Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia
advertisement
Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego (FOC) Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego Jarosław Guziński, Marcin Morawiec, Sebastian Giziewski Katedra Automatyki Napędu Elektrycznego WEiA Politechnika Gdańska 2013 wersja MM_2.7 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości statycznych i dynamicznych układu napędowego z silnikiem indukcyjnym klatkowym z polowo zorientowanym układem sterowania FOC (ang. Field Oriented Control). 2. Wprowadzenie Sterowanie układami napędowymi z silnikami prądu przemiennego jest bardzo złożone w porównaniu ze sterowaniem układami napędowymi prądu stałego. W napędach prądu stałego najłatwiej sterować jest silnikiem obcowzbudnym. W silniku obcowzbudnym wielkościami regulowanymi są: strumień magnetyczny w – który regulowany jest przez zmianę prądu wzbudzenia silnika iw np. za pomocą sterowanego źródła napięcia uw zasilającego obwód wzbudzenia, moment elektromagnetyczny me – który regulowany jest przez zmianę prądu twornika it przy stałym strumieniu wzbudzenia w=const.; regulacja prądu twornika uzyskiwana jest np. za pomocą sterowanego źródła napięcia ut zasilającego obwód twornika. Moment elektromagnetyczny silnika prądu stałego opisany jest zależnością: m e k w i t (1) gdzie k jest stałą maszyny. W odróżnieniu od sterowania silnikiem obcowzbudnym prądu stałego sterowanie silnikiem indukcyjnym jest znacznie bardziej skomplikowane. Jednak stosując falownik napięcia, który odpowiednio jest sterowany przez system mikroprocesorowy, można uzyskać dla silnika indukcyjnego właściwości regulacyjne takie same lub lepsze niż w przypadku silnika obcowzbudnego prądu stałego. Lepsza właściwości napędu z silnikiem indukcyjnym wynikają z tego, że silnik indukcyjny jest pozbawiony szczotek i w związku z tym nie wymaga zmiany położenia szczotek w zależności od kierunku obrotów i obciążenia maszyny co jest często wymagane w przypadku napędów z maszynami prądu stałego. Metodą sterowania, która pozwala na uzyskanie bardzo dobrych właściwości napędu z silnikiem indukcyjnym jest metoda sterowania polowo zorientowanego. 3. Sterowanie polowo zorientowane Nazwa sterownie polowo zorientowane nazywane potocznie sterowaniem wektorowym oznacza, że model matematyczny maszyny sprowadza, się do układu współrzędnych wirującego współbieżnie z przyjętym wektorem strumienia skojarzonego wirnika lub stojana. W instrukcji przedstawiono najczęściej spotykaną metodę sterowani polowego, z układem zorientowanym względem wektora strumienia skojarzonego wirnika. 1 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Rys. 1. Składowe prądu stojana w układach współrzędnych nieruchomych oraz współrzędnych wirujących dq Wprowadzenie układu współrzędnych dq wirującego synchronicznie z wektorem strumienia skojarzonego wirnika wymaga wyznaczenia składowych wektorów wielkości regulowanych dla współrzędnych układu dq. W tym celu niezbędna jest znajomość kąta ρ określającego położenie wektora strumienia wirnika względem nieruchomego układu odniesienia . Kąt obliczany jest przez układ mikroprocesorowy przy wykorzystaniu matematycznych zależności obserwatora stanu silnika klatkowego. W obserwatorze obliczane są aktualne wartości składowych strumienia skojarzonego wirnika, na podstawie których określony jest kąt : arctg r (2) r W układzie współrzędnych nieruchomych składowe poszczególnych wektorów są w stanie ustalonym wielkościami sinusoidalnie zmiennymi. Natomiast składowe tych wektorów w układzie współrzędnych dq mają w stanie ustalonym stałe wartości. Zasada sterowania polowo zorientowanego oparta jest na analizie równań modelu maszyny asynchronicznej klatkowej. Ogólna postać równań modelu maszyny asynchronicznej klatkowej zapisana przy przyjęciu jednostek względnych dla układu współrzędnych xy wirujących z dowolną prędkością a jest następująca: di sx a 1 i sx a 2 rx a i sy r a 3 ry a 4 u sx (3) dt di sy a 1 i sy a 2 ry a i sx r a 3 rx a 4 u sy (4) dt d rx a 5 rx a r ry a 6 i sx (5) dt d ry a 5 ry a r rx a 6 i sy (6) dt dr L m rx i sy ry i sx 1 m o (7) dt Lr J J gdzie: R L2 R r L2m R L L L R L a1 s r , a2 r m , a3 m , a4 r , a5 r , a6 R r m , Lr w Lr w w w Lr Lr 2 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego L2m , Ls L r oraz is oraz us to prąd i napięcie stojana, J jest momentem bezwładności, mo to momentem obciążenia, Rs i Rr są rezystancjami uzwojeń stojana i wirnika, Ls, Lr są indukcyjnościami uzwojeń stojana i wirnika, Lm jest indukcyjnością główną natomiast jest współczynnikiem rozproszenia. Równania modelu silnika indukcyjnego (3)-(7) zapisane zostały przy przyjęciu jednostek względnych odniesionych do wielkości bazowych przedstawionych w tab. 2 znajdującej się w końcowej części instrukcji. Zależności modelu silnika (3)-(7) można zapisać dla układu współrzędnych wirujących dq przyjmując, że a=r. Otrzymuje się wtedy równania modelu silnika dla układu współrzędnych dq w postaci: di sd a 1 i sd a 2 rd r i sd a 4 u sd (8) dt di sq a 1 i sq r i sd r a 3 rd a 4 u sq (9) dt d rd a 5 rd a 6 i sd (10) dt dr L m 1 rd i sq m o (11) dt Lr J J Ponieważ w układzie współrzędnych dq składowa strumienia dla osi q jest równa zero to wartość składowej strumienia dla osi d jest równa modułowi strumienia wirnika: r 2r 2r rd (12) w L r L s L r L s L2m , 1 Moment elektromagnetyczny wytwarzany przez silnik asynchroniczny klatkowy określony jest zależnością: L m e m rd i sq k IM r i sq (13) Lr gdzie k IM L m L r Wzór na moment silnika indukcyjnego (13) jest podobny do wzoru na moment silnika obcowzbudnego (1). Wynika z tego, że stosując metodę sterowania, w której reguluje się wielkości wektorowe w układzie wirującym dq, można sterować silnikiem indukcyjnym podobnie jak steruje się silnikiem obcowzbudnym prądu stałego. Przy założeniu, że strumień silnika jest stały, z równania (13) wynika, że moment elektromagnetyczny generowany przez silnik indukcyjny jest proporcjonalny do prądu w osi q: m e ~ isq (14) dla const . r Natomiast z zależności (10) wynika, że strumień w silniku indukcyjnym jest proporcjonalny do prądu stojana w osi d: r ~ i sd (15) Porównując sterowanie silnikiem obcowzbudnym prądu stałego i silnikiem indukcyjnym prądu przemiennego można stwierdzić że: prąd isq w silniku indukcyjnym pełni rolę analogiczną do prądu twornika it silnika obcowzbudnego prądu stałego, prąd isd w silniku indukcyjnym pełni rolę analogiczną do prądu wzbudzenia iw silnika obcowzbudnego prądu stałego. 3 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Struktura układu sterowania przedstawiona została na rys. 2. r zad ^r |r|zad isq zad polowo usqzad zorientowanego silnikiem indukcyjnym Ud TP-1 _ + uszad isq isdzad zad usd zad us A B C - ^ r| | + isd ^ ^r is TC A-B-C is ^ r| | isA isB - ^ isq SILNIK - isd TP Rys. 2. Schemat blokowy układu sterownia silnikiem indukcyjnym z orientacją względem wektora pola wirnika W układzie sterowania z rys. 2 silnik indukcyjny zasilany jest z trójfazowego tranzystorowego falownika napięcia. Bloki oznaczone PI są regulatorami proporcjonalnocałkującymi. Blok PWM oznacza układ sterowania tranzystorów falownika realizujący modulację szerokości impulsów (ang. Pulse Width Modulation). Blok obserwatora służy do obliczeń: kąta położenia wektora strumienia skojarzonego wirnika , modułu strumienia wirnika |r|, prędkości kątowej silnika r Wielkości obliczane w obserwatorze oznaczone są symbolem ^. W układzie z rys. 2 mierzone jest napięcie zasilania falownika Ud oraz dwa prądy fazowe silnika isA oraz isB. Prądy fazowe silnika przeliczane są w układzie sterowania z układu współrzędny trójfazowych ABC do układu współrzędnych dwufazowych, nieruchomych . Takie przekształcenie wykonywane jest w bloku TC realizującego transformację Clarka zachowującą inwariantność mocy układu: 2 1 1 is (16) isA i sB isC 2 2 3 1 is isB isC (17) 2 4 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Następnie prądy is oraz is przeliczane są na prądy w wirującym układzie osi dq. Przeliczenie to przeprowadzane jest w bloku oznaczonym jako TP realizującego transformację Parka: isd is cos is sin (18) isq is sin i s cos (19) W układzie sterowania polowo zorientowanego z rys. 2 nadrzędnymi wielkościami regulowanymi są prędkość r i strumień silnika indukcyjnego |r|. Układ nadrzędnych regulatorów na podstawie wartości zadanych prędkości rzad oraz strumienia |r|zad określa zadane składowe prądu stojana isqzad oraz isdzad. Prądy zadane porównywane są z prądami rzeczywistymi silnika isq oraz isd a na tej podstawie wyznaczane są zadane składowe napięcia silnika usqzad oraz usdzad. Zadane składowe napięcia silnika przeliczane są następnie z układu współrzędnych dq do układu współrzędnych w bloku odwrotnej transformacji Parka, oznaczonego jako TP-1, w którym wykonywane są następujące obliczenia: zad zad u szad (20) u sd cos u sq sin u szad u sd sin u sq cos (21) Zadane napięcia silnika uszad oraz uszad wprowadzane są do bloku PWM, który odpowiednio sterując tranzystorami umożliwia uzyskanie na wyjściu falownika napięcia silnika zgodnego z napięciem zadanym przez układ regulacji. Napięcia zadane uszad oraz uszad wykorzystywane są łącznie z mierzonymi prądami is oraz is przez blok obserwatora do odtwarzania zmiennych. W układzie napędowym przedstawionym na rys. 2 nie występuje czujnik prędkości, gdyż prędkość kątowa obliczana jest przez obserwator. Takie układy, w których prędkość jest regulowana, a w których zamiast pomiaru prędkości silnika stosuje się obliczanie prędkości nazywane są układami sterowania bezczujnikowego. 4. Dobór nastaw regulatorów Zlinearyzowany układ dzieli się na dwa podukłady, elektromechaniczny związany ze zmiennymi ωr i isq, oraz elektromagnetyczny związany ze zmiennymi fr_obs i isd. Na podstawie struktury podukładów zaprojektowano kaskadowy układ regulatorów typu PI. W złożonym układzie sterowania silnikiem indukcyjnym nastawy regulatorów można wyznaczać na drodze eksperymentalnej podobnie jak dla obcowzbudnej maszyny prądu stałego. W praktyce dobór regulatorów może być przeprowadzany na podstawie prób i obserwacji otrzymanych przebiegów. Dąży się przy tym do tego, aby układ napędowy z dobranymi nastawami regulatorów pracował zgodnie z założeniami. W układzie napędowym badanym w ćwiczeniu regulatory wielkości sterujących tworzą dwie struktury kaskadowe, tj. podukład mechaniczny i elektromagnetyczny. W układzie tym na wstępie należy dokonać optymalizacji obwodów wewnętrznych, a więc obwodów regulacji zmiennych isq i isd, a następnie optymalizacji obwodów zewnętrznych, czyli obwodu regulacji prędkości – zmiennej ωr i strumienia – zmiennej fr_obs. W badanym układzie sterowania zastosowano regulatory proporcjonalno – całkujące z których każdy określony jest zależnością: in U wy n 1 K p E n K i E i , (21) i 0 gdzie U wy n 1 jest wielkością wyjściową regulatora w chwili n 1 , E n jest uchybem in wielkości regulowanej w chwili n , E i jest sumą uchybów wielkości regulowanej od i 0 5 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego chwili i 0 do chwili i n , K p jest wzmocnieniem części proporcjonalnej regulatora PI, K i jest wzmocnieniem części całkującej regulatora PI. W układzie rzeczywistym nastawy regulatorów dobrane w sposób analityczny mogą nie być optymalne ze względu na niedokładności wyznaczonych parametrów układu. Optymalne wartości nastaw regulatorów muszą być określone przez dostrojenie na obiekcie. Dostrojenie w układzie rzeczywistym przeprowadza się najczęściej przez rejestrację przebiegów zmiennych regulowanych i porównanie ich z zadanymi przebiegami - rys. 4. zad tr % 4% zad t1 t Rys. 3. Przebieg odpowiedzi czasowej układu sterowania na skokowe zmiany wielkości sterującej zad Nastawy zmienia się tak, aby uzyskać jak najszybsze działanie układu przy równoczesnym ograniczeniu lub wyeliminowaniu przeregulowań i uzyskaniu stabilnej pracy układu. 5. Stanowisko laboratoryjne Stanowisko laboratoryjne składa się z silnika indukcyjnego FSg132S2 o mocy 5,5kW zasilanego z przemiennika częstotliwości MMB-12 oraz obciążenia w postaci maszyny prądu stałego PZOb-54A zasilanej z przekształtnika tyrystorowego DMLII-0040. Schemat połączeń maszyn i przekształtników stanowiska laboratoryjnego pokazano na rys. 4. 6 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Rys. 4. Schemat połączeń maszyn i przekształtników stanowiska laboratoryjnego Sterowanie układu napędowego z silnikiem indukcyjnym składa się składa się ze sterownika mikroprocesorowego i komputera PC. Do sterowania układu z pradnicą użyto taki sam sterownik współpracujący z lokalnym panelem kontrolnym. Schemat połączeń komunikacyjnych pokazano na rys. 5. PC RS-232 SHARC SH65L ADSP-21065L i Układ FPGA SHARC SH65L ADSP-21065L i Układ FPGA T1..T6 Przemiennik częstotliwości MMB 12 Przekształtnik tyrystorowy DML SILNIK INDUKCYJNY PRĄDNICA – OBCIĄŻENIE Panel kontrolny Rys. 5. Sterowanie układu laboratoryjnego Sterownik mikroprocesorowy składa się z procesora sygnałowego ADSP21065L, układu logiki programowalnej FPGA, przetwornika analogowo - cyfrowego oraz układów wejść i wyjść cyfrowych. Komputer PC umożliwia ładowanie programu sterowania do pamięci sterownika mikroprocesorowego za pomocą interfejsu RS232 oraz obsługę układu napędowego przy pomocy programu TKombajn - zadawanie i odczyt parametrów oraz wizualizację przebiegów. Obsługę programu Tkombajn opisano w załączniku 3. 7 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Obciążeniem silnika indukcyjnego zasilanego z przekształtnika MMB-12 jest maszyna prądu stałego o mocy 6,5kW zasilana z przekształtnika tyrystorowego nawrotnego DMLII0040 pracującą jako generator na ograniczeniu momentu. Dane znamionowe silnika indukcyjnego i maszyny prądu stałego zostały zamieszczone w załączniku nr 1. Schemat połaczeń układu, opis rozdzielnic i obsługi przekształtnika tyrystorowego zamieszczono w załączniku nr 2. Tab. 1. Spis zmiennych dostępnych w programie konsoli opeartora „TKombajn” Zmienna Opis omegaRzad Zadana prędkość silnika (zakres –0,6 ... +0,6) omegaR_obs Prędkość silnika obliczona w obserwatorze prędkości frzad Strumień magnetyczny wirnika – zadany (zakres 0,4 ... 1,2) fr_obs Moduł strumienia magnetycznego wirnika – obliczony frx_so, fry_so Składowe strumienia magnetycznego wirnika me ia, ib, ic Moment elektromagnetyczny silnika Moment elektromagnetyczny silnika uśredniony (tylko do odczytu w zakładce [Variables] programu Tkombajn) Mierzone prądy fazowe silnika - współrzędne naturalne abc isx, isy Mierzone prądy silnika - współrzędne isq, isd Mierzone prądy silnika - współrzędne dq isqzad, isdzad Zadane prądy silnika - współrzędne dq usqzad, usdzad Zadane napięcia silnika - współrzędne dq USXa, USYa Zadane napięcia silnika - współrzędne is Moduł mierzonego prądu stojana Napięcie stałe w obwodzie pośredniczącym przemiennika częstotliwości Czas rozruchu [s], domyślnie 0,5s, (zakres 0,2 ... 20) Wzmocnienie członu proporcjonalnego regulatora prędkości(domyślnie 18) Wzmocnienie członu całkującego regulatora prędkości (domyślnie 0,001) Wzmocnienie członu proporcjonalnego regulatora składowej q prądu stojana (domyślnie 0.2) Wzmocnienie członu całkującego regulatora składowej prądu stojana (domyślnie 0,001) Wzmocnienie członu proporcjonalnego regulatora strumienia wirnika (domyślnie 10) Wzmocnienie członu całkującego regulatora strumienia wirnika (domyślnie 0,0005) Wzmocnienie członu proporcjonalnego regulatora składowej d prądu stojana, (domyślnie 0,2) mef ud tr kpomegaR kiomegaR kpisq kiisq kpfr kifr kpisd 8 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego kiisd isqo isdo usqo usdo Wzmocnienie członu całkującego regulatora składowej d prądu stojana, domyślnie (0,0002) Ograniczenie wyjścia regulatora prędkości, (domyślnie 0,9 / zakres 0,2 ... 0,9) Ograniczenie wyjścia regulatora prędkości, (domyślnie 0,9 / zakres 0,2 ... 0,9) Ograniczenie wyjścia regulatora prędkości, (domyślnie 0,9 / zakres 0,2 ... 0,9) Ograniczenie wyjścia regulatora prędkości, (domyślnie 0,9 / zakres 0,2 ... 0,9) Uwaga: Wszystkie rejestrowane zmienne określone są w jednostkach względnych odniesionych do wielkości bazowych zdefiniowanych w tab. 3 [3]: Tab. 2. Jednostki bazowe Napięcie bazowe Ub Prąd bazowy Ib Impedancja bazowa Zb Strumień magnetyczny bazowy b Prędkość kątowa bazowa b Moment bazowy mb Indukcyjność bazowa Lb gdzie o to pulsacja synchroniczna o=2πfn 3 Un fazowe 3 In fazowy Ub/Ib Ub/o o/p bIbp b/Ib 6. Program ćwiczenia 1. Zapoznać się z działaniem i obsługa stanowiska. 2. Załadować do pamięci procesora plik „foc.ldr”. 3. Wyznaczyć charakterystyki mechaniczne układu n=f(Me) tj. zależność między prędkością obrotową n[obr/min] oraz momentem elektromagnetycznym silnik Me[Nm]. Wyznaczyć charakterystyki dla 3 różnych zadanych prędkości: np.: 0,5j.w., 0,3j.w i 0,1j.w. Charakterystyki wyznacza się tak, że dla zadanej wartości prędkości zmienia się obciążenie silnika odczytując wielkości n oraz Me. Prędkość obrotową i moment obciążenia silnika odczytywać w programie konsoli operatora. Zmierzone charakterystyki przedstawić na wspólnym wykresie. Prędkość obrotowa silnika i moment wyrazić w jednostkach rzeczywistych czyli [obr/min] i [Nm]. W sprawozdaniu określić sztywność charakterystyk. 4. Przeprowadzić rejestrację stanu ustalonego pracy silnika przy prędkości zadanej 0,1[j.w.] oraz 0,5[j.w.] dla zmiennych: omeraRzad, omegaR_obs , fr_obs, me, ud, omeraRzad, omegaR_obs, isd, isq, ia, 5. Powtórzyć pomiary z punktu 4 dla zadanej prędkości 0,5j.w. oraz osłabionego strumienia o wartości 0,6.j.w. Po zakończeniu pomiarów ustawić zadaną wartość strumienia na 1,0j.w. 6. Zmieniając zadaną wartość strumienia wyznaczyć zależność pomiędzy modułem strumienia wirnika a modułem prądu stojana |is|=f(| r|) – zmiennymi programu: is, fr_obs. 9 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Pomiary przeprowadzić dla silnika nieobciążonego dla zdanych prędkości np. 0,6j.w. oraz 0,4j.w. W sprawozdaniu, na wspólnym wykresie narysować zmierzone charakterystyki. 7. Dobrać nastawy regulatora PI prędkości: kpomegaR oraz kiomegaR. Dobór przeprowadzić na podstawie odpowiedzi układu na skok jednostkowy zadanej prędkości od 0,1j.w. do 0,6j.w porównując prędkość zadaną silnika z prędkością silnika obliczoną w obserwatorze lub prędkością mierzoną. Rejestrować: prędkość zadaną, obliczoną, moment elektromagnetyczny, zadaną składową q prądu silnika oraz moduł strumienia wirnika. 8. W stanie ustalonym zarejestrować: me, isqzad, isq, usqzad, is. Badanie przeprowadzić przy zadanej prędkości 0,5j.w. dla 3 dowolnych obciążeń. Zaobserwować jak zmieniają się rejestrowane wielkości w zależności od obciążenia. Pomiary wykonać dla krótkiego czasu rejestracji. 9. W stanie ustalonym zarejestrować składowe zmiennych w układzie współrzędnych : : USXa, USYa, isx, isy, frx_so. Badanie przeprowadzić przy prędkości zadanej 0,5 j.w. dla silnika bez obciążenia oraz przy 3 dowolnych poziomach obciążenia. 10. Dla takiego samego obciążenia i takiej samej prędkości jak w punkcie 9 w stanie ustalonym zarejestrować: usqzad, isq, isqzad, usdzad, isd. 11. Przeprowadzić rejestrację przebiegów przy znamionowym strumieniu frzad=1,0 j.w. dla: wzrostu prędkości od 0.1 j.w. do 0.6 j.w. z obciążeniem i bez obciążenia. zmniejszenia prędkości od 0.6 j.w. do 0.1 j.w. z obciążeniem i bez obciążenia. Rejestrować: prędkość zadaną, prędkość obliczaną, moment elektromagnetyczny filtrowany, zadaną składową q prądu silnika oraz moduł strumienia wirnika. 12. Przeprowadzić rejestrację przebiegów przy osłabieniu strumienia zadanego frzad=0,8 dla: wzrostu prędkości od 0.1 j.w. do 0.6 j.w., z obciążeniem i bez obciążenia. zmniejszenia prędkości od 0.6 j.w. do 0.1 j.w. z obciążeniem i bez obciążenia. Rejestrować: prędkość zadaną, prędkość aktualną, moment elektromagnetyczny silnika, zadaną składową q prądu silnika oraz moduł strumienia wirnika. 13. Przeprowadzić rejestrację przy stałej prędkości obrotowej silnika 0.6j.w. i zmniejszeniu strumienia silnika od 1.0 j.w. do 0.6 j.w. Pomiary wykonać dla silnika obciążonego i nieobciążonego. Rejestrować: zadany strumień wirnika, aktualny moduł strumienia wirnika, zadaną składową d prądu stojana, prędkość aktualną oraz moment elektromagnetyczny silnika. 14. Przeprowadzić rejestrację przy stałej prędkości obrotowej silnika 0.6j.w. i zwiększeniu strumienia silnika od 0.6 j.w. do 1.0 j.w. Pomiary wykonać dla silnika obciążonego i nieobciążonego. Rejestrować: zadany strumień wirnika, aktualny moduł strumienia wirnika, zadaną składową d prądu stojana, prędkość aktualną oraz moment elektromagnetyczny silnika. 15. Sprawdzić działanie ograniczenia prądu w osi q. Badanie przeprowadzić wykonując próbę zwiększenia prędkości obrotowej silnika od 0.1 j.w. do 0.6 j.w. dla dwóch ograniczeń prądu np: 0,4 j.w. i 0,7 j.w. Pomiar wykonać dla silnika nieobciążonego i obciążonego. Rejestrować: prędkość zadaną, prędkość obliczaną, moment elektromagnetyczny filtrowany, zadaną składową q prądu silnika oraz moduł strumienia wirnika. 16. Przeprowadzić rejestrację nawrotu silnika od 0.6 j.w. do -0.6 j.w. bez obciążenia przy znamionowym strumieniu 1,0j.w. oraz strumieniu osłabionym na 0,8 j.w. Rejestrować: prędkość zadaną, prędkość obliczaną, moment elektromagnetyczny filtrowany, zadaną składową q prądu silnika oraz moduł strumienia wirnika. 10 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego 17. Zbadać działanie układu przy zmianie obciążenia silnika: bieg jałowy obciążenie bieg jałowy. Badanie wykonać dla zadanej prędkości 0,5 j.w. Rejestrować: prędkość obliczaną, moment elektromagnetyczny, zadaną składową q prądu silnika, moduł prądu stojana oraz moduł strumienia wirnika. Rejestracje załączyć przy silniku pracującym na biegu jałowym a następnie załączyć i po chwili wyłączyć obciążenie. Rejestrację przeprowadzić dla odpowiednio długiego czasu. 1. 2. 3. 4. 7. Literatura Zawirski K., Deskur J., Kaczmarek T.: Automatyka napędu elektrycznego, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2012. Koczara W.: Wprowadzenie do napędu elektrycznego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012. Tunia H., Kaźmierkowski M.: Automatyka napędu przekształtnikowego. PWN, Warszawa, 1987. Orłowska - Kowalska T.: Bezczujnikowe układy napędowe z silnikami indukcyjnymi, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2003. 8. Zagadnienia 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Zasada sterowania wektorowego FOC silnikiem klatkowym. Budowa przemiennika częstotliwości do regulacji prędkości silnika indukcyjnego klatkowego. W jakim celu wykorzystywany jest układ obserwatora w układzie sterowania polowo zorientowanego? Wyjaśnić, do jakich celów wykorzystywany jest kąt ρ w układzie sterowania wektorowego. Omówić wpływ ograniczenia prądu w osi q na pracę napędu w stanach przejściowych. Wyjaśnić, na czym polega analogia między napędem z silnikiem obcowzbudnym prądu stałego i napędem z silnikiem indukcyjnym sterowanym wektorowo. Porównać właściwości napędu z silnikiem indukcyjnym sterowanym skalarnie i wektorowo w stanie ustalonym oraz stanach dynamicznych. Załącznik 1 Dane maszyn elektrycznych Tab. 3. Dane silnika indukcyjnego FSg 132S-2A 5,5kW Typ maszyny FSg 132 S-2A Moc znamionowa Napięcie fazowe Prąd fazowy silnika przy połączeniu uzwojeń w gwiazdę Prędkość obrotowa znamionowa Pn=5,5 [kW] Unf=230 [V] In=10.4 [A] Częstotliwość znamionowa Liczba par biegunów Znamionowy współczynnik mocy Sprawność nn=2910 [obr/min] fn=50 [Hz] p=1 cos n=0.88 87% 11 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Tab. 4. Dane maszyny prądu stałego PZOb – 54a 6,5kW Typ maszyny PZOb – 54a Moc znamionowa Napięcie znamionowe Prąd znamionowy Prędkość obrotowa znamionowa Pn=6.5 [kW] Unf=460 [V] In=14,2 [A] nn=2850 [obr/min] Unf=220 [V] In=1,34 [A] Napięcie znamionowe wzbudzenia Prąd znamionowy wzbudzenia Załącznik 2 Instrukcja obsługi sterowanego DML oraz dokumentacja techniczna tyrystorowego prostownika Przeznaczenie i zasada działania W stanowisku laboratoryjnym do zasilania silnika prądu stałego M3 o mocy 6,5kW zastosowano tyrystorowy prostownik sterowany typu DML-0040. Układ przeznaczony jest do modelowania obciążenia i może pracować generatorowo z oddawaniem energii z układu napędowego z silnikiem indukcyjnym do sieci elektroenergetycznej. Układ tyrystorowy wyposażony jest cyfrowy układ sterowania służący do stabilizacji prędkości i prądu twornika generatora na określonym poprzez potencjometry R3 (zadajnik prędkości) i R4 (ogranicznik prądu) poziomie. Regulacja prędkości i prądu odbywa się w pętli z pomiarem prędkości za pomocą enkodera i pomiarem prądu twornika za pomocą czujnika hallotronowego. Dzięki zastosowaniu systemu mikroprocesorowego regulacja prądu twornika generatora odbywa się w kaskadowym układzie regulacji z cyfrowymi regulatorami proporcjonalno-całkującymi. Regulatorem podrzędnym jest regulator prądu twornika, zaś regulatorem nadrzędnym regulator prędkości kątowej wału. Na rys. 6 i rys. 7 przedstawiono kolejno schemat układu laboratoryjnego oraz widok rozdzielnic. 3 x 230/400V ~ 50Hz TN-C-S 3 x 230/400V ~ 50Hz TN-C-S LgY1,5 LgY5x4 L3 WTO5x32 PE L2 L1 LgY5x4 K2 K1 Q1 S301 B6 N F1-F3 DO2 35A gR Q2 S301 B6 F4-F6 DO2 20A gG H1 LgY1,5 Sterowanie Rys. 2. L3 PE L2 L1 N Sterowanie Rys. 2. Q3 ZMS 0,4/3 L1 L2 L3 1 2 PE Z_p anel U1 DML-0040 MN505 Z9 Zasilanie 3x400V 50Hz U A+ A- P2 LEM LA205S 3 N L3 PE U2 MMB-12 V W X1 (5) X1 (6) X1 (7) PE Zasilanie 3x400V 50Hz PE M2 Wentylator silnika 4 M Komputer PC M R1 Rezystor BW103 60R, 800W M P1 L2 BR DC+ rys. 3 Z6 Z7 Panel kontrolny L1 List wa zdal neg o ster owa nia RS232 M1 FSg 132S-2A 5,5kW 3x400V 10,4A 2910obr/min Uwaga: 1. Główny tor prądowy wykonać przewodem LgY4, pozostałe obwody LgY1,5 2. Podłaczenie enkodera P3, pomiaru prędkości przedstawiono na rys. 2. 3. Połączenia silnolnoprądowe rezystora hamowania R1 łaczyć przewodem LgY3x1,5 M3 PZOb 54a 6,5kW 460V 14,2A 2850obr/min Politechnika Gdańska Rys.1 Stanowisko do badań układów multiskalarnego sterowania - część silnoprądowa 14.03.2006 M. Włas Rys. 6. Schemat układu laboratoryjnego 12 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Rozdzielnica DML-0040 Rozdzielnica MMB-12 Zasilanie Panel kontrolny Kasowanie Wyłacznik awaryjny H1 S4 S5 Start/Stop Zał. Wył. S1 S2 Zadajnik Ogranicznik prędkości momentu Zał. Wył. S6 S7 S3 R3 R4 Rys. 7. Widok rozdzielnic z aparaturą łączeniową (lewa rozdzielnica jest dla prostownika, natomiast prawa dla falownika) Prostownik załączany jest lokalnie z przełącznika S3 umieszczonego na drzwiach rozdzielnicy DML-0040. Wzbudzenie generatora jest stałe i podane z zacisków dodatkowego niesterowanego jednofazowego prostownika diodowego będącego częścią układu DML-0040. Opis aparatów na drzwiach rozdzielnic DML-0040 i MMB-12 Zgodnie z rys. 6 na drzwiach rozdzielnicy prostownika DML-0040 umieszczono: kontrolka H1 – informujące o stanie zasilania rozdzielnicy RA, przycisk S4 służący do kasowania awarii występujących podczas pracy, panel kontrolny – do wyświetlania kodu awarii oraz wartości prędkości, prądu, napięcia, zadanej prędkości i ograniczenia momentu silnika M3, przełącznik S3 STOP/START – do załączania prostownika sterowanego DML-0040, przyciski S1 Zał. i S2 Wył. służące do załączania i wyłączania stycznika K1 zasilającego prostownik sterowany, potencjometr wieloobrotowy R3 – zadajnik prędkości, potencjometr wieloobrotowy R4 – ogranicznik momentu (prądu twornika). Na drzwiach rozdzielnicy falownika MMB-12 umieszczono przycisk S5 – awaryjnego wyłączania, przyciski S6 Zał. i S7 Wył. służące do załączania i wyłączania stycznika K2 zasilającego przemiennik MMB-12. Sterowanie i ustawianie parametrów prostownika DML 1. Przycisk S1 Zał. załącza stycznik K1 natomiast przycisk S2 Wył. wyłącza. Podanie napięcia na prostownik tyrystorowy powoduje zapalnie się kontrolki H1 oraz załączenie wzbudzenia maszyny prądu stałego. 2. Uruchomienie prostownika tyrystorowego odbywa się przy pomocy przełącznika S3 STOP/START który umieszczony jest na drzwiach rozdzielnicy DML-0040. Po uruchomieniu układ regulacji zaczyna generować takie napięcie aby wymusić prędkość zadaną za pomocą potencjometru R3. Jeśli układ napędowy z silnikiem indukcyjnym wymusza inną wyższą niż zadana potencjometrem R3 prędkość wału to układ tyrystorowy przechodzi do pracy generatorowej z regulacją prądu twornika i oddawaniem energii do sieci. Na panelu kontrolnym (rys. 8) świeci się kontrolka REV oznaczająca poprawną pracę generatorową układu tyrystorowego. UWAGA: W przypadku jeśli zadana w układzie z silnikiem indukcyjnym prędkość wału jest niższa niż prędkość zadana w prostowniku tyrystorowym układ maszyny prądu stałego przechodzi do pracy silnikowej. Na panelu kontrolnym świeci się kontrolka FWD oznaczająca niepoprawną pracę silnikową układu tyrystorowego. Ze względu na niewielką moc rezystora hamowania (75W) w przemienniku częstotliwości MMB-12, układ tyrystorowy zostanie wyłączony po przesłaniu energii 1000Ws. Po wyłączeniu zgłoszona zostanie na panelu awaria o kodzie nr 15. 13 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Rys. 8. Lokalny panel kontrolny prostownika tyrystorowego 3. Zadawanie prędkości jest możliwe przy pomocy potencjometru R3. Po pomyślnym uruchomieniu układ regulacji rozdzielnicy dąży do tego aby utrzymać zadaną prędkość a jeśli to nie jest możliwe działa na ograniczeniu prądu twornika (momentu) określonego przez wartość napięcia z potencjometru R4. Obie wartości zadanej prędkości i ograniczenia momentu wyświetlane są na panelu kontrolnym po trzykrotnym (prędkość) i czterokrotnym (moment) naciśnięciu przycisku MODE. 4. Wyłączenie rozdzielnicy odbywa się przy pomocy przełącznika S3 STOP/START który umieszczony jest na drzwiach rozdzielnicy. Naciśnięcie tego przycisku powoduje sprowadzenie prądu twornika do wartości równej 0 [A], po czym silnik hamuje wybiegiem. Lokalny panel kontrolny prostownika DML Lokalny panel kontrolny z wyświetlaczem LED służy do sygnalizacji stanu prostownika tyrystorowego oraz do podglądu aktualnych wartości prędkości, prądu, napięcia i wartości zadanych prędkości i ograniczenia momentu. Zmiana widocznych na wyświetlaczu parametrów odbywa się przy pomocy przycisku MODE. Możliwe jest wyświetlenie: aktualnej prędkości obrotowej silnika, podanej w obrotach na minutę (sygnał z tachoprądnicy), aktualnej wartości prądu twornika silnika podanej w amperach, jednorazowe naciśnięcie MODE, aktualnej wartości napięcia twornika silnika podanej w woltach, dwukrotne naciśnięcie MODE. zadanej wartości prędkości wału podanej w jednostkach względnych w odniesieniu do znamionowej prędkości wirnika maszyny prądu stałego (2850 obr/min), trzykrotne naciśnięcie MODE, wartości ograniczenia prądu twornika w regulatorze prądu w jednostkach względnych odniesionych do prądu znamionowego maszyny prądu stałego (14,2A) , czterokrotne naciśnięcie MODE. Przykładowe informacje wyświetlane w różnych stanach pracy rozdzielnicy przedstawiono w tab. 5. Tab. 5. Informacje wyświetlane na panelu układu DML w różnych stanach pracy Wyświetlana informacja Wyjaśnienia Rozdzielnica wyłączona i gotowa do pracy. Naciśnięcie przycisku MODE raz spowoduje wyświetlenie aktualnego prądu twornika, dwa razy aktualnego napięcia twornika. Rozdzielnica uruchomiona. Po uruchomieniu znika informacja „OFF” i wyświetlana jest aktualna prędkość obrotowa silnika. W tym przypadku 0 [Obr./min.]. Aktualna wartość średnia prądu twornika silnika podana w amperach. W tym przypadku 100 [A]. Aktualna wartość średnia napięcia twornika silnika podana w woltach. W tym przypadku 10 [V]. Wyświetlana informacja o awarii, wraz z kodem awarii. W tym przypadku wyświetlana informacji o awarii, o kodzie nr 2 (Przekroczenie dopuszczalnego prądu twornika prądnicy). 14 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Obsługa stanów awaryjnych prostownika DML Po wystąpieniu awarii na lokalnym panelu kontrolnym zostanie wyświetlona liczba, kod awarii, określająca jej przyczynę. Każde wystąpienie awarii podczas działania układu spowoduje jego wyłączenie. Układu będącego w stanie awaryjnym, nie można uruchomić, w tym czasie próba uruchomienia przyciskiem start na drzwiach rozdzielnicy będzie ignorowana. Po ustąpieniu przyczyn awarii, przyciskiem kasowania awarii możliwe jest przywrócenie układu do normalnego trybu pracy i ponowne jego uruchomienie. Przed wciśnięciem przycisku kasowania należy przełączyć przełącznik S3 STOP/START. Przycisk kasowania awarii należy przytrzymać do momentu zniknięcia, z wyświetlacza panelu kontrolnego, informacji o awarii, nie krócej niż 0,8 sekundy. Skasowanie awarii możliwe jest tylko wtedy, gdy układ został wyłączony czyli po przełączeniu przycisku S3 w pozycję STOP. W przeciwnym przypadku przycisk kasowania awarii jest ignorowany. Tab. 6. Kody awarii Kod Err 1 Err 2 Err 3 Err 4 Err 5 Err 6 Err 15 Znaczenie/uwagi Przekroczenie dopuszczalnego prądu twornika, ponad wartość 1,2 razy prąd znamionowy. Sprawdzić obwód twornika czy nie nastąpiło zwarcie. Sprawdzić tor pomiaru prądu twornika. Urwanie enkodera. Występuje w przypadku gdy po uruchomieniu zostaje podane napięcie na zaciski obwodu twornika i brak jest sygnału z enkodera potwierdzającego obrót wału silnika. Może wystąpić podczas uszkodzenia enkodera, nieprawidłowego jej podłączenia, bądź trwałego unieruchomienia wału maszyny. Naciśnięcie przycisku awaryjnego zatrzymania. Powoduje awaryjne zatrzymanie pracy rozdzielnicy i wyłączenie wyłącznika RA-Q1. Procedura wyłączania może trwać do 1[s]. Aby możliwe było późniejsze skasowania awarii przycisk awaryjnego zatrzymania należy wycisnąć. Brak wzbudzenia. Prąd obwodu wzbudzenia silnika nie przekroczył wartości 0.9 prądu znamionowego. Sprawdzić obwód wzbudzenia silnika i tor pomiaru prądu wzbudzenia. Awaria obwodu twornika. Występuje gdy wpływając na obwód wzbudzenia prądnicy układ nie ma możliwości regulacji prądu lub napięcia obwodu twornika, świadczyć to może o: - uszkodzeniu toru pomiarowego prądu lub napięcia obwodu twornika - fałszywym sygnale z rozdzielnicy MMB- 12 napędzającej maszynę prądu stałego Przekroczenie dopuszczalnej temperatury radiatora jednego z tyrystorów. Obciążenie przekształtnika tyrystorowego jest za duże bądź temperatura wewnątrz rozdzielnicy jest za wysoka. Awaria rezystora hamowania. Występuje gdy przekształtnik tyrystorowy przechodzi do pracy silnikowej i energia przekazana do silnika indukcyjnego przekracza 1000Ws. Załącznik 3 Program konsoli operatora TKombajn Konsola TKombajn została opracowana do komunikacji pomiędzy komputerem PC oraz sterownikiem mikroprocesorowym SH65L przy użyciu interfejsu szeregowego RS232. Po uruchomieniu programu konsoli należy w pierwszej kolejności wybrać plik z programem, który ma zostać załadowany do pamięci procesora sterownika SH65L. W tym celu należy użyć klawisza oznaczonego jako [*.ldr]. Za pomocą opisanego klawisza następuje. Jeśli wybrany plik jest poprawny to ścieżka dostępu do pliku zostanie wyświetlona na zielonym pasku pod klawiszem [*.ldr] oraz w dolnym oknie dialogowym. Ładowanie programu dla sterownika SH65L odbywa się za pomocą klawisza [load *.ldr]. Wysłanie pliku do sterownika przez interfejs RS232 jest potwierdzone komunikatem „Program loaded” w dolnym oknie dialogowym wraz z wyświetleniem godziny komunikaty. Załączenie oraz wyłączenie falownika odbywa się za pomocą klawiszy [ON] oraz [OFF]. Po prawej stronie klawiszy znajdują się dwa zadajniki, Pierwszy z lewej jest zadajnikiem prędkości silnika natomiast drugi jest zadajnikiem strumienia wirnika. Za pomocą strzałek można zwiększyć lub zmniejszyć wartość zadaną. Zmiana jest dokonywana o 0,01 wartości. Zmiana wartości zadanej może odbywać się też przez bezpośrednie wpisanie w oknie i naciśnięcie klawisza [ENTER]. W programie Tkombajn występują 3 zakładki: [Variables], [Control], [Registration]. Zakładka [Variables] (rys. 9) służy do kontrolowania zmiennych umieszczonych w pamięci procesora. Ich nazwę wpisuje się w pola edycyjne opisane jako „Name”. Jeżeli pole edycyjne ma błękitne tło, oznacza to, że dana zmienna jest umieszczona w mapie pamięci procesora, w innym przypadku pole posiada tło czerwone, należy wtedy sprawdzić poprawność wpisanej nazwy zmiennej. Zmienne aktualnie kontrolowane posiadają obok 15 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego swojej nazwy zielony kwadrat, natomiast zmienne nie kontrolowane posiadają czerwony kwadrat. Aby kontrolować daną zmienną lub aby wyłączyć kontrolę nad zmienną należy myszką kliknąć w kwadrat, poczym powinien on zmienić swój kolor. Rys. 9. Okno programu Tkombajn – zakładka [Variables] Zmienne oznaczone jako kontrolowane mogą zostać nadpisane lub odczytane przez użytkownika. Odczyt wartości zmiennej następuje przez naciśnięcie klawisza [RD], wartość odczytana zostanie wyświetlona po prawej stronie nazwy zmiennej w kolumnie oznaczonej „Read”. Nadpisanie wartości danej zmiennej następuje po wciśnięciu klawisza [WR]. Wartość która zostanie wpisana pod daną zmienną należy umieścić po prawej stronie zmiennej w kolumnie „Value to write”. Zaznaczenie pola „Automatyczny odczyt” powoduje odczytanie wartości zmiennej z pamięci procesora co 0,5s. Zakładka [Control] usłuży do uruchamiania dodatkowych funkcji sterujących oraz kontroli stanu pracy układu. W badanym układzie laboratoryjnym zakładka ta nie jest wykorzystywana. Okno zakładki [Registration] (rys. 10) umożliwia przeprowadzenie rejestracji zmiennych procesora. Zmienne przeznaczone do rejestracji wpisuje się w pierwszej kolumnie i zatwierdza klawiszem [ENTER]. Druga kolumna służy do ustalenia warunku ( < - mniejszy niż; > - większy niż; = - równy), który ma zostać spełniony do rozpoczęcia rejestracji. Trzecia kolumna umożliwia wpisanie wartości do spełnienia przez zadany wcześniej warunek Z lewej strony nazwy zmiennej umieszczone zostały szare pola. Kliknięcie myszką spowoduje zmianę na kolor zielony i jednocześnie włączenie warunku, który ma zostać spełniony podczas rejestracji. 16 Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym i falownikiem napięcia – metoda sterowania polowo zorientowanego Rys. 10. Okno programu Tkombajn – zakładka [Registration] W zakładce [Registration] dostępne są 4 klawisze służące odpowiednio do: [Reg start] – uruchomienie rejestracji, [Download] – ściągnięcie danych ze sterownika do komputera, [Fig–fst] oraz [Fig-bcb] - uruchamiają dwa programy do prezentacji zarejestrowanych danych. Dane zarejestrowane znajdują się w katalogu, w którym umieszczony jest program konsoli jako plik tekstowy z rozszerzeniem „*.dat”. W zakładce jest dostępny również pasek „Trigger”. Jego pozycja oznacza miejsce spełnienia warunku wybranego przy ustawianiu rejestracji zmiennych. 17
