Štirikvadrantni pogonski sistem za TFM motorje moči 50 kw

Transcription

1 Štirikvadrantni pogonski sistem za TFM motorje moči 50 kw Miran Rodič *, Jože Korelič *, Franci Lahajnar, Uroš Rpar, Ciril Močnik * Univerza v Maribor, Faklteta za elektrotehniko, račnalništvo in informatiko Smetanova l. 7, SI2000 Maribor Kolektor Grop d.o.o. Vojkova lica 0, SI5280 Idrija miran.rodic@nimb.si, joze.korelic@nimb.si, Franci.Lahajnar@kolektor.com, ros.rpar@kolektor.com, ciril.mocnik@kolektor.com 50 kw forqadrant TFM drive system A 50kW inverter system for forqadrant transverse flx machine (TFM) was developed in the frame of CCSURE project. The system enables bidirectional energy flow between power grid and electric machine, as well as power factor correction. In the frame of hardware design a threephase switching inverter, which ses IGBTs as switches, was developed. It can be sed either as an active threephase rectifier or an inverter for electric motors. Driver circits are integrated with the IGBT modle. Implementation with galvanic isolated triggering was chosen. Air and water cooling are possible. The software is exected on 32 bit microcontroller with digital signal processor core, withot floating point nit (FPU). The basis is eventoriented control system, which is implemented sing microcontroller interrpt logic. Not only the realtime algorithms, bt also protective fnctions are implemented as interrpt rotines. Kratek pregled prispevka V okvir projekta KCSURE je bil razvit štirikvadrantni pretvornik za pogonski sistem električnih motorjev s prečnim flksom (TFM). Sistem omogoča dvosmerni pretok energije med omrežjem in električnim motorjem in korekcijo faktorja moči. V okvir strojne opreme je bil izdelan trifazni stikalni pretvornik, ki kot stikala porablja IGBT tranzistorje. Uporabljen je lahko kot aktivni trifazni smernik ali kot razsmernik za napajanje izmeničnih motorjev. Prožilna stopnja je integrirana z IGBT modlom. Izbrana je bila izvedba galvansko ločenega proženja. Možna je izvedba z vodnim ali zračnim hlajenjem. Programska oprema se izvaja na 32 bitnem mikrokrmilnik z jedrom digitalnega signalnega procesorja, vendar brez enote za račnanje s plavajočo vejico (FPU). Osnova je dogodkovno orientiran sistem vodenja, ki je izveden z porabo prekinitvene logike mikrokrmilnika. Kot prekinitvene rtine niso izdelani samo programi za delovanje v realnem čas, ampak tdi velik del zaščitnih fnkcij.

2 Uvod Električni motorji sodijo med najpomembnejše porabnike električne energije, ki pa s stališča prevzemanja energije iz električnega omrežja ne deljejo najbolj optimalno. Težave nastanejo predvsem zaradi faktorja moči, ki je različen od. Tok iz omrežja tako ni več sinsne oblike, temveč se v njem pojavijo višjeharmonske komponente, kar vpliva na kvaliteto električne napetosti omrežja. Posledično prenos električne moči ni več optimalen, pojavljajo se tdi motnje, ki negativno vplivajo na delovanje drgih naprav. Težave so še toliko večje, če gre za električne motorje večjih moči. Da bi se tem izognili, namesto klasičnega diodnega smernika v sodobnih elektromotornih pogonih porabljamo smernike s korekcijo faktorja moči (PFC) [], [2], [3], [4], [5]. Na ta način zagotovimo, da ima fazni tok (ali vsi trije fazni toki, če gre za trifazni vir) obliko fazne napetosti in se elektromotorni sistem glede na električno omrežje obnaša kot navadno porovno breme, torej prevzema iz njega praktično samo delovno energijo. V idealnem primer, ki ga distribterji znajo zelo ceniti, je mogoče faktor moči tdi nastavljati, glede na potrebe omrežja, in tako kompenzirati vplive jalove energije ostalih bremen. Dodatno se v indstriji pogosto pojavi potreba po štirikvadrantnem delovanj, kar pomeni da mora biti omogočeno tdi vračanje energije v omrežje. To ni koristno samo s stališča energije omrežja, temveč pomeni tdi, da odvečno energijo na pogon prenesemo v omrežje in je ni treba porabiti v sistem samem, npr. z porabo zaviralnih porov. S tem se zmanjšajo potrebe po hlajenj sistema. Električni motorji, še posebno izmenični, tdi sicer za svoje kvalitetno delovanje potrebjejo vodenje, s katerim zagotavljamo ne samo sledenje želenim veličinam (hitrost, navor, ), temveč tdi optimalno delovanje s stališča porabe energije in manjšanja disipativnih izgb, ki povzročajo segrevanje motorja ter s tem krajšanje njegove življenjske dobe. Osnovni principi vodenja so opisani v delih [6], [7], [8]. V nadaljevanj opisani pretvorniški sistem ndi porabnik vse navedene možnosti, štirikvadrantno delovanje z nastavljivim faktorjem moči ter možnostjo vračanja energije v omrežje. V okvir projekta je bil tako na podlagi izdelane štdije in zasnove sistema, podprte s simlacijskimi rezltati, skonstriran in izdelan fnkcionalni model sistema trifaznega štirikvadrantnega stikalnega pretvornika s korekcijo faktorja moči (PFC) in pretvornika za vodenje izmeničnih motorjev (sinhronskih motorjev s trajnimi magneti, PMSM). Sistem je namenjen napajanj in vodenj trifaznih električnih motorjev moči do 50 kw. Sestavljata ga dva trifazna stikalna pretvornika, ki sta med seboj povezana preko enosmerne zbiralke. Izdelane so bile osnovne komponente fnkcionalnega modela, strojna in programska oprema. 2 Opis sistema Pretvorniški sistem kaže blokovna shema (Slika ). Na sliki so podane tdi nekatere karakteristike sistema. 3f 400V PFC 2 x 400V UDC= 450V 700V Slika : Pretvorniški sistem 50 kw TFM PF= rpm P=8 Sestavljata ga dva trifazna pretvornika s po šestimi polprevodniškimi stikali (Slika 2), kar je klasična strktra trifaznih pretvornikov. Pretvornika sta med seboj povezana preko enosmerne zbiralke, na kateri je za zmanjšanje valovitosti napetosti porabljen kondenzatorski blok (na sliki ponazorjen s C ). Vklopno/izklopni releji niso prikazani. Pretvornik je na omrežje povezan preko reaktorskih dšilk, električni motor pa je lahko prikljčen neposredno. Omrežje je ponazorjeno s tremi napetostnimi viri, vidimo lahko, da je sistem prikljčen na medfazno napetost. V nadaljevanj bosta prikazana principa vodenja aktivnega smernika (PFC) in

3 električnega motorja (sinhronski motor s trajnimi magneti, PMSM). Slika 2: Elektronsko vezje pretvornikov 3 Modeliranje in vodenje PFC Princip vodenja bo podan na podlagi nadomestne sheme (Slika 3), kjer bo namesto dejanskega bremena (pretvornik električnega motorja s prikljčenim PMSM) porabljen kar por R load, ki bo ponazarjal obremenitev. 3. Model PFC Model je izdelan za primer simetričnega vezja (dšilke in stikalni elementi so enaki), deljočega v linearnem območj (izven zasičenj) [9], [0]. Slika 3: Model PFC Zapišemo ga z enačbo: i i f d L i 2 2 R L i 2 f 2 i i C f 3 du i U R load () kjer je L indktivnost dšilke (reaktorja), C kapacitivnost kondenzatorskega bloka na enosmerni zbiralki, R L pornost navitja dšilke (reaktorja), R load pornost bremena, U napetost na enosmerni zbiralki in i tok v enosmerno zbiralko. i, i 2, i 3 so fazni toki (toki skozi dšilke),, 2, 3 fazne napetosti (omrežne napetosti), f, f2, f3 pa modlacijske napetosti. 3.2 Vodenje PFC Načrtovani algoritem porablja vektorsko vodenje toka v orientaciji napetosti omrežja ter nadrejeno reglacijo napetosti na izhod (enosmerni zbiralki pretvornika). Vodenje omogoča štirikvadrantno robstno delovanje v relativno širokem področj parametrov, obenem pa je dovolj enostavno za preprosto in zanesljivo izvedbo na predvideni mikrokrmilniški platformi. Pretvorbo v koordinate napetostnega vira (v našem primer omrežja) izvedemo z porabo znanih Parkove in Clarkine transformacije. Transformacijski kot Θ izračnamo z porabo: atan 2,. (2) kjer napetosti v a in b dobimo z porabo (3) in (4): b a 3 b a, (3) 3 2, (4) Napetost v koordinatah vira izračnamo z: sin cos, (5) d a b cos sin. (6) q a b Tdi tok skozi navitja je za potrebe algoritma vodenja zapisan v koordinatah napetosti vira (omrežja): sin i i cos i, (7) d a b cos i i sin i. (8) q a b kjer i a in i b dobimo z porabo (9) in (0): b ia 3 Model je zapisan kot: di di i, (9) 3 2 i i i, (0) d L d RLid Liq fd q L q RLiq Lid fq du U C i iload id Sd iqsq R load ()

4 kjer sta i d in i q fazna toka v koordinatah napajalne napetosti, d in q fazni napetosti v koordinatah napajalne napetosti, rd in rq modlacijski napetosti v koordinatah napajalne napetosti ter kotna frekvenca omrežne napetosti. S d in S q predstavljata faktorja odprtja v koordinatah napajalne napetosti. Vodenje je izvedeno z znanjo napetostno in notranjo tokovno reglacijsko zanko, ločeno po koordinatah (vzdolžni d in prečni q). Če želimo doseči sofaznost omrežne napetosti in toka, moramo komponento q postaviti na ničelno vrednost, vzdolžno komponento toka (d) pa določamo z reglatorjem napetosti enosmerne zbiralke (U ). Uporabimo PI reglatorje, ki kljb svoji preprosti strktri in izvedbi zadostijo predpisanim zahtevam. Algoritem vodenja zaradi enostavnosti podamo v grafični obliki (Slika 4). Izhod je modlacijski signal, ki streza modlacijski napetosti. U U i d i q i d i q Slika 4: Algoritem vodenja PFC Z porabo algoritma vodenja dobljeno modlacijsko napetost v koordinatah napetostnega vira pretvorimo v modlacijsko napetost v fiksnih koordinatah z porabo enačb: v d v q sin cos, (2) fa fd fq cos sin. (3) fb fd fq Fazne modlacijske napetosti dobimo z porabo enačb (4) (6): f fa d q fd fq (4) (5) 3 f 2 2 fa 2 fb (6) 3 f 3 2 fa 2 fb 4 Modeliranje in vodenje PMSM Tdi vodenje PMSM je izvedeno vektorsko, po podobnem princip kot vodenje PFC, le da porablja drg koordinatni sistem koordinatni sistem rotorskega polja. 4. Model PMSM Za model je porabljen klasični model sinhronskega motorja [6], [7], [8], ki omogoča predstavitev in simlacije sinhronskih motorjev s površinskimi in potopljenimi magneti. Model motorja je podan in izveden v koordinatah rotorskega polja: sd Rs pr Lq isd sq p i rld R s sq,(7) Ld 0 d isd 0 pr 0 L q i sq e 3p Te eisq Ld Lq isdisq, (8) 2 d, (9) r J Te TL d r r, (20) p, (2) e kjer sta sd in sq napetosti na sponkah statorja v koordinatah rotorskega polja ter i sd in i sq toka skozi statorsko navitje v koordinatah rotorskega polja. e predstavlja magnetni pretok rotorja, R s pornost statorskega navitja, L d lastna indktivnost statorskega navitja v dosi (vzdolžni) in L q lastna indktivnost statorskega navitja v qosi (prečni), p število polovih parov, ω r hitrost vrtenja rotorja, J vztrajnostni moment motorja, T e proizvedeni navor motorja, T L navor obremenitve motorja, Θ e transformacijski kot (orientacija polja) ter Θ r kot zaska rotorja. Podariti je potrebno, da v primer porabe sinhronskega motorja s površinskimi magneti velja: 4.2 Vodenje SPMSM r Ld Lq Ls. (22) Vodenje je izvedeno po klasičnem in veljavljenem postopk, ki ga v literatri imenjejo vektorsko vodenje (pogosto je porabljena kratica FOC).

5 Z porabo Parkove in Clarkine transformacije pretvorimo model in dobimo zapis v koordinatah statorja. Transformacijski kot Θ e v našem primer izmerimo (na gredi rotorja), lahko pa ga tdi dobimo iz observerja ali estimatorja. Tok v statorskih koordinatah dobimo z porabo (23) in (24): i i, (23) sa s sb 3 s3 s2 i i i, (24) kjer so i s, i s2 in i s3 fazni toki skozi statorsko navitje. Tok v koordinatah rotorskega polja izračnamo z: sin i i cos i, (25) sd sa e sb e cos i i sin i. (26) sq sa e sb e Vodenje je izvedeno z znanjo hitrostno in notranjo tokovno reglacijsko zanko, prikazano ločeno po koordinatah (vzdolžni d in prečni q). Če želimo doseči maksimalni navor ob minimalnem tok, moramo vzdolžno komponento d postaviti na ničelno vrednost, prečno komponento toka (q) pa določamo z reglatorjem hitrosti vrtenja rotorja. Spet porabimo PI reglatorje, ki tako kot v primer vodenja PFC zadostijo predpisanim zahtevam. Algoritem vodenja zaradi enostavnosti podamo v grafični obliki (Slika 5). Izhod je napetost na sponkah statorja PMSM. r r i sq i sd i sq i sd Slika 5: Algoritem vodenja PMSM Iz napetosti v koordinatah rotorskega polja dobimo napetost v fiksnih koordinatah statorja z porabo enačb: sin sq sd cos, (27) sa sd e sq e cos sin. (28) sb sd e sq e Fazne napetosti pa dobimo z porabo enačb: s (29) sa (30) 3 s2 2 sa 2 sb (3) 3 s3 2 sa 2 sb Dejansko gre preprosto povedano za razklopitev vodenja po navor in magnetnem pretok, kar izvedemo preko streznih transformacij toka, ki ga preslikamo v koordinatni sistem rotorskega polja. Preko komponente d (vzdolžne) tako krmilimo magnetenje toka, preko prečne komponente (q) pa navor. V primer višje dinamike sistema motorja je potrebno izvesti še dodatno razklopitev med magnetilno in navorno komponento statorskega toka. Na ta način postane vodenje posameznih vej popolnoma neodvisno. 5 Strojna in programska oprema Strojna oprema sistema je sestavljena iz dveh glavnih komponent: sistema močnostne elektronike in električnega motorja. 5. Pretvorniški sistem Pretvorniški sistem predstavljata dva trifazna stikalna pretvornika, ki kot stikala porabljata IGBT tranzistorje. Stikalni pretvornik je tako porabljen kot aktivni trifazni smernik ali kot razsmernik za napajanje izmeničnih motorjev. Prožilna stopnja je integrirana z IGBT modlom. Ker je prostor med prikljčki modla zelo omejen, je bilo potrebno zelo skrbno načrtovanje tako prožilne stopnje, kot tdi napajanja in razporeditve elementov. Izbrana je bila izvedba galvansko ločenega proženja, ki zagotavlja mnoge zaščitne fnkcije in optimalno izvedbo proženja tranzistorjev. Tiskano vezje je v štiri slojni izvedbi, s čimer je bila omogočena optimalna izvedba prožilne stopnje. Na prožilno stopnjo je predvideno vgraditi modl merilnika faznih napetosti in napetosti enosmerne zbiralke ter modl DC/DC pretvornika navzgor, ki omogoča prilagoditev potrebne napetosti za prožilno stopnjo razpoložljivi vhodni napetosti. Izvedena je tdi

6 galvanska ločitev merilnika napetosti. Za meritev faznih tokov je bila izbrana izvedba treh senzorjev s Halovo sondo. Na modl je izvedena prilagoditev napajanja, prilagoditev merilnega območja in prilagoditev napetostnem območj A/D pretvornika. Dodatni IGBT modl z diodo omogoča reglacijo toka dodatne zavore. Tiskano vezje zavore vsebje vse potrebne komponente za to izvedbo. Modl vsebje galvansko ločeno prožilno stopnjo, galvansko ločeno napajanje in merilnik toka. Tiskano vezje enosmerne zbiralke je optimizirano tako, da so povezave med obema IGBT modloma čim krajše, istočasno pa morajo imeti strezno velik presek, da zadostijo zahtevi po tokovni obremenitvi. Dodatno zmanjšanje dimenzij in povezav je bilo doseženo s sendvič izvedbo oziroma vzporedno vezavo dveh modlov. Da imajo povezave in prikljčki dovolj velik presek je bila izbrana izvedba dvoslojnega tiskanega vezja z debelino 05µm. Za povezavo vseh naštetih modlov z mikrokrmilnikom skrbi povezovalni modl s konektorji in za signale potrebnimi prilagoditvenimi vezji. Opremljen je s konektorji za povezavo vseh notranjih modlov: proženja, merilnika napetosti, merilnika toka, zavornega modla, znanjih senzorjev položaja, preko zaščitnih vhodnih vezij za digitalne vhode, tokovnih ojačevalnikov za digitalne izhode, priklopa napajalnika za elektroniko, komnikacijo z nadrejenim račnalnikom in s konektorjem za priklop mikrokrmilnika. Hlajenje močnostnih modlov je izvedeno s hladilnikom za vodno hlajenje, ki je bil za ta projekt posebej načrtovan. Izvedba ohišja omogoča enostaven in hiter dostop do vseh delov pretvornika, kar je pomembno za izvajanje meritev in testiranja. Sestavljen pretvorniški sklop kaže Slika 6. Slika 7 kaže osnovno ploščo z mikrokrmilnikom. Osnovo modla predstavlja 32b mikrokrmilnik proizvajalca Freescale, MPC5604P, z jedrom digitalnega signalnega procesorja, vendar brez enote za račnanje s plavajočo vejico (FPU). Slika 6: Sestavljen pretvorniški sklop Slika 7: Osnovna plošča z mikrokrmilnikom 5.2 Električni motor PMSM Kot elektromotor je predviden sinhronski motor s trajnimi magneti (kažeta ga Slika 8 in Slika 9), ki zaradi boljše izkoriščenosti magnetnega materiala porablja koncentratorje polov. Slika 8: Stator PMSM Motor ima znanji rotor in nazivni navor 70 Nm pri hitrosti vrtenja rotorja 7000 rpm. Izdelan

7 je za napetost 400V. Zaradi visoke vrtilne hitrosti je število polovih parov majhno, dodatno značilnost motorja pa predstavljajo nizke izgbe v navitj ter znižane vrtinčne izgbe. Slika 9: Rotor PMSM 5.3 Programska oprema Programska oprema se izvaja na ciljnem mikrokrmilniškem sistem. Osnova programske opreme je dogodkovno orientiran sistem vodenja, ki je izveden z porabo prekinitvene logike mikrokrmilnika. Kot prekinitvene rtine niso izdelani samo programi za delovanje v realnem čas, ampak tdi velik del zaščit, kot so npr. pretokovne in prenapetostne zaščite in napake delovanja stikal pretvornika. Izdelana programska oprema omogoča preizkšanje strojne opreme, vodenje smernika s korekcijo faktorja moči in vodenje izmeničnega motorja. Načrtovana je na podlagi avtomata stanj, kar omogoča izboljšano preglednost in s tem zanesljivejše delovanje. Dodatno je s tem poenostavljeno iskanje napak. Izdelan je tdi pripadajoč porabniški vmesnik, ki omogoča preizkšanje sistema. Poseben podarek v programski opremi je na zaščitnih fnkcijah, ki predstavljajo pomemben del kode. Izvedene so znotraj programa za izvajanje v realnem čas in kot dogodkovno krmiljeni programski modli (prekinitvene rtine). V okvir dogodkovno krmiljenih modlov se nekatere zaščitne fnkcije jemajo s tistimi iz programa v realnem čas, kar omogoča višjo stopnjo varnosti delovanja. 6 Rezltati Prikazani rezltati so pridobljeni z porabo simlacij v orodj Matlab/Simlink, ker nam porabniški vmesnik realnega sistema ne omogoča sočasnih prikazov takega števila spremenljivk v takšni časovni bazi. Prikazano je vodenje sistema v primer zagona iz mirovanja do hitrosti vrtenja 300 rad/s, po rampi, katere strmina določa zagonski navor in tok. Odziv hitrosti podaja Slika 0, navor pa Slika. Slika 2 podaja fazni tok in napetost v prvi fazi, vidimo lahko, da sta veličini sofazni. Sočasno lahko opazjemo tdi potek napetosti na enosmerni zbiralki (Slika 3), kjer na začetk zaznamo prenihaj, pozneje pa je sledenje natančno. r [rad/s] T e [Nm] anglar speed: r t[s] Slika 0: Kotna hitrost motorja torqe: T e t[s] Slika : Navor motorja

8 [V], i [A] inverter: U [V] t[s] Slika 2: Fazni toki in napetosti PFC faza Zakljček inpt:, i U t[s] Slika 3: Napetost enosmerne zbiralke Predstavljen 50kW, 400V pretvorniški sistem daje možnost kompenzacije jalove moči, ter izboljšanja THD vhodnega toka in napetosti. Omogočeno je zračno ali vodno hlajenje. Uporabljen je 50 kw motor na osnovi TFM tehnologije. Sistem je poraben v električnih vozilih, indstrijskih aplikacijah ter za preizkševališča pogonov visokih moči, kar omogoča možnost aktivnega zaviranja in vračanje energije v omrežje. Štirikvadrantno delovanje, torej dvosmerni pretok energije, delovanje v generatorskem in motorskem režim, sinsna oblika toka in napetosti z nizko vsebino višjih harmonikov omogočajo vkljčevanje sistema v aktivna omrežja prihodnosti (smart grids). Dodatno je omogočeno vplivanje na proizvodnjo in porabo jalove energije. 8 Zahvala Delo na projekt poteka v okvir aktivnosti kompetenčnega centra KCSURE»Napredni sistemi činkovite rabe električne energije«( Projekt delno financira Ministrstvo za visoko šolstvo, znanost in tehnologijo, v okvir Evropskih skladov za regionalni razvoj EU. 9 Literatra [] O.B. Teck, J.W. Dixon, A.B. Klkarni, M. Nishimoto, An Integrated AC Drive System Using a ControlledCrrent PWM Rectifier/Inverter Link, IEEE Transactions On Power Electronics, Vol. 3, No., Janary 988. [2] M. Milanovič, Močnostna elektronika, čbenik, Maribor : Faklteta za elektrotehniko, račnalništvo in informatiko, 200 ([Maribor] : UNI Založba). [3] K. Jezernik, VSS control of nity power factor, IEEE Transactions on Indstrial Electronics, Apr 999, Volme: 46, Isse: 2, str [4] J.R.Rodrigez, J.W. Dixon, J.R. Espinoza, J. Pontt, P. Lezana, PWM regenerative rectifiers: state of the art, IEEE Transactions on Indstrial Electronics, Volme: 52, Isse:, 2005, str [5] S. Bas, T.M.Undeland, PFC Strategies in light of EN , Pblished in EPE PEMC 2004 Conference, Riga, Latvia, 3 September [6] Vanja Ambrožič, Sodobne reglacije pogonov z izmeničnimi stroji, čbenik, Ljbljana : Faklteta za elektrotehniko, 996. [7] D. Dolinar, G. Štmberger, Modeliranje in vodenje elektromehanskih sistemov, čbenik, Maribor : Založniška dejavnost FERI, 2006 ([Maribor] : Tiskarna tehniških fakltet). [8] W. Leonhard, Control of Electrical Drives, 3rd Edition, Springer Verlag, 200. [9] ChngChan Ho, Hsinch PoTai Cheng, Experimental verification of the active frontend converters dynamic model and control designs, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC Feb. 2009, str [0] R.P. Brgos, E.P. Wiechmann, J. Holtz, Complex statespace modeling and nonlinear control of active frontend converters, IEEE Transactions on Indstrial Electronics, Volme: 52, April 2005, Isse: 2, str