56
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Napredni elektromotorni pogoni za primjene u vuči Advanced Electric Drives for Traction Applications Voditelj: Izv. prof. dr. sc. Damir Žarko Ovaj rad je financirala Hrvatska zaklada za znanost projektom broj IP-11-2013-7801 Predstavljanje projekta

FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU

Napredni elektromotorni pogoni za primjene u vuči

Advanced Electric Drives for Traction Applications

Voditelj: Izv. prof. dr. sc. Damir Žarko

Ovaj rad je financirala Hrvatska zaklada za znanost projektom broj IP-11-2013-7801

Predstavljanje projekta

Page 2: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

O projektu

Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene u vuči

Engleski naziv: Advanced Electric Drives for Traction Applications (ELTRAC)

Voditelj: Izv. prof. dr. sc. Damir Žarko

Korisnik: Sveučilište u Zagrebu Fakultet elektrotehnike i računarstva

Vrijednost: 971.500,00 kn

Izvor financiranja: Hrvatska zaklada za znanost

Trajanje: od 01.10.2014 do 30.9.2018

2

Page 3: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Motivacija

Energetska politika Europske unije u području transporta

• razvoj energetski djelotvornijih prijevoznih sredstava i smanjenje njihova utjecaja na okoliš s obzirom na emisiju stakleničkih plinova

• elektrifikacija i preusmjeravanje cestovnog prometa na željeznicu

29.5.2015. 3

Page 4: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Opis problema

• tradicionalni pristup projektiranju elektromotornih pogona stavlja naglasak na komponente sustava ne uzimajući u obzir u dovoljnoj mjeri spregu među pojedinim komponentama i ne osigurava optimalno vladanje cjelokupnog sustava vuče

• nedovoljno su razvijeni postupci koji na sustavan način uzimaju u obzir ukupne troškove pogona u životnom vijeku vozila prilikom projektiranja njegovih komponenata i sustava upravljanja

4

Page 5: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Ciljevi projekta

Glavni cilj

Unapređenje metoda projektiranja i razvoja elektromotornih pogona za vučna vozila

Specifični ciljevi

• razvoj programskih alata za računalom podržano projektiranje komponenata elektromotornih pogona za primjenu u vuči

• razvoj programskog okruženja za dinamičko simuliranje vučnog sustava i njegovih performansi

• razvoj metode određivanja temperature silicija učinskih poluvodičkih komponenata u stvarnim pogonskim uvjetima

• razvoj skaliranih modela učinskih pretvarača za eksperimentalno ispitivanje modulacijskih tehnika i upravljačkih algoritama te utvrđivanje djelotvornosti pretvarača

• razvoj i eksperimentalno ispitivanje upravljačkih sustava za elektromotorne pogone baziranih na modelskom prediktivnom upravljanju

5

Page 6: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Metodologija

6

Page 7: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Projektni tim

Izv. prof. dr. sc. Damir Žarko - voditelj projekta Prof. dr. sc. Ivan Gašparac Prof. dr. sc. Željko Jakopović Prof. dr. sc. Fetah Kolonić Prof. dr. sc. Zlatko Maljković Prof. dr. sc. Viktor Šunde Izv. prof. dr. sc. Mario Vražić Izv. prof. dr. sc. Jadranko Matuško Dr. sc. Stjepan Stipetić Dr. sc. Neven Čobanov Zlatko Hanić, dipl. ing. Šandor Ileš, dipl. ing. Marinko Kovačić, dipl. ing. Dr. sc. Ivan Mrčela Tanja Poljugan, dipl. ing. Goran Rovišan, dipl. ing. Tino Jerčić, mag. ing.

7

Page 8: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Organizacija projekta (radni paketi)

RP1: Estimacija temperature učinskih poluvodičkih sklopki u radnim uvjetima, u cilju zaštite i veće djelotvornosti iskoristivosti učinskih pretvarača (mjesec 1 do 48)

RP2: Razvoj skaliranog modela diodno pritegnutog trorazinskog pretvarača (mjesec 12 do 48)

RP3: Razvoj skaliranog modela dvorazinskog trofaznog pretvarača s četiri grane (mjesec 1 do 36)

RP4: Razvoj računalnih alata za simulaciju dinamičkog vladanja sustava vuče (mjesec 1 do 36)

RP5: Razvoj modelskog prediktivnog upravljanja sinkronog motora s trajnim magnetima za primjene u električnoj vuči (mjesec 1 do 36)

RP6: Razvoj programskih alata za računalom podržano projektiranje komponenata elektromotornog pogona za primjenu u vuči (mjesec 1 do 48)

RP7: Integracija fizičkih i softverskih komponenti u eksperimentalni model sustava vučnog pogona, testiranje i verifikacija (mjesec 36 do 48)

RP8: Diseminacija rezultata (mjesec 1 do 48)

8

Page 9: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Struktura projekta

RP7 RP8

Komponente Učinski pretvarači Motori Transformatori

Razvojni softver

Upravljanje

RP4 RP6 RP4

RP5

RP1 RP2 RP3

9

Page 10: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

29.5.2015.

Dinamičko modeliranje sustava vuče

CILJEVI

• razvoj reduciranih modela komponenata sustava vuče pogodnih za integraciju u jedinstveni programski alat

• izrada programskog alata za brzu simulaciju dinamičkog vladanja sustava električne vuče

• upotreba alata unutar optimizacijskog algoritma u svrhu poboljšanja karakteristika pogona

10

Page 11: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

29.5.2015.

Dinamičko modeliranje sustava vuče

OSTVARENJE CILJEVA

• primjena usrednjenih modela učinskih pretvarača

• izrada kvazianalitičkih nelinearnih modela motora, pretvarača, transformatora i mehanike vozila

• korištenje unificiranog i strogo definiranog sučelja među modelima

11

Page 12: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

29.5.2015.

Dinamičko modeliranje sustava vuče

• Zahtjevi na alat za dinamičko modeliranje sustava vuče

– alat mora obuhvatiti sve komponente u lancu prijenosa energije na pogonske motore (motore, pogonske pretvarače, mrežne pretvarače, transformator, filtre…)

– brzo izvođenje svih modela u lancu izračuna zbog upotrebe optimizacijskog algoritma

– reduciranost modela bez značajnog smanjenja točnosti izračuna potrebnih podataka (električkih, mehaničkih i toplinskih veličina)

12

Page 13: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

29.5.2015.

Dinamičko modeliranje sustava vuče

Idejna blok shema nadređenog računalnog alata za dinamičku simulaciju sustava vuče s naglaskom na poveznicu s optimizacijskim algoritmom

Model mehanike

i motora, zakon

upravljanja

strujom

parametri

vučnog profilaIabc, Uabc,

P, Q...

Pg,

T1,2,3...

Model učinskog

pretvarača

pogonskih

motora

par

amet

ri

model

a

par

amet

ri

model

a

Pg,

T1,2,3...

Model mrežnog

učinskog

pretvarača

Pg,

T1,2,3...

par

amet

ri

model

a

Model mrežnog

transformatora

Pg,

T1,2,3...

par

amet

ri

model

a

Nadređena optimizacijska metoda

IDC, UDC...Ia, Ua,

THD...

Izlazni vektor optimizacije: x1 … xn

Evaluacija ponašanja sustava, izračun funkcije cilja i funkcije ograničenja

parametri optimizacije

(početno rješenje,

granice…)

13

Page 14: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

29.5.2015.

Dinamičko modeliranje sustava vuče

Primjer jednostavnog alata za slijednu simulaciju ponašanja pogonskog sustava tramvaja

Model mehanike

i motora, zakon

upravljanja

strujom

parametri

vučnog profilaIabc, Uabc,

P, Q...Model učinskog

pretvarača

pogonskih

motora

par

amet

ri

model

a

par

amet

ri

model

a

IDC, UDC, Pg,

T1,2,3...

Izračun modela

DC međukruga

Izračun

raspodjela struja

po sklopkama

(usrednjeni

model)

Iabc, Uabc,

P, Q... Model gubitaka

poluvodičkih

elemenata

Toplinski model

poluvodiča

IDC, UDC, Pg,

T1,2,3...

parametri

pretvarača

model pretvarača IDC, UDC

IT1avg, IT1max...

PT1, PD1, Ptot...

14

Page 15: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

29.5.2015.

Dinamičko modeliranje sustava vuče

• model pogonskog motora i upravljačkog sustava reduciran je na razinu upravljanja strujom

• na temelju podataka o zadanom vučnom profilu (brzina, moment) računaju se referentne struje u dq sustavu kako bi se zadovoljili zahtjevi vuče.

• iz naponskih jednadžbi motora dobivaju se statorski naponi koje pretvarač mora narinuti na motor

ω*Vozač ili

Regulatoris* isl* MTPA

ili

FW

id*

iq*

Jed.

MomentMm

Model

mehanikeω

1

s

Jed.

Naponaiq*

id* ud

uq

Θ

Vrijeme, s

Mom

ent,

Brz

ina,

p.u

.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100! 2

! 1

0

1

2

3

Moment motoraBrzina motora

Vri jeme, s

Nap

on,

Str

uja

,p.u

.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0:5

1

1:5

Napon statora Us

Struja statora I s

Vrijeme, s

Str

uja

,p.u

.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100! 2

! 1

0

1

2

I d struja

I q struja

Vri jeme, s

Nap

on,

p.u

.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100! 1

0

1

Uds napon

Uqs napon

15

Page 16: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

29.5.2015.

Dinamičko modeliranje sustava vuče

• ulazni podaci za model pretvarača su struje i naponi izračunati modelom motora

• model pretvarača reducira se na model usrednjen na sklopnoj periodi

• faktori vođenja računaju se iz podataka napona motora i napona DC međukruga

• strujno-naponski odnosi na svim komponentama pretvarača računaju se usrednjenim modelom

T11

C1

C2

D51

D61

T21

T31

T41

D11

D21

D31

D41

INP

UC

1U

C2

UNP

T12

D52

D62

T22

T32

T42

D12

D22

D32

D42

T13

D63

T23

T33

T43

D13

D23

D33

D43

I2 I3

D53

I1

+UDC

2

-UDC

2

Vrijeme, s

Str

uja

,A

10 10:02 10:04 10:06 10:08 10:1 10:12 10:14 10:16 10:18 10:2! 100

! 50

0

50

100

Struja neutralne tocke

Vri jeme, s

Nap

on,

V

10 10:02 10:04 10:06 10:08 10:1 10:12 10:14 10:16 10:18 10:2285

290

295

Napon na C1

Napon na C2

Vrijeme, s

Nap

on,

V

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100550

600

650

700

750

Napon DC medjukruga, vc

Vrijeme, s

Str

uja

,A

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100! 200

0

200

Struja DC meukruga, iDC

Struja ko5cionog sklopa

16

Page 17: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

29.5.2015.

Usrednjeni model pretvarača

• usrednjeni model pretvarača može se proširiti i upotrijebiti u izračunu gubitaka na pojedinim elementima

• za izračun gubitaka relevantna je srednja struja kroz ventil, vršna vrijednost struje i informacija da li ventil sklapa

• razradom topologije moguće je definirati tablicu raspodjele struje na ventilima u ovisnosti o izlaznoj struji i faktoru vođenja

T1

C1

C2

D5

D6

T2

T3

T4

D1

D2

D3

D4

I1

UC

1U

C2

UNP

+UDC

2

-UDC

2

17

Page 18: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

29.5.2015.

Toplinski model pretvarača

• toplinski model poluvodiča kao ulaz koristi izračunatu snagu gubitaka na svakom od poluvodiča

• parametri modela iščitavaju se iz kataloških podataka proizvođača (prijelazna toplinska impedancija)

• ukoliko parametri nisu dostupni, identifikacija parametara toplinskog modela se dobiva na temelju kataloške krivulje toplinske impedancije

18

Page 19: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

29.5.2015.

Rezultati modela pretvarača - primjer • izlaz modela pretvarača su gubitci i temperature na cijelom profilu vožnje

• gubitci se raščlanjuju na gubitke vođenja i gubitke sklapanja

• temperature se određuju na svim poluvodičkim ventilima unutar topologije

0 20 40 60 80 1000

10

20

30

40

50

60

Vrijeme, s

Nadte

mpera

tura

, degC

Porast temperature na 2L pretvaraču

T11

2L

D11

2L

0 20 40 60 80 1000

10

20

30

40

50

60

Vrijeme, s

Nadte

mpera

tura

, degC

Porast temperature na 3L pretvaraču T1 i D1

T11

3L

D11

3L

0 20 40 60 80 1000

10

20

30

40

50

60

Vrijeme, s

Nadte

mpera

tura

, degC

Porast temperature na 3L pretvaraču T2 i D2

T12

3L

D12

3L

0 20 40 60 80 1000

10

20

30

40

50

60

Vrijeme, s

Nadte

mpera

tura

, degC

Porast temperature na 3L pretvaraču NPC dioda D5

D15

3L

Vrijeme, s

Snaga,

W

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

500

1000

1500

Snaga gubitaka 2L

Snaga gubitaka 3L

Snaga,

W

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

500

1000

1500

Snaga gubitaka vodjenja 2L

Snaga gubitaka vodjenja 3L

Vrijeme, s

Snaga,

W

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

500

1000

1500

Snaga gubitaka sklapanja 2L

Snaga gubitaka sklapanja 3L

19

Page 20: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Učinski pretvarači

• Određivanje radne temperature učinskih poluvodičkih sklopki pretvarača u stvarnim radnim uvjetima (RP1)

• Razvoj skaliranog modela diodno pritegnutog trorazinskog pretvarača (3L-NPC) (RP2)

• Razvoj skaliranog modela dvorazinskog trofaznog pretvarača s četiri grane (RP3)

RADNI PAKETI

20

Page 21: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Učinski pretvarači

CILJEVI

• povećanje djelotvornosti pretvarača

• smanjenje izmjera i mase pretvarača

• povećanje pouzdanosti i životnog vijeka

21

Page 22: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Učinski pretvarači

OSTVARENJE CILJEVA

• primjenom višerazinskih i višegranskih topologija

• primjenom odgovarajućih modulacija i metoda upravljanja

• optimalnim korištenjem poluvodičkih komponenata (praćenje i nadzor temperature poluvodiča)

22

Page 23: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Učinski pretvarači

• razvoj elektrotoplinskog modela učinske poluvodičke sklopke za simulacijsko ispitivanje karakteristika predloženog uređaja za određivanje temperature

• odabir tehnologije ostvarenja uređaja za određivanje temperature (unutar pobudnog stupnja ili izdvojeno)

• izrada i ispitivanje uređaja za određivanje temperature u radnim uvjetima

RP1 - ODREĐIVANJE RADNE TEMPERATURE UČINSKIH POLUVODIČKIH SKLOPKI U RADNIM UVJETIMA

23

Page 24: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Učinski pretvarači

24

Page 25: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Učinski pretvarači

• razvoj simulacijskog modela 3L-NPC pretvarača

• izrada skaliranog fizičkog modela pretvarača

• ispitivanje različitih modulacijskih postupaka i algoritama upravljanja, te usporedba s dvorazinskim pretvaračima

• optimiranje odabrane modulacije

• ispitivanje pretvarača s optimiranom modulacijom i upravljačkim algoritmom

RP2 - RAZVOJ SKALIRANOG MODELA 3L- NPC PRETVARAČA

25

Page 26: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Učinski pretvarači

UDC

C1

C2

Da3

S'a2

Sa1 Sb1 Sc1

S'b2 S'c2

S'a1 S'b1 S'c1

Sa2 Sb2 Sc2

Db3 Dc3

Da4 Db4 Dc4

a b cN

26

Page 27: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Učinski pretvarači

• razvoj skaliranog fizičkog modela pretvarača

• ispitivanje sklopovlja pretvarača

• ispitivanje različitih modulacijskih postupaka i algoritama upravljanja

• ispitivanje pretvarača s optimiranom modulacijom i upravljačkim algoritmom

• razvoj i ispitivanje visokonaponskog para IGBT sklopki

RP3 - RAZVOJ SKALIRANOG MODELA 4-GRANSKOG PRETVARAČA

27

Page 28: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Učinski pretvarači

28

Page 29: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Motori i transformatori

• razvoj programskih alata za računalom podržano projektiranje komponenata elektromotornog pogona za primjenu u vuči (RP6)

RADNI PAKETI

29

Page 30: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Motori i transformatori

• razvoj metoda za vremenski učinkovito projektiranje komponenata pogona uzimajući u obzir rad pogonskog sustava u cjelini

• izrada programskih alata za modeliranje komponenata

• dimenzioniranje komponenata primjenom matematičkog optimiranja

CILJEVI

30

Page 31: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Programski alati

• komercijalni: SPEED, MotorCAD, Infolytica MagNet, Comsol, VISSIM, PLECS, Code Composer Studio IDE , Ansoft SIMPLORER

• vlastiti: Matlab+SPEED, Matlab+MotorCAD, Matlab+Comsol, Matlab/Simulink

31

Page 32: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Motori i transformatori

OSNOVNI PRISTUP PROJEKTIRANJU

• inicijalna optimizacija pojedinačnih komponenata pogona referentni dizajn

• modeliranje utjecaja parametara komponenata pogona na njegove performanse u cjelini

• parametarska optimizacija komponenata pogona uz minimizaciju funkcije cilja (npr. ukupna cijena pogona) i zadovoljenje funkcija ograničenja (npr. dozvoljene temperature namota)

32

Page 33: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Motori i transformatori

PRIMJENA ZAKONA SLIČNOSTI U MODELIRANJU POGONSKIH MOTORA I TRANSFORMATORA

• motor (referentni dizajn) aksijalno i radijalno skaliranje, prematanje nove dimenzije, novi parametri i karakteristike

• transformator (referentni dizajn) skaliranje linijskih dimenzija i prematanje nove dimenzije, novi parametri i karakteristike

• skaliranjem se ne mijenja optimalnost referentnog dizajna

• proračun parametara skaliranog modela je vrlo brz i jednostavan

33

Page 34: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Modeliranje ventilacije i zagrijavanja vučnih motora

Proširenje osnovnih zakona sličnosti uzimanjem u obzir utjecaja geometrijskog skaliranja na ventilaciju i zagrijavanje motora

+ =

Model

ventilatora

Model za određivanje

sistemskog otpora

Cjelovit model

rashladnog sustava

34

Page 35: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Modeliranje ventilacije i zagrijavanja vučnih motora

• analitičko modeliranje sistemskog otpora i karakteristike ventilatora aksijalno i radijalno skaliranog motora

• brzo i pouzdano određivanje protoka zraka u skaliranom motoru

• korekcija performansi motora izračunatih na temelju osnovnih zakona sličnosti uzimanjem u obzir promijenjene ventilacije i zagrijavanja skaliranog motora

35

Page 36: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Modeliranje vučnih transformatora

VN1 do VN4 : visokonaponski namot M1 do M4: vučni motorski namoti F1-F2: Filterski namot G: Namot za grijanje P: Namot za napajanje pomoćnih pogona

Primjer vučnog transformatora za Končar EMV

• inicijalni proračun parametara referentnog dizajna vučnog transformatora (naponi kratkog spoja, elementi nadomjesne sheme)

• proračun dinamičkog profila struje transformatora tijekom ciklusa vožnje

• proračun gubitaka u željezu i bakru

• primjena zakona sličnosti na transformator promijenjenih dimenzija i promijenjenog broja zavoja (preračunavanje napona kratkog spoja, otpora i induktiviteta namota, gubitaka u bakru i željezu, dodatnih gubitaka i zagrijavanja)

36

Page 37: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Prediktivno upravljanje u sustavima vuče

• razvoj modelskog prediktivnog upravljanja sinkronog motora s trajnim magnetima za primjene u električnoj vuči (RP5)

RADNI PAKETI

37

Page 38: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Prediktivno upravljanje u sustavima vuče

29.5.2015.

• razvoj prediktivnog algoritma upravljanja za elektromotorne pogone primjenom simulacijskih modela pogona vuče

• razvoj računalno učinkovitih algoritama prediktivnog upravljanja za pogone električne vuče zasnovanih na brzim gradijentnim postupcima

CILJEVI

38

Page 39: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Prediktivno upravljanje u sustavima vuče

29.5.2015.

MODELSKO PREDIKTIVNO UPRAVLJANJE

39

Page 40: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Prediktivno upravljanje u sustavima vuče

29.5.2015.

MODELSKO PREDIKTIVNO UPRAVLJANJE

40

Page 41: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Prediktivno upravljanje u sustavima vuče

29.5.2015.

IZRAVNO PREDIKTIVNO UPRAVLJANJE

41

Page 42: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Prediktivno upravljanje u sustavima vuče

29.5.2015.

PWM PREDIKTIVNO UPRAVLJANJE

42

Page 43: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Prediktivno upravljanje u sustavima vuče

29.5.2015.

OPTIMALNO UPRAVLJANJE SUSTAVOM VUČE

43

Page 44: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Eksperimentalni model

• integracija fizičkih i softverskih komponenti u eksperimentalni model sustava vučnog pogona, testiranje i verifikacija (RP7)

RADNI PAKETI

44

Page 45: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Eksperimentalni model

CILJEVI

• eksperimentalna verifikacija upravljanja elektromotornim pogonom vučnog vozila temeljena na modelskom prediktivnom upravljanju

• primjena skaliranog laboratorijskog modela vučnog vozila koji se sastoji od:

dva mehanički povezana električna stroja s trajnim magnetima od kojih će jedan simulirati opterećenje, a drugi će simulirati pogonski motor vozila,

dva učinska pretvarača sa zajedničkim istosmjernim međukrugom,

mjernog sustava za prikupljanje podataka za mjerenje električnih (napon, struja), mehaničkih (brzina, moment) i toplinskih (temperature namota) veličina kako bi se utvrdile performanse sustava (potrošnja energije, dinamika,…).

45

Page 46: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Laboratorijska infrastruktura

46

Page 47: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Ispitno postolje – koncept terećenja

• svi pokusi obavljaju se s minimalnim utroškom energije koji pokriva gubitke u strojevima i energetskim pretvaračima

• omogućen motorski i generatorski režim rada vučnog motora

• mogućnost simulacije opterećenja vučnog motora tijekom ciklusa vožnje vučnog vozila (zalet, vožnja konstantnom brzinom, kočenje, mirovanje)

VUČNI MOTOR

sinkroni motor s

trajnim magnetima

OPTERETNI STROJ

sinkroni stroj s trajnim

magnetima (LPMR450)

MJERAČ

MOMENTA

ELEKTRONIČKI

ENERGETSKI

PRETVARAČ

KOČNICA

IZM

JE

NJIV

IZM

JE

NJIV

ISTOSMJERNI

MEĐUKRUG

ISP

RA

VL

JA

Č

Pelektrična

Pmreža=Pgubitaka(EEP+OS+VM)

Pmehanička

Pgubitaka(VM)Pgubitaka(OS)

Pgubitaka(EEP)

47

Page 48: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Ispitno postolje – osnovne komponente • Opteretni stroj TEMA LPMR450

Snaga: 450 kW Napon: 400 V Struja: 596 A Brzina: 1800 min-1

Maks. brzina: 4000 min-1 Moment: 2389 Nm Korisnost: 96,3 % Hlađenje: vodom

• Frekvencijski pretvarač ABB ACS800 Tip: ACS800-07-1540-5 Ulazni napon: 500 V Ulazna struja: 1596 A Izlazna struja: 3x 700 A Izlazna frek.: 0 – 300 Hz Sklopna frek.: 2-3 kHz

• Davač momenta HBM T40 Maks. moment: 3000 Nm Maks. brzina: 15000 min-1

Klasa: 0,05 % Veza: Ethernet UDP

48

Page 49: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

49 29.5.2015

Frekvencijski pretvarač

• Proizvođač: Cognitio elektronika d.o.o.

• Tip: O4L-500

• Osnovne karakteristike

• izlazna struja: min. 500 Arms

• napon DC međukruga 50 – 800 V

• frekvencija sklapanja: min 5 kHz @ 500 Arms

• tip hlađenja: Prisilno zrakom

• zaštite od prenapona, prekostruje i nadtemperature

• potpuno otvoren digitalni upravljački sustav pogodan za korištenje programskog jezika C

• mogućnost rada s aritmetikom s pomičnim zarezom

• Proizvođač je implementirao osnovnu regulacijsku strukturu strujnog upravljanja motorom

49

Page 50: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Vučni motor s trajnim magnetima

Proizvođač: Končar-MES Tip: IPM225 Napon: 400 V Maksimalna brzina: 5000 min-1

Klasa izolacije: H Temperature okoline: 40 °C Hlađenje: zrakom Mehanička zaštita: IP54

Pogon MOT GEN n,min-1 f, Hz P, kW U, V I, A cosϕ

Inst. * 1700 113,33 126,5 280 320 0,84

Inst. * 2700 180 126,5 400 211 0,90

Inst. * 4200 280 126,5 400 192 0,99

Inst. * 2670 178 -284,5 444 450 0.79

Inst. * 3240 216 -284,5 520 368 0.83

Inst. * 4200 280 -284,5 520 321 0,94

S1 * 2380 158,67 118,5 356 222,7 0,89

S1 * 2680 178,67 133,6 400 222,7 0,89

S1 * 4200 280 147,7 400 222,7 1

50

Page 51: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Mjerna oprema

• Električne veličine • mjerenje napona

• Dewesoft Sirius HS, do 1000 V rms, 1 MSPS, istovremeno uzorkovanje, tri kanala, fazni napon

• mjerenje struja • mjerni pretvornici: LEM LF-1005S, 1000 A rms, 0,4 % • Dewesoft Sirius HS, 10 V, 1 MSPS, tri kanala

• Temperature • mjerenje struja: SIMEX CMC-99, 8xPT100, 8xTC, LAN

komunikacija s Dewesoft sustavom

• Mehaničke veličine • mjerenje momenta na osovini: HBM T40, 3000 Nm,

0,05 %, + HBM TIM40 modul s LAN komunikacijom prema Dewesoft sustavu

• mjerenje kuta rotora i mehaničke brzine: Wachendorff inkrementalni enkoder, 2048 ppr, direktni spoj s Dewesoft Sirius HS sustava preko ulaza za brojač

51

Page 52: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Ispitni pult

• ispitni pult je osmišljen na način da osigura sigurno vođenje ispitivanja stroja

• velika radna površina osigurava dovoljno mjesta za smještaj mjerne i pomoćne opreme

• svi signali s ispitivanog stroja dovedeni su na konektore na pultu i omogućuju brzo spajanje različitih akvizicijskih sustava

• na prednjoj ploči pulta ugrađeni su instrumenti za kontrolu temperature ispitivanog i opteretnog stroja

• ispitni pult je opremljen izolacijskim transformatorom koji se koristi za napajanje računala i mjerne opreme

• na bočnim stranama izveden je veći broj jednofaznih i trofaznih utičnica

• tipkalo za isklapanje u nuždi omogućuje brzi isklop ispitnog postolja

52

Page 53: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Diseminacija

• diseminacija rezultata (RP8)

RADNI PAKETI

53

Page 54: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Internetska stranica projekta

http://eltrac.fer.hr/eltrac

54

Page 55: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Ostali oblici diseminacije

• znanstveni članci u časopisima i na međunarodnim i domaćim konferencijama

• predstavljanje rezultata projekta na javnim predavanjima i laboratorijskim demonstracijama

• nastupi u medijima (specijalizirani časopisi, televizija,…)

55

Page 56: FAKULTET RAČUNARSTVA Predstavljanje projekta …eltrac.fer.hr/_download/repository/ELTRAC_predstavljanje_projekta.pdf · O projektu Naziv: Napredni elektromotorni pogoni za primjene

Suradnja s gospodarstvom

Kroz rad na projektu s ciljem postizanja što boljih rezultata želimo surađivati s tvrtkama:

• KONČAR Distributivni i specijalni transformatori d.d.

• KONČAR Električna vozila d.d.

• KONČAR Elektronika i informatika d.d.

• KONČAR Generatori i motori d.d.

• KONČAR Institut za elektrotehniku d.d.

• KONČAR Mali električni strojevi d.d.

• Tvornica željezničkih vozila Gredelj d.o.o.

• Cognitio elektronika d.o.o.

56