meg lehet közelíten, mellyel elkerülhető az ntegrátor kmenőjelének a zérusfrekvencájú mérés maradékfeszültségek által okozott telítődése valamnt a kmenőjel eltolódása, melyet a bemenőjel kezdet fázshelyzete okozhat 34

35 4.1. Aktív áram-szabályozóval generált sebesség-vsszacsatolás A 2. ábrán bemutatott struktúrában a sebesség szabályozásához szükséges vsszacsatolás sebességértéket a SMO-s aktív (nyomaték-képző) áram-összetevő kaszkádba kapcsolt szabályozójával generáljuk. A struktúra több része megegyezk azzal a már szmulálás által érvényesnek elfogadott változattal, ahol vszont a sebesség vsszacsatolását mechanka érzékelő adta [13], [22], [23], [24]. A 2. ábrán bemutatott rendszerhez képest egy egyszerűbb struktúrát úgy képezhetünk k, hogy lemondunk a vezérlő ágban lévő két áramszabályozóról. Ebben az esetben a kaszkádkapcsolásban bekötött sebességet generáló áramszabályozó RMO-s aktív (nyomaték-képző) összetevővel dolgozk, hasonlóképpen az [1], [15], [16] és [17]-ben közölt változatokhoz. 35

36 Implementácóra alkalmas szabályozás struktúra (a) ábra. Mechanka-érzékelő nélkül egyszerűbb struktúrájú kettős mezőorentácós vektoráls ndukcós motoros hajtás nyomaték-képző aktív áram-szabályozóval generált sebesség-vsszacsatolással.

37 4.2. Nyomaték-szabályozóval generált sebesség-vsszacsatolás A 3. ábrána kaszkádban kapcsolt aktív áramszabályozó helyett nyomatékszabályozóval generáljuk a sebesség vsszacsatolás jelét. Az m e C nyomaték-számítás blokk SMO-s, míg a nyomaték alapjelét osztó blokk RMO-s összetevőkkel számol a (7) szernt EÁ mennységekkel. Az osztásra fel lehet használn a rotor-fluxus előírt alapjelét s. 37

38 Implementácóra alkalmas szabályozás struktúra (b) ábra. Mechanka-érzékelő nélkül kettős mezőorentácós vektoráls ndukcós motoros hajtás kaszkádban kapcsolt nyomaték-szabályozóval generált sebesség-vsszacsatolással.

39 5. Következtetések (1/2) A bemutatott mechanka érzékelő nélkül vektoráls szabályozás struktúrák egyszerűségét a kaszkádkapcsolású szabályzónak tulajdonítható, mely a nyomaték, lletve a nyomaték-képző aktív áramösszetevő szabályozásával generálja a sebesség-vsszacsatolás értéket. A kettős mezőorentácóval mndkét orentácós eljárás előnye érvényesíthető, ha megfelelő fluxus dentfkácót alkalmazunk. A fluxusra merőleges áram-összetevő mnden esetben aktív, azaz nyomaték-képző komponens, vszont a fluxussal egyrányú összetevő a kalckás ndukcós motornál csak abban az esetében arányos a szabályozott fluxussal, ha a forgórész-fluxus szernt orentálunk Ezért ajánlott a rotormező-orentácó a szabályozás struktúra vezérlő ágában 39

40 5. Következtetések (2/2) A térfázoros ISzM vszont a paraméter-függőség szempontjából sztátormező-orentácóval előnyösebb. Az mplementácó szempontjából a pac forgalomban lévő és a hajtástechnkának szánt dgtáls jelfeldolgozó vezérlőegységekkel való kompatbltást a térfázoros feszültség ISzM eljárás bztosítja mely a kommutácós veszteségek szempontjából optmzálható az úgynevezett kétfázsú (a harmadk fázs phen) Flat-Top szakaszos modulácóval, mellyel akár 30%-os veszteség-csökkentést s el lehet érn az nverterben, vagy ennek hálózat-barát egyenrányítóként vagy aktív szűrőként való alkalmazásánál [9], [10], [30], [31], [32] A tovább kutatás munka célja a bemutatott rendszernek a tanulmányozása MATLAB-Smulnk szmulácós programozás környezetben. 40

41 SZABÁLYOZÁSI STRUKTÚRÁK IMPLEMENTÁCIÓS LEHETŐSÉGI A pac forgalomban levő DSP-alapú motorvezérlő berendezések csak a nyílt hurkú feszültség mpulzus-szélesség modulácós eljárásokat pl. hordozó-/vvőhullámos (CW) vagy térfázor modulácó (SVM) támogatják, kzárva az áram-vsszacsatolásos modulácós módszereket. Következésképpen, a motor táplálása csak feszültségben vezérelt feszültségforrás-jellegű áramrányító-ról valósítható meg. A forgórész mezőoretácós rendszerekben az állórész-feszültség vezérlő mennységenek a számítása bonyolult és motorparaméter-függő (forgórész ellenállás R r, forgórész dőállandó τ r, szórás együtthatók σ ) Így a hajtás mnőség jellemző üzemközben leromolhatnak. 41

42 Implementálás részletek A MATLAB/Smulnk szoftver környezet a dspace vezérlőkártyával történő gyors mplemntácót támogatja A MATLAB/Smulnk szabályozás struktúrák automatkusan átkomplálhatók a célrendszeren valós dőben futtatható kódba A dspace gyártmányú DS1104 vezérlőkártya deáls a vektoráls szabályozások mplementácójára 42

43 Szakrodalom (1/7) [1] Kelemen Á., Imecs Mára: Vector Control of AC Drves, Vol. 1: Vector Control of Inducton Machne Drves, OMIKK-Publsher, Budapest, 1991, ISBN [2] Imecs Mára: A vllamos gépek modern szabályozás módszere a térfázor elmélet alapján, Plenárs előadás, XVI. Fatal Műszakak Tudományos Ülésszaka, FMTÜ Nemzetköz Tudományos Konferenca, Műszak Tudományos Füzetek, Erdély Múzeum Egyesület kadványa, Kolozsvár, 2011, ISSN , XIX-XLIV old. [3] Imecs M ra: Vllamos hajt sok szab lyoz sa ma szemmel. Plenárs előadás, ENELKO 2000, Energetka-Elektrotechnka Konferenca, EMT kad, Kolozsv r, 2000, 7-16 old. [4] Imecs M ra, Szabó Cs., Incze J. J.: Frekvencaváltós vllamos hajtások négynegyedes üzemmódban, ENELKO 2002 III. Energetka-Elektrotechnka Konferenca, EMT kad, Kolozsv r, 2002, pp old. [5] Imecs Mára, Incze J. J., Szabó Cs., Ádám T.: Váltakozó áramú hajtások skalárs és vektoráls szabályozás struktúrá, Plenárs előadás, ENELKO 2003 IV. Energetka-Elektrotechnka Konferenca, EMT kad, Kolozsv r, 2003, ISBN , 82-98, old.. 43

44 Szakrodalom (2/7) [6] Imecs Mára, Incze J. J., Szabó Cs., Ádám T., Szőke Benk Enkő: Ks és nagy teljesítményű hálózatbarát egyenáramú közbenső-körös frekvencaváltós hajtások, Plenárs előadás, ENELKO 2004, V. Nemzetköz Energetka- Elektrotechnka Konferenca, EMT kad, Kolozsv r, 2004, ISBN X, old. [7] Imecs, Mara: Synthess about pulse modulaton methods n electrcal drves, Part 1: Fundamental aspects, Plenárs előadás, Proceedngs of CNAE 98, Un. Craova kadó, Romana, 1998, old. [8] Imecs Mara: Synthess about pulse modulaton methods n electrcal drves, Part 2: Closed-loop current controlled PWM procedures, Plenárs előadás, Proceedngs of CNAE 98, Un. Craova kadó, Romana, old. [9] Imecs Mara: Synthess about pulse modulaton methods n electrcal drves, Part 3: Open-loop voltage-controlled PWM procedures. Plenárs előadás, Acta Unverstats CIBIENSIS, Vol. XLI Techncal seres, H. Electrcal Engneerng and Electroncs, "Lucan Blaga" Unversty of Sbu, 1999,15-26 old. [10] Imecs Mara, Open-loop voltage-controlled PWM procedures, Proceedngs of the 3 rd ELECTROMOTION Internatonal Conference, Patras, Greece, Volume I, 1999, old. 44

45 Szakrodalom (3/7) [11] Imecs Mára, Incze J. J., Szabó Cs.: Fluxus-dentfkácós és szabályozás módszerek kalckás ndukcós motorok mező-orentált hajtásrendszereben, ENELKO 2009 X. Nemzetköz Energetka-Elektrotechnka Konferenca, Marosvásárhely 2009, ISSN , old. [12] Imecs Mára: Kalckás ndukcós motorok forgó- és állórész mezőorentált vektoráls szabályozás rendszerenek összehasonlítása, ENELKO 2009 X. Nemzetköz Energetka-Elektrotechnka Konferenca, Marosvásárhely 2009, ISSN , old. [13] Imecs Mára, Szabó Cs., Incze J. J.: Kalckás ndukcós motorok vektoráls szabályozása kettős mező-orentácóval, ENELKO 2009 X. Nemzetköz Energetka-Elektrotechnka Konferenca, Marosvásárhely 2009, ISSN , old. [14] Holtz J.: Sensorless control of nducton motors, Proceedngs of the IEEE, Vol.90, No.8, Aug. 2002, old. [15] Akesh Maeda; Tung Ha Chn; Hrochrou, Tanaka; Takash, Koga; Ysugutos, Ohtan: Today s AC drve ndustral applcaton n Japan, 4 th European Conference on Power Electroncs and Applcatons, EPE 91, Florence, Italy, 1991, old. 45

46 Szakrodalom (4/7) [16] Imecs Mára, Negrea C. Aln, Szabó Cs., Incze J. J.: Sebesség-érzékelő nélkül aktív áram-szabályozáson és közvetett mező-orentácón alapuló vektoráls asznkron motoros hajtás szmulácója, ENELKO 2013 XIV. Nemzetköz Energetka-Elektrotechnka Konferenca, Nagyszeben, 2013, ISSN , old. [17] Negrea C. A., Imecs, Mara, Szabó Cs., Incze I. I.: Speed sensorless vector control system for nducton motors based on actve current and flux computaton, Proceedngs of the 4th Internatonal Conference MACRo 2013, Tg. Mures, Sapenta Unversty, 2013, ISSN , ISSN-L , old. [18] Imecs Mara, Szabó Cs.: Control structures of nducton motor drves - state of the art, Proceedngs of the 4th Workshop WESIC 2003, Lllafüred, Mskolc Egyetem kadó, 2003, ISBN , old. [19] Imecs Mara, Trzynadlowsk A. M., Incze I. I., Szabó Cs.: Vector control schemes for tandem-converter fed nducton motor drves, IEEE Transactons on Power Electroncs, 2005, Vol. 20, No. 2, old. 46

47 Szakrodalom (5/7) [20] Imecs Mára: A survey of the speed and flux control structure of squrrelcage nducton motor drves, Acta Unverstats Sapentae, Seres Electrcal and Mechancal Engneerng, No. 1, 2009, ISSN (onlne ISSN (nyomtatásban) 5-28 oldal. [21] Blaschke F.: Das Prnzp der Feldorenterung, de Grundlage für de Transvektor-Regelung von Drehfeldmaschnen, Semens-Zetschrft, 45, Heft 10, 1971, old. [22] Imecs Mara; Szabó Cs.; Incze I. I.: Vector control of the cage nducton motor wth dual feld orentaton, CINTI 2008, Budapest, 2008, ISBN , old. [23] Imecs M., Incze I. I., Szabó Cs.: Double feld orentated vector control structure for cage nducton motor drve, Scentfc Bulletn of the Poltehnca Unversty of Tmsoara, Transacton of Power Engneerng, Tom 53(67), Specal Issue, 2008, ISSN , old. [24] Imecs Mara, Incze I. I., Szabó Cs.: Dual feld orentaton for vector controlled cage nducton motors, Proc. of the 11 th IEEE Internatonal Conference on Intellgent Engneerng Systems, INES 2009, Barbados, CD-ROM, ISBN: , old. 47

48 Szakrodalom (6/7) [25] N. S. Preda, Mara Imecs, I. I. Incze: Vector control method for squrrelcage nducton motors usng dual feld orentaton, PRODOC Conference Volume, Un. Tehnca Cluj-Napoca, kadó, Kolozsvár, 2011, CD-ROM. [26] Preda N. S., Rus D. C., Imecs Mára, Incze J. J., Szabó Cs.: Vector control method usng dual feld orentaton for speed control of nducton motors, ENELKO 2011 XII. Nemzetköz Energetka-Elektrotechnka Konferenca, Kolozsvár, 2011, ISSN , old. [27] Preda N. Şt.: Optmzarea ş mplementarea controlulu vectoral cu orentare dublă după câmp al maşn asncrone cu rotor în colve, PhD doktor tézs, Kolozsvár Műszak Egyetem, 2011, Témavezető: Imecs Mára. [28] Incze I. I.: Implementarea unor structur de comandă scalară ş reglare vectorală pentru motoare de nducţe, PhD tézs, Kolozsvár Műszak Egyetem, 2004, Témavezető: Imecs Mára. [29] Incze I. I.; Imecs, Mára; Szabó, Cs.; Vásárhely J.: Orentaton-feld dentfcaton n asynchronous motor drve systems, 6 th IEEE Internatonal Carpathan Control Conference ICCC 2005, Lllafüred-Mskolc, 2005, Vol I, ISBN , old. 48

49 Szakrodalom (7/7) [30] Preda N. S., Incze I. I., Imecs Mara, Szabó Cs.: Flat-top space-vector modulaton mplemented on a fxed-pont DSP, 5 th Internatonal Symposum on Appled Computatonal Intellgence and Informatcs, SACI 2009, Temesvár, CD- ROM, ISBN: [31] Preda N. S., Rus D. C., Incze I. I., Imecs Mara, Szabó Cs.: Analyss and DSP mplementaton of flat-top space-vector modulaton, Scentfc Bulletn of Poltehnca Unversty of Tmşoara, Romana, Transactons on Automaton Control and Computer Scence (BS-UPT TACCS), Vol. 55 (69), No. 2, June 2010, old. [32] Preda N. S., Rus D. C., Incze I. I., Imecs Mara, Szabó Cs.: Fxed-pont DSP mplementaton of advanced dscontnuous PWM methods, 11 th Internatonal Carpathan Control Conference ICCC 2010, Eger, Mskolc Egyetem, 2010, ISBN , old. 49

50 Köszönetnylvánítás Dr. INCZE János Jób és Dr. SZABÓ Csaba munkatársamnak, akk számos közös tudományos munkánk társszerző, a szabályozás rendszerek szmulálására és mplementácós kísérletekre áldozott munkájukért, melyekkel alátámasztották a kutatás eredmények érvényességét és ötletül szolgáltak újabb megoldásokhoz 50

51 MVM Gábor Dénes Energetka Nemzet Díj dec. 20. Budapest - Parlament 51

52 MVM Gábor Dénes Energetka Nemzet Díj dec. 20. az M1 -TV híreben 52

53 MVM Gábor Dénes Energetka Nemzet Díj Dr. I M E C S M á r a vllamosmérnök, egyetem tanár, a Kolozsvár Műszak Egyetem mérnök-professzora Laudácó A vllamos hajtások, nevezetesen a kalckás asznkron motoros hajtások kettős mező-orentácós, vektoráls struktúrájának továbbfejlesztése és mplementácója terén elért eredményeért, mely a szabályozás struktúra paraméter-függőségét a mnmálsra csökkentve javítja a nyílt hurkú, feszültségben vezérelt ISzM (mpulzus-szélesség-modulácós) eljárásokat alkalmazó dgtáls jelfeldolgozó vezérlőegységet tartalmazó rendszerek mnőségét, ezzel s növelve a vllamos motorokban és generátorokban az energaátalakítás hatékonyságát, továbbá a felsőfokú oktatás, a doktorandusz képzés terén kfejtett eredményes tevékenységéért.

54 MVM Gábor Dénes Energetka Nemzet Díj 2012 Dr. I M E C S M á r a vllamosmérnök, egyetem tanár, a Kolozsvár Műszak Egyetem mérnök-professzora Köszönet Nagy meghatottsággal vettem át a díjat és vettem tudomásul, hogy bzalommal kezelték a kutatás eredményemet. In memoram szülemnek In memoram prof. Kelemen Árpádnak Még egyszer köszönöm mndenknek a bzalmát. 54

55 Köszönet NOVOFER Alapítványnak és Magyar Vllamos Műveknek 55

56 Köszönet a díjra jelölőmnek az EME részéről Dr. SIPOS Gábor, docens, az EME elnökének Dr. BITAY Enkő, docens,az EME főttkárának és az ajánlómnak Dr. GYENGE Csaba professzoroknak, a MTA külső tagja Dr. DÁVID László professzoroknak, a SAPIENTIA EMTE rektora hogy megtszteltek a bzalmukkal, am újabb lendületet adott a kutatása folytatására. 56

57 Köszönöm a megtsztelő fgyelmet! 57 XIV. Műszak Tudományos Ülésszak 2013 november Kolozsvár