Regulisani elektromotorni pogoni sa asinhronim

mašinama – Direktna kontrola momenta

Istorijski pregledOpis metode

Način realizacijePodešavanje parametara regulatora brine

Pregled karakteristikaPrevazilaženje nedostataka

Direktna kontrola momentaDTC (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 1995. ponudila na tržište prvi industrijski pretvarač sa

direktnom kontrolom momenta – ACS 600.

IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. IA-22, NO. 5. SEPTEMBER/OCTOBER 1986

A New Quick-Response and High-EfficiencyControl Strategy of an Induction Motor

ISAO TAKAHASHI, MEMBER, IEEE, AND TOSHIHIKO NOGUCHI

Stacionarni referentni sistem

qs s qs qsd

u R idt

(1)

ds s ds dsd

u R i pdt

(2)

0 r qr qr drd

R idt

(3)

0 r dr dr qrd

R idt

(4)

qs s qs qrL i M i (5)

ds s ds drL i M i (6)

qr r qr qsL i M i (7)

dr r dr dsL i M i (8)

3( )

2e qs ds ds qsm P i i (9)

0rs Statorske jednačine

Rotorske jednačine

Jednačina momenta

Jednačina momenta u vektorskoj formi

3 3sin

2 2e s s s sm P i P i

si

s

em

em

Fazorski dijagram statorskih veličina

Uvek nam je potreban stalan fluks.

Struja, odnosno moment motora se može podešavati podešavanjem

trenutne vrednosti vektora napona.

q

d

sU

sE

sI

s

s sR I

s s s s sj X I j I

0

T

T0 0

qd s s abcs

abcs as bs cs

qd s qs ds s

f f

f f f f

f f f f

K

Transformacije statorskih veličina

rs=0, rs (0) = 0

as

bs

cs

asbs

ascs

bs

cs

q

d

rs0

Stacionarni koordinatni sistemMatrice transformacije statorskih veličina

1 0,5 0,5

2 3 30

3 2 20,5 0,5 0,5

s

K

1

1 0 1

30,5 1

2

30,5 1

2

s

K

au

Šema energetskog pretvarača pogona sa asinhronim motorom

Pontencijal u odnosu na negativnu šinu jednosmernog međukola

3~

TR1 TR3

C

TR5

TR2 TR4 TR6

ab

cua ub

3~AM

uc

Vdc

+

−TR

RR

diodniispravljač

kolo zakočenje

filter umeđukolu

PWMinvertor

Vrednosti potencijala ua u funkciji stanja prekidača u grani a

ua

Tranzistor TR1

Tranzistor TR2

Stanje Sa

Vdc uključen isključen 1

0 isključen uključen 0

T1

1 1

3 3

qs as

ds cs bs cb

u u

u u u u

3

3

3

ab caas

bc abbs

ca bccs

u uu

u uu

u uu

ab a b

bc b c

ca c a

u u u

u u u

u u u

Definicije napona i struja motora u stacionarnom koordinatnom sistemu

1

3

qs as

ds cs bs

i i

i i i

Međufazni naponi u odnosu na negativnu šinu jednosmernog međukola:

Uvažen je koeficijent 2/3 u transformaciji.

Fazni naponi u odnosu na zvezdište motora:

Naponi motora u stacionarnom koordinatnom sistemu:

Struje motora u stacionarnom koordinatnom sistemu:

Izlazni naponi invertora u skladu sa odgovarajućim stanjima prekidača

V1

V2V3

V4

V5 V6

d

q=a

(0,0)(V7,V8) 2

3 dcV

(1,0,0)

(1,0,1)(0,0,1)

(0,1,1)

(0,1,0) (1,1,0)

Stanje inver-tora

Stanje grana

Potencijal priključka

motora Linijski naponi Fazni naponi

qd komponente

Sa Sb Sc ua ub uc uab ubc uca uas ubs ucs uqs uds

V1 1 0 0 Vdc 0 0 Vdc 0 Vdc 2

3 dcV 1

3 dcV 1

3 dcV 2

3 dcV 0

V2 1 0 1 Vdc 0 Vdc Vdc Vdc 0 1

3 dcV 2

3 dcV 1

3 dcV 1

3 dcV 3

dcV

V3 0 0 1 0 0 Vdc 0 Vdc Vdc 1

3 dcV 1

3 dcV 2

3 dcV 1

3 dcV 3

dcV

V4 0 1 1 0 Vdc Vdc Vdc 0 Vdc 2

3 dcV 1

3 dcV 1

3 dcV 2

3 dcV 0

V5 0 1 0 0 Vdc 0 Vdc Vdc 0 1

3 dcV 2

3 dcV 1

3 dcV 1

3 dcV 3

dcV

V6 1 1 0 Vdc Vdc 0 0 Vdc Vdc 1

3 dcV 1

3 dcV 2

3 dcV 1

3 dcV 3

dcV

V7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 V8 1 1 1 Vdc Vdc Vdc 0 0 0 0 0 0 0 0

Prekidačka stanja invertora i naponi mašine T2

Izračunavanje vektora fluksa (intenziteta i ugla)

qs qs s qs qsu R i dt e dt ds ds s ds dsu R i dt e dt

2 2s qs ds

cos dss

s

sin qss

s

1

0ds

qss

ds

tg

Integracija naponskih jednačina

Podela na sektore za identifikaciju položaja statorskog fluksa

S1

S2S3

S4

S5 S6

V1

V2V3

V4

V5 V6

q

d

s

ds

qs

s

60

3s

2

3s

2

1

6

5

4

3

03s

2

3 3s

2

3 s

4

3s

4 5

3 3s

52

3 s

Ugao s S

Ugao θφs definisan u odnosu na d-osu

Drugi način određivanja sektora u kom se nalazi statorski fluks

Sθ

231465

1

2ds qs

0qs

0qs

1 1

2 2qs ds qs 0qs

0qs

1

2ds qs

0qs

0qs

T3

qsds

Prekidačke logike za fluks i moment

Odnos fluksa prema zadatoj vrednosti

Prekidačka fun.Sφ

1

0

*s s

*s s

Odnos momenta prema zadatoj vrednosti

Prekidačka fun.Sm

1

0

1

*e e em m m

*e e e em m m m

*e e em m m

T5

T6

Sφ

1

1

-1

Sm

2 em

*em

em

*s

s

Komparatori fluksa i momenta

Efekat uključenja naponskih vektora na fluks

1 1V t ��������������

0sR

2 2V t ��������������

3 3V t ��������������

4 4V t ��������������

V1

si��������������

s��������������

1��������������

6��������������

4��������������

3��������������

V2

6V

q

d 2��������������

3V

4V

sd

edt

5V

6 6V t ��������������

Prekidačke funkcije

Sθ – Sektor u kom se nalazi fluks

Sφ Sm S1 S2 S3 S4 S5 S6

1

1 V6 V1 V2 V3 V4 V5

0 V8 V7 V8 V7 V8 V7

-1 V2 V3 V4 V5 V6 V1

0

1 V5 V6 V1 V2 V3 V4

0 V7 V8 V7 V8 V7 V8

-1 V3 V4 V5 V6 V1 V2

Tabela upravljanja invertorom T7

Implementacija DTC upravljanja

ТR1 ТR2 ТR4 ТR5 ТR6

Sa Sb Sc

T3

T5

T6

T7

T1

T2

T1 T1

ТR3

invertor+

bsi csi

ssK

Vdc

absu bcsu

AM

ssK

a

cb

−

+

−

+

sR

sR

−

+

−

+

−

3~

2 2s ds qs

qsfs

dsarctg

fs

s

*s

qsds

qsi dsi

em

*emem

S

S

mS

Vi

3

2P

dsu qsu

Regulisani elektromotorni pogon sa direktnom kontrolom momenta

Reg. momenta

Reg. brzine

*em

*

6

M

Model motora (adap-tivni)

abcsi

3

ˆem Izbo

r ve

ktor

a

dcU

dcU

1 6R RT T

Reg. fluksa

*s

ˆs

mS

S

S

S

ˆem

E

Rad u proširenom opsegu brzina (slabljenje polja)

Reg. momenta

Reg. brzine

*em

*

6

M

Model motora (adap-tivni)

abcsi

3

ˆem Izbo

r ve

ktor

a

dcU

dcU

1 6R RT T

Reg. fluksa

*s

ˆs

mS

S

S

S

ˆem

E

Podešavanje parametara regulatora brzine

Reg. brzine

*

Regulacija momenta

K T 1 eT

p pK T

Filter merene brzine

em

mm*em

1

mp T

Te – Vreme uspona momenta na zadatu naglu poromenu

referentne vrednosti (step komandu) – od 1 do 5 ms

Podešavanje parametara regulatora brzine

Može se primeniti simetrični optimum. Parametre regulatora brzine diktira aplikacija.

Reg. brzine

*

Regulacija momenta

K T

p pK T

Filter merene brzine

em

mm*em

1

mp T1

1 ep T

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 Rs) motora.

• Promenljiva učestanost komutacije invertora.• Veće odstupanje momenta od zadate vrednosti

(veći ripl).

Prevazilaženje nedostatakaNedostaci:

• Problemi sa velikim trenutnim vrednostima struje.

• Tokom magnetizacije se mora koristiti drugi algoritam.

• Potrebno poznavanje parametara motora (Rs).

• Promenljiva učestanost komutacije invertora.

• Veći ripl momenta.

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.

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.

Za one koji žele više...

• Laboratorijske vežbe – Praktikum– Regulisani pogon sa direktnom kontrolom Regulisani pogon sa direktnom kontrolom

momenta asinhronog motoramomenta asinhronog motora

• Seminarski rad (uz podršku nastavnika i literature)

• Energetski efikasni elektromotorni pogoni (MS)• Literatura