EME Műszak Tudományok Szakosztálya a Magyar Tudomány Napja Erdélyben XIV. Műszak Tudományos Ülésszak 2013 november 22. - 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
EME Műszak Tudományok Szakosztálya a Magyar Tudomány Napja Erdélyben XIV. Műszak Tudományos Ülésszak 2013 november 22. - 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
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
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
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
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
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
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, 1991. [2] Imecs Mára: A vllamos gépek modern szabályozás módszere a térfázor elmélet alapján, Plenárs előadás, XVI. FMTÜ, Erdély Múzeum Egyesület kadványa, Kolozsvár, 2011 8
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
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
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, 1999. 11
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 2009. [12] Imecs Mára: Kalckás ndukcós motorok forgó- és állórész mezőorentált vektoráls szabályozás rendszerenek összehasonlítása, X. ENELKO 2009, Marosvásárhely 2009. [13] Imecs Mára, Szabó Cs., Incze J. J.: Kalckás ndukcós motorok vektoráls szabályozása kettős mező-orentácóval, X. ENELKO 2009, Marosvásárhely 2009. 12
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
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. 2002 14
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, 1991. [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. [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, 2013. 15
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 1991 - Volume 1: Vector Control of Inducton Machne Drves (OMIKK Publsher, Budapest) 16
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
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 2009. 18
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Implementácóra alkalmas szabályozás struktúra (a) 36 2. ábra. Mechanka-érzékelő nélkül egyszerűbb struktúrájú kettős mezőorentácós vektoráls ndukcós motoros hajtás nyomaték-képző aktív áram-szabályozóval generált sebesség-vsszacsatolással.
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
Implementácóra alkalmas szabályozás struktúra (b) 38. 3. ábra. Mechanka-érzékelő nélkül kettős mezőorentácós vektoráls ndukcós motoros hajtás kaszkádban kapcsolt nyomaték-szabályozóval generált sebesség-vsszacsatolással.
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
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
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
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
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 963 593 140 9. [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 2067-6 808, http://eda.eme.ro/handle/10598/13994, 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. 53-58.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 973-86097-5-5, 82-98, old.. 43
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 973-86852-9-X, 86-96 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, 19-28 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, 1998. 29-33 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, 285-290 old. 44
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 1842-4546, 60-65 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 1842-4546, 66-71 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 1842-4546, 72-77 old. [14] Holtz J.: Sensorless control of nducton motors, Proceedngs of the IEEE, Vol.90, No.8, Aug. 2002, 1358-1394 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, 2-618-2-624 old. 45
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 1842-4546, 54-59 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 2247 0948, ISSN-L 2247 0948, 154-163 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 963 661 570, 495-510 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,. 493-501 old. 46
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 2066-8910 (onlne http://www.acta.sapenta.ro/acta-emeng/emeng-man.htm), ISSN 2065-5916 (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, 757-760 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 978-963- 7154-82-9,. 47-58 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 1582-7194, 135-140 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: 978-1-4244-4111-2, 143-148 old. 47
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 1842-4546, 68-74 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 963 661 644 2, 131-136 old. 48
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: 978-1-4244-4478-6. [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, 73-80 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 978-963-06-9289-2, 149-152 old. 49
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
MVM Gábor Dénes Energetka Nemzet Díj 2012. dec. 20. Budapest - Parlament 51
MVM Gábor Dénes Energetka Nemzet Díj 2012. dec. 20. az M1 -TV híreben 52
MVM Gábor Dénes Energetka Nemzet Díj 2012 53 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.
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
Köszönet NOVOFER Alapítványnak és Magyar Vllamos Műveknek 55
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
Köszönöm a megtsztelő fgyelmet! 57 XIV. Műszak Tudományos Ülésszak 2013 november 22. - Kolozsvár