Mezőorientált szabályozású áraminverteres hajtás A mérés célja: Az áraminverter működésének megismerése. A közvetett mezőorientált szabályozás vizsgálata. A mikroszámítógépes irányítás tanulmányozása. A fejlesztőrendszer megismerése. A méréshez használt főbb eszközök: IM MD M A1 A2 A3 V1 ICE DT háromfázisú, kalickás forgórészű aszinkron motor, EVIG VZ 132 S4 tip. 5,5kW, 380/220V, 50Hz, 12/20.8A, 1440/min mérlegdinamó (terhelőgép), EVIG EFK 41 N4 tip. 5kW, 230V 22A, 1000/min, U g =220V, I g =0,97A, mérlegkar hossza: 0.716m Nyomatékmérő és vektorrajzoló műszer (tanszéki fejlesztés). Deprez árammérő. Deprez alapműszer 60mV, 5mA, 50A-es sönttel. Deprez árammérő. Deprez voltmérő. MICE-IIS in-circuit emulator Mikrotec. Inkrementális szöghelyzet adó. Heidenhain ROD 426B. 4096 imp/rot. (négyszerezve kiértékelve) SZ1 IBM PC AT Az ICE terminálja, a software fejlesztés eszköze. SZ2 IBM PC AT Felügyelő számítógép. ÁV Áramváltók. 100/1A R a Lezáró ellenállás. 30Ω Oszc. Digitális tárolós kétcsatornás oszcilloszkóp. 1. Az áraminverter működése. A viszonylag nagy fojtót tartalmazó, és így áramgenerátoros táplálást biztosító egyenáramú körhöz csatlakozik az 1. ábrán látható áraminverter. Állandósult állapotban a kapcsolás és vezérlés szimmetriája miatt elegendő az inverter működésének egy ütemét (1/6-od periódusát) vizsgálni. Nézzük pl. azt az ütemet, ami alatt az egyenáram a motor b fázisáról a c-re vált át, az N oldali c fázis tirisztorának gyújtása hatására. Ekkor az egy ütemen belüli vezetési állapotok a 2. ábra szerint követik egymást. A vizsgált ütem a TNc tirisztor gyújtásával kezdődik. Hatására a TNb tirisztor gyakorlatilag pillanatszerűen kialszik, a kialakuló áramkörben a két soros kondenzátort állandó áram tölti. A 3. ábrán levő Park-vektor pályák mellé írt számok a 2. ábra szerinti vezetési állapotokat jelzik. Az 1. szakaszban kezdődik a kondenzátorok áttöltődése. A Q-val jelölt pillanatban az N oldali kondenzátorok és a motor b-c vonali feszültsége egyenlővé válik, a DNc dióda vezetésbe lép. A 2. jelű szakasz (fedés) alatt zajlik le a motor áramának kommutációja a b-c fázisok között. DNb kialvása után (3) áram csak a motor két fázisában folyik, ekkor a kondenzátorok töltése állandó marad. A soronkövetkező új ütemben a P oldali kondenzátorok játszanak aktív szerepet, s a kommutáció a motor a és b fázisa között zajlik le a P oldalon. 1
2. Mezőorientált szabályozás A mezőorientált szabályozás elve a 4. ábrán látható vektorábrán alapul. A rendszer szétcsatolása céljából a motor állórész áramát felbontjuk rotor fluxus irányú fluxusképző és arra merőleges nyomatékképző összetevőkre. Ezzel a két összetevővel a fluxus és a nyomaték egymástól függetlenül szabályozható hasonlóan az egyenáramú géphez. A szétcsatolás történhet a fluxus tényleges felhasználásával (közvetlen módszer), vagy a szabályozó alapjeleinek felhasználásával (közvetett módszer). A mérés során a közvetett mezőorientáció megvalósítását vizsgáljuk. Az áramgenerátoros táplálás miatt elegendő a rotoregyenletből kiindulni, melyből a nem mérhető rotoráramot kiküszöbölve a következő egyenletekre juthatunk: i d ψr dψr 1 = + L dt R m R w R iqr = ψ R A nyomatékképző áramkomponenst a nyomaték kifejezéséből kaphatjuk: { } m= Im $ψri = ψ Riq A valóságos áraminverterben az áram nagyságát ( i ) és szögét (ϑ) tudjuk kényszeríteni álló koordináta rendszerben. Ehhez szükség van egy Descartes-polár transzformációra, és egy forgóból álló koordináta rendszerbe való transzformációra. Szerencsére ez utóbbi polár koordinátákban csak egy szög összeadást jelent, amihez viszont a rotorfluxus álló koordinátarendszerbeli szöghelyzete szükséges (ρ). Ez a rotorfluxus szögsebességének ( ami azonos a szinkron szögsebességgel) integrálásával állítható elő. Ezek alapján a szabályozás blokkvázlata felrajzolható (5. ábra). A nyomaték alapjelet a fordulatszám szabályozó kimenete szolgáltatja. 3. A mikroszámítógépes irányítás A viszonylag egyszerűbb közvetett mezőorientált szabályozás is viszonylag nagy számítási teljesítményt igényel. Ezt egy kétprocesszoros mikroszámítógép valósítja meg, amiben a nagy számítási teljesítményt egy digitális jelprocesszor szolgáltatja (TMS32010). Az irányító egység hardware blokkvázlata a 6. ábrán látható. Hardware elemek: Processzor: CPU Z80A APU TMS32010 digitális jelprocesszor I/O: Soros port, Billentyűzet és kijelző illesztés, APU illesztés, Illesztés az erősáramú kör felé. Visszacsatolások: Fordulatszám: DT inkrementális szöghelyzetadó, mintavételi idő 3.333ms Egyenáram: közvetett AD átalakítás (U/f átalakító + számláló), mintavételi idő 3.333ms Gyújtásvezérlők: Hardware típusú gyújtásvezérlő kártyák. (GVH, GVM) Egyéb: Szinkronizálás a hálózathoz (Sync.), Programozható frekvencia osztó a megkívánt frekvenciával arányos frekvencia előállítására (N/4096) R 2
Software struktúra: Z80 assembler: rendszer szubrutinok, mintavételezést kiszolgáló szubrutinok C modulok: operációs rendszer. TMS32010 assembler: irányítási algoritmus A hajtás fejlesztési folyamatának bemutatására az irányító egység egy in-circuit emulátorhoz csatlakozik (ICE). A felsőbbszintű irányítás lehetőségének biztosítására kiépített soros vonalra egy számítógép csatlakozik (SZ2). A mérés teljes elrendezési vázlata a 7. ábrán látható. 4. Elvégzendő feladatok 1. A hajtás fejlesztési környezetének megismerése és tanulmányozása. 2. Az áraminverteres hajtás jellegzetes Park-vektor pályáinak tanulmányozása. Az ideálistól való eltérésének magyarázata. 3. Az egyes mennyiségek léptékezése, a visszacsatolt mennyiségek felbontásának számítása (a névleges értékre vonatkoztatva): Fordulatszám (frekvencia) felbontás. A fordulatszám mintavételi idő: 3.333ms A rotorfrekvencia felbontása. Az áram felbontása. Az áram mintavételi ideje 3.333ms. U/f átalakító: 10V 500kHz A nyomatékszög felbontása. A motoroldali hardware típusú gyújtókártya 4092-es felbontású. 4. A nyomatéklüktetés vizsgálata. Terhelés függésének vizsgálata. 5. A mezőorientált szabályozás vizsgálata az i d -i q síkon. Az áram abszolút értékének és szögének ellenőrzése az alapjelek alapján. (i d =512 gépi egység) 6. A szabályozás paraméter érzékenységének vizsgálata. R R változtatásának hatása a motor fluxusára, a hajtás tranziens viselkedésére. Az előző pontbeli ellenőrzés végrehajtása rossz rotorellenállás érték esetén. A kapott eredmény magyarázata. 3
1. ábra. Az áraminverter kapcsolása 2. ábra. A kommutáció folyamata 4
b. áram a. feszültség 3. ábra. A jellegzetes Park-vektor pályák 4. ábra. A mezőorientált szabályozás vektorábrája 5. ábra. A közvetett mezőorientált szabályozás blokkdiagramja 5
6. ábra. Az irányító egység blokkdiagramja SZ2 SZ1 mikroprocesszoros irányító ICE R a DT 3x380V 380/220 ÁV EI A1 L e V1 INV M oszc. IM A2 MD R t A3 R g 220V = 7. ábra. Mérési elrendezés 6