Unidrive - a vektorszabályozás alappillére

Átírás

1 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 teljesítményigény 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 Ls' 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 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 L r = L 2 L m ### Teljes redukált tranziens Lm induktivitás L2 L s ' = L s - = L 1 Lm 2 L r LmL2 A szabályozás blokkvázlata Az aszinkron motor forgórészfluxus vektorszabályozásának egyszerûsített blokkvázlatát mutatja be a 2. ábra:

3 3 V dc T* Nyomatékszab. isy* - PI vsy* Derékszögrõl polárisra v * m* SVM IGBT inverter Feszültségszab. isx* PI vsx* Q v Q m - y r Szlipszámítás Q s Q ref isy xy id iv Fluxusmodell 1 1 str isx DQ iq iw Tr Tr optimalizáló Q r E I.M. 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 dqs = w slip. isy névleges isynévleges. y y 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 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, további (hardver) elemek alkalmazása nélkül. Azonnal belátható, hogy a zérus 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 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 nyomatékszabályozási 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 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 7 Egy 7,5 kw-os indukciós motor nyomatékfelfutási ideje 1-es csatorna Nyomatékelõállító áramalapjel 2-es csatorna Tényleges nyomatékelõállító áram 3-as csatorna U fázis árama