Regulisani elektromotorni pogoni sa asinhronim mašinama Direktna kontrola momenta Istorijski pregled Opis metode Način realizacije Podešavanje parametara regulatora brine Pregled karakteristika Prevazilaženje nedostataka
Direktna kontrola momenta DTC (Direct Torque Control) Jedna metoda upravljanja trenutnim vrednostima momenta i fluksa. Pruža određene prednosti u odnosu na vektorsko upravljanje. Metoda je bazirana na topologiji naponskog invertora. Može se prilagoditi i pogonima sa strujnim invertorima.
Istorijski pregled Kompanija ABB je 995. ponudila na tržište prvi industrijski pretvarač sa direktnom kontrolom momenta ACS 600. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. IA-22, NO. 5. SEPTEMBER/OCTOBER 986 A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor ISAO TAKAHASHI, MEMBER, IEEE, AND TOSHIHIKO NOGUCHI
Šta je cilj? Struktura regulisanog pogona koju želimo da ostvarimo: U dc Reg. brzine m e Reg. momenta S m - ˆ - ˆ e m s Reg. fluksa S Izbor vektora 6 - ˆs S mˆ e S ˆ Model motora (adaptivni) T -T R R6 U dc i abcs M E
Stacionarni referentni sistem d uqs Rs iqs qs dt () d u R i p (2) dt ds s ds ds d dt - () 0 Rr iqr qr dr d dt (4) 0 Rr idr dr qr rs L i M i (5) qs s qs qr L i M i (6) ds s ds dr L i M i (7) qr r qr qs L i M i (8) dr r dr ds me P ( iqs ds - ids qs ) (9) 2 0 Statorske jednačine Rotorske jednačine Jednačina momenta
Jednačina momenta u vektorskoj formi me P is s P is s sin 2 2 m e i s m e s
U s q j X I j I R s s s s s s I s E s I s s d Fazorski dijagram statorskih veličina Uvek nam je potreban stalan fluks. Struja, odnosno moment motora se može podešavati podešavanjem trenutne vrednosti vektora napona.
bs Transformacije statorskih as veličina cs bs cs d as bs cs rs =0, rs (0) = 0 as q rs 0 f K qd0s s abcs f f f f abcs as bs cs f f f f qd0s qs ds 0s f T T
Stacionarni koordinatni sistem Matrice transformacije statorskih veličina K s -0,5-0,5 2 0-2 2 0,5 0,5 0,5 K - s 0-0,5-2 -0,5 2
Šema energetskog pretvarača pogona sa asinhronim motorom ~ R R T R C Vdc T R a u a T R T R5 b u b T R2 T R4 T R6 c u c ~ AM diodni ispravljač kolo za kočenje filter u međukolu PWM invertor u a Pontencijal u odnosu na negativnu šinu jednosmernog međukola
Vrednosti potencijala u a u funkciji stanja prekidača u grani a T u a Tranzistor T R Tranzistor T R2 Stanje S a V dc uključen isključen 0 isključen uključen 0
u u u as bs cs Definicije napona i struja motora u stacionarnom koordinatnom sistemu Međufazni naponi računati pomoću potencijala prema negativnoj šini jednosmernog međukola: u u -u ab a b u u -u bc b c u u -u ca c a Fazni naponi u odnosu na zvezdište motora: u u u ab bc ca - u - u - u ca ab bc u qs u as u u - u u i ds cs bs cb qs Naponi motora u stacionarnom koordinatnom sistemu: Struje motora u stacionarnom koordinatnom sistemu: i as i i -i ds cs bs Uvažen je koeficijent 2/ u transformaciji.
Izlazni naponi invertora u skladu sa odgovarajućim stanjima prekidača V 5 V 6 (0,,0) (,,0) V 4 (0,,) (V 7, V 8 ) 2 (0,0) V V (,0,0) q=a V (0,0,) d V 2 (,0,)
Prikaz napona i struja u stacionarnom koordinatnom sistemu Mala efektivna vrednost napona Velika efektivna vrednost napona Napon Struja
Stanje invertora Prekidačka stanja invertora i naponi mašine T2 Stanje grana Potencijal priključka motora Linijski naponi Fazni naponi qd komponente S a S b S c u a u b u c u ab u bc u ca u as u bs u cs u qs u ds V 0 0 V dc 0 0 V dc 0 -V dc 2 V - V - V 2 V 0 V 2 0 V dc 0 V dc V dc -V dc 0 V 0 0 0 0 V dc 0 -V dc V dc V 4 0 0 V dc V dc -V dc 0 V dc V 5 0 0 0 V dc 0 -V dc V dc 0 V 6 0 V dc V dc 0 0 V dc -V dc V - V 2 - V - V V 2 - V - V V 2 V V V 2 V V - V 2 - V V - V V dc V dc 2 - V 0 - V V V 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 V 8 V dc V dc V dc 0 0 0 0 0 0 0 0 V - dc V - dc
Izračunavanje vektora fluksa (intenziteta i ugla) Integracija naponskih jednačina u - R i dt e dt qs qs s qs qs u - R i dt e dt ds ds s ds ds 2 2 s qs ds s - qs tg ds 0 ds cos s ds s sin s qs s
Podela na sektore za identifikaciju položaja statorskog fluksa V 5 V 6 60 S 5 S 6 s 2 V 4 S 4 qs S V q s S ds S 2 s s V V 2 d
2 6 5 4 0 s 2 s 2 s 4 s 4 5 s 5 2 s Ugao s S Ugao θ φs definisan u odnosu na d-osu
Drugi način određivanja sektora u kom se nalazi statorski fluks T ds s 2 - s ds s 2 2 ds ds - s 2 qs qs qs qs qs qs qs 0 0 0 0 0 0 S θ 2 4 6 5 φ s uvek ima pozitivnu vrednost
Prekidačke logike za fluks i moment Odnos fluksa prema zadatoj vrednosti s s s s Prekidačka fun. S φ 0 T5 Odnos momenta prema zadatoj vrednosti e - e e m m m e e e e -m m - m m e - e - e m m m Prekidačka fun. S m 0 - T6
Komparatori fluksa i momenta S φ s s S m m e m e - 2me
Efekat uključenja naponskih vektora na fluks V 5 V 6 e d s dt Rs 0 V 4 V q V t V t 2 2 V t i s V t 4 4 s 6 V t 6 6 V V 2 4 d 2
Tabela upravljanja invertorom Prekidačke funkcije S θ Sektor u kom se nalazi fluks T7 S φ S m S S 2 S S 4 S 5 S 6 V 6 V V 2 V V 4 V 5 0 V 8 V 7 V 8 V 7 V 8 V 7 - V 2 V V 4 V 5 V 6 V V 5 V 6 V V 2 V V 4 0 0 V 7 V 8 V 7 V 8 V 7 V 8 - V V 4 V 5 V 6 V V 2
~ Implementacija DTC upravljanja V dc invertor a b c AM Т R Т R2 Т R Т R4 Т R5 Т R6 T T T S a S b S c ibs ics uabs ubcs T 7 S m T 6 V i m e 2 P T 2 iqs s K s ids R s R s uds s K s u qs m e m e S S T 5 T fs s s 2 2 s ds qs qs fs arctg ds ds qs
Regulisani elektromotorni pogon sa direktnom kontrolom momenta U dc Reg. brzine m e Reg. momenta S m - ˆ - ˆ e m s Reg. fluksa S Izbor vektora 6 - ˆs S mˆ e S ˆ Model motora (adaptivni) T -T R R6 U dc i abcs M E
Rad u proširenom opsegu brzina (slabljenje polja) U dc Reg. brzine m e Reg. momenta S m - ˆ - ˆ e m s Reg. fluksa S Izbor vektora 6 - ˆs S mˆ e S ˆ Model motora (adaptivni) T -T R R6 U dc i abcs M E
Podešavanje parametara regulatora brzine - K T Reg. brzine m e Te Regulacija momenta m e m m - pt m Filter merene brzine K p T p T e Vreme uspona momenta na zadatu naglu poromenu referentne vrednosti (step komandu) od do 5 ms
Podešavanje parametara regulatora brzine - K T Reg. brzine m e Regulacija momenta pt e m e m m - pt m Filter merene brzine K p T p Može se primeniti simetrični optimum. Parametre regulatora brzine diktira aplikacija.
Karakteristike Direktno upravljanje fluksom i momentom. Indirektno upravljanje strujom motora (nema regulatora struje). Približno sinusne statorske struje i statorski fluks. Vrlo brz odziv momenta. Učestanost komutacije invertora zavisi od širine histerezisa u komparatorima.
Prednosti Koristi se stacionarni referentni sistem, nema obrtne transformacije. Ne koristi se IŠM (PWM) blok, direktno se zadaju stanja prekidača u invertoru. Minimalno vreme odziva momenta. Jednostavni regulatori (histerezisni) sa tabelarnim implementacijama. Manji broj izračunavanja u odnosu na vektorsko upravljanje. Manji broj parametara motora se koristi u algoritmu.
Nedostaci klasične implementacije DTC algoritma Odsustvo regulatora struje može dovesti do problema sa velikim trenutnim vrednostima struje. Tokom uspostavljanja fluksa u mašini (magnetizacije) se mora koristiti drugi algoritam. Potrebni estimatori fluksa i momenta, koji zavise od parametara (samo od R s ) motora. Promenljiva učestanost komutacije invertora. Veće odstupanje momenta od zadate vrednosti (veći ripl).
Nedostaci: Prevazilaženje nedostataka Problemi sa velikim trenutnim vrednostima struje. Tokom magnetizacije se mora koristiti drugi algoritam. Potrebno poznavanje parametara motora (R s ). Struja se može ograničiti primenom nultog vektora u algoritam se ugrađuje zaštitna funkcija koja ograničava struju. Malom modifikacijom tabele se može postići da isti algoritam radi i tokom uspostavljanja fluksa. Tokom magnetizacije ne dozvoljava se komanda momenta, nema rotacije motora. Parametri motora se određuju veoma precizno prilikom puštanja pogona u rad. Otpor statora je veličina koja se može odrediti i u toku rada pogona. Promenljiva učestanost komutacije invertora. Veći ripl momenta. U digitalnim implementacijama algoritam se izvršava periodično, pa se i promena stanja invertora dešava periodično. Manji broj komutacija (promena stanja) nego sa IŠM (PWM) modulacijom. Ripl zavisi od širine histerezisa i od učestanosti izvršavanja algoritma. Radi se na modifikacijama algoritma koje će smanjiti ovaj problem.