Mechanikai érzékelő nélküli kalickás indukciós motor kettős mező-orientációs szabályozásának implementációja SZABÓ Csaba, IMECS Mária, SZŐKE sz. BENK Enikő, INCZE János Jób Kolozsvári Műszaki Egyetem XV. Műszaki Tudományos Ülésszak 2014 november 21-22. - Kolozsvár
Összefoglalás 2 A dolgozat egy mechanikai érzékelő nélküli kalickás indukciós motor kettős mezőorientációs szabályozásának a gyakorlati implementációját mutatja be. A hajtómotor betáplálása nyílt hurkú feszültség típusú impulzus-szélességmodulációval (ISzM) vezérelt IGBT-s feszültség-forrás jellegű váltóirányítóról történik, A mechanikai érzékelő nélküli struktúrában a sebesség visszacsatolási jelet egy kaszkádkapcsolású nyomaték-szabályozó generálja, mellyel elkerülhető a rotorparaméter-függőség. Ugyancsak ezt a célt szolgálja a direkt mezőorientáció, mely az alkalmazott fluxus-identifikációs eljárásnak köszönhető. Ez az állórész feszültség-egyenletének az integrálásán alapul, és mellőzi a csúszáskompenzálást az orientációs fluxus pozíciószögének az identifikációjában. A vezérlési ágban a rotorparaméter-függőséget a kettős mezőorientációval küszöböljük ki. A gyakorlati implementációt a dspace cég által kifejlesztett DS1104 típusú személyi számítógépbe illesztett vezérlőkártya segítségével hajtottuk végre.
Tartalom 1. Bevezető 2. A kettős mezőorientációs sebesség-érzékelő nélküli hajtás 3. Implementációs eredmények 4. Következtetések 3
1. Bevezető Az utóbbi években a Mechanikai Érzékelők Nélküli (MÉN) rendszerek újra az érdeklődés központjába kerültek Előnyök: Kisebb méret Csökkentett zajérzékenység Szenzorok és szenzorkábelek kiküszöbölése Egyszerűbb hardver igény Barátságtalan környezetben való üzemeltetési lehetőség 4
Bevezető - Mechanikai Érzékelők Nélküli technikák Az évek során a MÉN technikák széles skáláját fejlesztették ki: nyílt hurkú becslők ( Open Loop Estimator ), MRAS - referencia modell alapú adaptív rendszerek ( Model Reference Adaptive System ), Luenberger megfigyelők ( Observer ), Kálmán-szűrős ( Kalman Filter ) eljárások, stb. A MÉN technikák legfőbb hátrányai: leszűkített sebességtartomány korlátozott ipari alkalmazhatóság rotorparaméter függőség 5
Bevezető - Mechanikai Érzékelők Nélküli technikák Az általunk ajánlott megoldás során a sebességvisszacsatolás jelét egy, a sebesség-szabályozóval kaszkádban kapcsolt nyomatékszabályzóval generáljuk. Ennek köszönhetően a sebesség identifikáció procedúrája rotor paraméter függetlenné válik. 6
Bevezető - Rotormező-orientáció Rotormező-orientáció rotor fluxus szabályozással Előny: Direkt RFSz Ψ r = ct esetén a mechanikai jelleggörbék lineáritásának tulajdoníthatóan jó statikus stabilitást és túlterhelhetőségi képességet kölcsönöz a hajtásnak. Hátrány Az állórész feszültség számítása fokozottan rotor paraméter függő (rotor ellenállás, rotor időállandó, stb.) 7
Állórész-áram összetevők RFO koordinátarendszerben i r Ψ r Elektromágneses nyomaték: m e = K M Ψ r i r Reaktív-fluxusképző áram- komponens: i sd r = i mr = Ψ r / L m Aktív-nyomatékképző áram- komponens: i sq r = - (1+σ r ) i r Az áramok és fluxusok fázor-diagramja i r Ψr esetén az állórész-áram rotor-fluxus orientált (RFO) összetevőivel 8
Bevezető - Sztátormező-orientáció Sztátormező-orientáció sztátor fluxus szabályozással Előny: Az állórész-mezőorientációnak (SFO) köszönhetően az állórészfeszültség szabályozási mennyiségeit a lehető legegyszerűbb módon lehet számítani, a két fajta elektromotoros feszültség különválasztásával, mely rotor-ellenállás függetlenséget és robusztus viselkedést biztosít. Hátrány A mechanikai karakterisztika nem lineáris A dinamikus viselkedés alulmarad a RMO RFSzhez képest 9
Állórész-áram összetevők SzFO koordinátarendszerben Az EMF szétcsatolt összetevői: Önindukciós EMF: e sd s = dψ s /dt (d) amit a Ψ s fluxus amplitúdó-változása hoz létre (állandósult állapotban zéro) Forgási EMF: e sq s = s Ψ s (q) amit az s = d s /dt szinkron sebességgel forgó állórész-mező indukál. Viszont: Fázor-diagram az állórész-feszültség származtatására az állórész-áram SzFO összetevőivel 10 i sdλs i ms = Ψ s /L m
Bevezető - Kettős mezőorientáció A feszültségben vezérelt, impulzus-szélességgel modulált (ISzM) áramirányítóval működő struktúra a Rotor-Fluxus Szabályozás (RFSz), Rotor-Fluxus-Orientációs (RFO) és Sztátor-Fluxus-Orientációs (SFO) eljárások előnyeit egyesíti: A mechanikai és mágneses mennyiségek szétcsatolt szabályozását rotormező orientációban végzi el, megtartva a rotor fluxus szabályozást A feszültség számítást sztátormező orientációban végzi el, kiküszübölve a rotor paraméter függőséget 11
2. A kettős mezőorientációs sebességérzékelő nélküli hajtás Kettős mezőorientációs eljárások - Visszatekintés Kezdetek: a vezérlő feszültség jelet generáló áram szabályozók sztátormező orientált koordinátarendszerben működtek Későbbiekben, a dinamikus viselkedés feljavítása érdekében az áramszabályozók átkerültek rotormező orientált koordinátarendszerbe 12
13 2. A kettős mezőorientációs sebességérzékelő nélküli hajtás KMO MÉN rendszerek - Visszatekintés A sebesség szabályozásához szükséges visszacsatolási sebességérték generálása: SMO-s aktív (nyomaték-képző) áram-összetevő kaszkádba kapcsolt szabályozója révén RMO-s aktív (nyomaték-képző) áramösszetevő kaszkádba kapcsolt szabályozója révén RMO-s kaszkádba kapcsolt nyomatékszabályozója révén (a dolgozatban ajánlott megoldás)
2. A kettős mezőorientációs sebességérzékelő nélküli hajtás 14
3. Implementációs eredmények A vizsgált Kalickás indukciós motor típusa: 1LA7-106 4AA10 SIEMENS Névleges adatok: P tn =2.2 kw, f N =50 Hz, U sn =230/400V eff, I sn =8,2/4,7A eff, n N =1420 ford/perc. Számított értékek: Névleges lektromágneses nyomaték: M en =15 Nm Névleges villamos szögsebesség 297 rad/s Névleges rotor fluxus 0.9 Wb DANFOSS gyártmányú, módosított VLT5004 frekvenciaváltó a KIM táplálását biztosítja 15
3. Gyakorlati implementáció Mechanikai terhelés 9,7 kw-os SIEMENS állandómágnes-forgórészű szinkrongép melyet egy SIEMENS gyártmányú SIMOVERT 4 negyedes fekvenciaváltó táplál, nyomatékvezérlési módban A próbapad vezérlését dspace DS1104 digitális jelprocesszoros vezérlőkártyán alapuló rendszer biztosítja 16
Implemetációs eredmények Forgásirányváltás 100 rad/s szögsebességről 60 rad/s-ra Rotorfluxus referencia 0.9 Wb Terhelőnyomaték 2 Nm 17 Az előírt(ref), a becsült (est) illetve a mért szögsebesség.. Az előírt(ref) és az aktuális rotorfluxus amplitudója..
Implementációs eredmények A sztátor áram rotor-mező-orientált (dλ r -qλ r ) összetevői. A sztátor áram sztátor-mezőorientált (dλ s -qλ s ) összetevői. 18
Implementációs eredmények A rotor-fluxus térfázor diagramja. A sztátor-fluxus térfázor diagramja. 19
Implementációs eredmények 20 A Ψ r rotor-fluxus sztátor-orientált kétfázisú d-q összetevőinek időbeli lefolyása Az állórész három fázis-áramának (i_a,b,c) időbeli lefolyása
Implemetációs eredmények Az állórész-feszültség időbeli lefolyása az a fázisban. Az elektromágneses nyomaték időbeli változása. 21
4. Következtetések Az alkalmazott sebesség identifikációs eljárással a visszacsatolási ágon kiküszöbölhető a rotorparaméterfüggő számítások nagy része. A kettős mezőorientáción alapuló szabályozási struktúra rotor-paraméter-függetlenséget biztosít a váltó-irányító vezérléséhez szükséges állórészfeszültség alapjeleinek a számításhoz. Az állórész-áram szabályozása rotormező-orientált összetevőkkel történő szabályozása megnöveli a hajtásrendszer dinamikáját és stabilitását nyomatékperturbációk esetén. 22
4. Következtetések 23 A rendszer jobb viselkedést mutat amennyiben a klasszikus PI jellegű szabályozót részben adaptív szabályozóval helyettesítjük. A szabályozási struktúra közvetett (indirekt) nyomatékszabályozást biztosít. Amennyiben a motor nyomatékát pontosabban szeretnénk szabályozni az aktív áramösszetevőt egy nyomaték-szabályozó segítségével állíthatjuk elő (direkt/közvetlen nyomatékszabályozás). Ez esetben megnő a szabályozási struktúra komplexitása és ennek következtében a számítási igény is, mely kritikus tényező lehet a próbapadi implementáció során.
24 Köszönöm a megtisztelő figyelmet!