Vektorski upravljan asinhroni motor - pogoni.etf.rs · ASINHRONI MOTOR mi e s r u M. Osobine pogona...

VEKTORSKI UPRAVLJAN

ASINHRONI MOTOR

e s rm i

Osobine pogona sa vektorskim upravljanjem

• Cilj (zadatak) je nezavisno upravljanje fluksom i momentom asinhronog motora

• Pogon mora imati energetski pretvarač – aktuator. U zavisnosti od tipa aktuatora, zavisi i način realizacije upravljačkog sistema.

• Pogon mora imati regulaciju struje, zahteva se promena učestanosti, amplitude i položaja prostornog vektora struje.

Prva publikacija Indirektno vektorsko upravljanje

K. Hasse,

“Zur Dynamik

drehzahlgeregelter Antriebe

mit stromrichtergespeisten

Asynchronkurzschlußläufer

maschinen,”

Ph.D. dissertation,

TH Darmstadt,

1969.

K. Hasse,

“O dinamici brzinski regulisanog

pogona sa asinhronom mašinom

sa kratkospojenim rotorom

napajanom iz pretvarača”

Doktorska disertacija na Visokoj

tehničkoj školi Darmštadt, 1969.

Prva publikacija Direktno vektorsko upravljanje

F. Blaschke,

"The principle of field

orientation as applied to the

new TRANSVECTOR closed

loop control system for

rotating field machines,"

Siemens Rev., vol. 34,

pp. 217-220,

1972.

qs s qs qs s dsu R i p (1)

ds s ds ds s qsu R i p

0 ( )r qr qr s drR i p

0 ( )r dr dr s qrR i p

qs s qs qrL i M i

ds s ds drL i M i

qr r qr qsL i M i

dr r dr dsL i M i

3( )

2e qs dr ds qr

r

Mm P i i

L

Dinamički model asinhronog motora Sinhrono rotirajući referentni sistem

rs s d

pdt

(4)

(3)

(8)

(5)

(6)

(7)

(2)

(9)

s sL M

r rL M

qs s qs qs s dsu R i p (1)

ds s ds ds s qsu R i p

0 0r qr r drR i

0 0r dr drR i p

qs s qs qrL i M i

ds s ds drL i M i

0 r qr qsL i M i

dr r dr dsL i M i

Koordinatni sistem se postavi tako da u svakom trenutku važi: 0qr

(4)

(3)

(8)

(5)

(6)

(7)

(2)

3 3( )

2 20e qs dr ds qs dr

r r

M Mm P i i P i

L L

(9)

0qr

qr

dp

dt

r s

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 11

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0.2

0.4

Nominalna radna tačka, ustaljeno stanje. Koordinatni sistem orijentisan tako da bude 0, 1r.j.ds qsu u

0,723r.j.

0,691r.j.

qs

ds

i

i

q

d 0,05r.j.

0,947 r.j.

qs

ds

0,728r.j.

0,053r.j.

qr

dr

i

i

0,064 r.j.

0,889 r.j.

qr

dr

su

si

sr

ri

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 11

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0.2

0.4

Nominalna radna tačka, ustaljeno stanje. Koordinatni sistem orijentisan tako da bude 0, 0,891r.j.qr dr

0,771r.j.

0,637 r.j.

qs

ds

i

i

0,119 r.j.

0,941r.j.

qs

ds

0,73r.j.

0

qr

dr

i

i

0,997 r.j.

0,072r.j.

qs

ds

u

u

su

si

sr

riq

d

r qrr

dr

R i

dr r drp R i

qsqr

r

M ii

L

dr dsdr

r

M ii

L

(4)

(3)

(8)

(7)

(8)(4) dr ds

dr rr

M ip R

L

r r

rr r

L MT

R R

r dr dr dsT p M i 1

dr dsr

Mi

T p

(7)(3) 1qs qsr

rr dr r dr

M i M iR

L T

1dr ds

r

Mi

T p

1qs qsrr

r dr r dr

M i M iR

L T

Model pogona sa vektorskim upravljanjem

qs s qs qs s dsu R i p

ds s ds ds s qsu R i p

2s r

qs qsr

L L Mi

L

2s r

ds ds drr

L L Mi

L

3

2e qs dr

r

Mm P i

L

rs s r

0 0 0

( ) ( ) ( ) ( )

t t t

rs s r r st t t t dt dt dt

dr dsM i 1 qsr

r ds

i

T i

Model pogona sa vektorskim upravljanjem u ustaljenom stanju

qs s qs s dsu R i

ds s ds s qsu R i

2s r

qs qsr

L L Mi

L

ds s dsL i

23

2e qs ds

r

Mm P i i

L

s r

r rr

r r

L MT

R R

Vektorski upravljan asinhroni motor

ids Određuje fluks.

iqs Određuje moment.

• Uspostavljanje fluksa u motoru ostvaruje se uspostavljanjem struje u statorskim namotajima (ids).

• Komanda momenta (iqs) se ne dozvoljava u toku procesa pobuđivanja.

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 11

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0.2

0.4

q

d

1 2 1

2

2 1

1 2

1 1

2 2

0, 0,891r.j.

0, 0,891r.j.

qr dr

qr dr

1 1

2 2

0,771r.j., 0,637 r.j.

0,193r.j., 0,637 r.j.

qs ds

qs ds

i i

i i

1 1

2 2

0,119r.j., 0,941r.j.

0,03r.j., 0,941r.j.

qs ds

qs ds

1 1

2 2

0,730r.j. 0 r.j.

0,182r.j. 0 r.j.

qr dr

qr dr

i i

i i

1 1

2 2

0,997 r.j., 0,072r.j.

0,995r.j., 0,017 r.j.

qs ds

qs ds

u u

u u

Promena opterećenja kod vektorski regulisanog asinhronog motora (s=const.) Rasterećenje: Opterećenje:

1

2 1

2

Načini realizacije vektorskog upravljanja

Indirektno vektorsko upravljanje

• Na osnovu zadatih struja izračunava se rotorska učestanost (r)

• Zbir rotorske učestanosti i brzine se koristi kao brzina referentnog sistema, a ugao sistema se dobija integracijom brzine referentnog sistema.

• Varijanta sa integracijom učestanosti rotorskih struja je bolje prilagođena realizacijama sa enkoderom.

Direktno vektorsko upravljanje

• Ugao referentnog sistema se određuje iz proračuna flukseva (na bazi merenja struja, podataka o naponu i brzini).

• Može se realizovati i bez podatka o uglu (brzini) vratila motora.

Indirektno vektorsko upravljanje sa strujno regulisanim IŠM invertorom

CRPWM

Current Regulated Pulse Width Modulated inverter

E – Enkoder, davač pozicije vratila motora

M

( , , )a b ci i i E

* * *, ,a b ci i i

,q d

, ,a b c

rs

r

*qsi

*dsi

r

1 rT

1

1 rT p

*qsi

*dsi

CRPWM

i as*

i bs*

i cs*

uas

ubs

ucs

DC+

DC-

i as

i bs

i cs

+

+

+

-

-

-

komparatori

Principijelna blok šema strujno regulisanog IŠM invertora

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

-2

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3

ias

uas

*ias

vreme[r.j.]

[r.j.][r.j.]

uas

i s

Prikaz rada histerezisnog regulatora struje

Indirektno vektorsko upravljanje sa IŠM invertorom i regulacijom struje u sinhrono

rotirajućem koordinatnom sistemu

*abcsu

, ,a b c

,q d , ,as bs csi i i

qsi

*qsi

Reg.q

rs

,q d

, ,a b c

*qsu

dsi

*dsi

Reg.d

*dsu

IŠM

(P

WM

) 1S

6S

rs

r

r

1 rT

1

1 rT p

E

M

Direktno vektorsko upravljanje sa IŠM invertorom i regulacijom struje u sinhrono

rotirajućem koordinatnom sistemu

*abcsu

, ,a b c

, , ,as bs csi i i

qsi

*qsi

Reg.q

rs

,q d

, ,a b c

*qsu

dsi

*dsi

Reg.d

*dsu

IŠM

(P

WM

) 1S

6S

rs

r

E

M

, ,as bs csu u u

dcu

, ,a b c

, su

su

si

si

Estima-

cija

dsi

qsi

rd

rqdcu1 6S S

Struktura bloka estimacije u direktnom vektorskom upravljanju (naponski estimator flukseva)

0

t

s s s su R i dt

0

t

s s s su R i dt

2r r r

r s sL L L M

iM M

2r r r

r s sL L L M

iM M

22

cos rrs

r r

22

sinr

rs

r r

Struktura bloka estimacije u direktnom vektorskom upravljanju (strujni estimator flukseva)

0

tr

r s r rr

RM i dt

L

0

tr

r s r rr

RM i dt

L

22

cos rrs

r r

22

sinr

rs

r r

Prikaz rada pogona sa asinhronim motorom sa indirektnim vektorskim upravljanjem

• Regulatori struje su u sinhronom referentnom sistemu, PI tipa, u kontinualnom domenu

• Korišćeni su idealni naponski izvori za napajanje motora

• d- komponenta struje je konstantna

• q- komponenta struje se skokovito menja u vremenu

• Rezultati su dobijeni simulacijom

Simulacioni blok dijagram

d- i q- komponente struje statora (-zadata i -ostvarena)

Fazne struje, brzina i moment motora

Učestanost u rotoru, fluks rotora (iz upravljačkog sistema)

Fazne struje, brzina i moment motora (uveličan detalj promene q- komponente struje)

Fazne struje, brzina i moment motora (uveličan detalj promene q- komponente struje)

Određivanje parametara regulatora na primeru

Reg. fluksa

Reg. brzine

Reg. struje*abcu

IŠM

*dqsu

rs

*r

*

6

MModel

E

rs

ˆdr

abcsidqsi

*dqsi

*dsi

*qsi*

em

3

q,d

a,b,c

q,d

a,b,cˆdr

ˆdr

Model za izračunavanje (estimaciju) ugla θrs i rotorskog fluksa ̂dr

Regulacija struje (q- osa)

2s r r

s

L L M LT

R

Može se primeniti kompenzacija

vremenske konstante i modulni optimum.

Strujni regulatori u q i d osi su simetrični, može se

koristiti ista struktura i parametri regulatora.

Reg. struje

qsi

*qsi

IŠM (PWM)

1 sR T

qsicT

i iK T

aK

qsu*qsu

qe

Regulacija fluksa

Reg. fluksa

*r

Strujna regulacija rM T

K T

1 eT

*dsi dsi dr

ˆdr

rM T

Može se primeniti kompenzacija vremenske

konstante i modulni optimum.

Regulacija brzine

3

2m

r

MK P

L

Reg. brzine

*

Strujna regulacija

K T

1 eT

*qsi qsi

p pK T

Filter merene brzine

m drK em

mm

1

ˆm drK

*em

1

mp T

Može se primeniti simetrični optimum.

Pogon sa regulacijom pozicije

Reg. fluksa

Reg. brzine

*abcu

IŠM

*r

*

6

M

Vektorsko upravljanje

E

abcsi

*dqsi

*dsi

*qsi

*em

3

ˆdr

ˆdr

ˆdr

Soft Start

*

d

dt

K

Pregled karakteristika

Prednosti: • Brz i precizan odziv momenta

motora. • Optimalno iskorišćenje

motora. • Precizna regulacija brzine i

pozicije. • Koristi se isti energetski

pretvarač. • Povećana energetska

efikasnost pri opterećenjima manjim od nazivnog.

Nedostaci: • Potrebno više davača

struje (min. 2). • Potreban davač na

vratilu (enkoder, rezolver).

• Potrebno poznavanje parametara motora.

• Zbog složenijeg algoritma koristi se procesor viših performansi.

Prevazilaženje nedostataka

Nedostaci:

• Potrebno više davača struje (min. 2).

• Potreban davač na vratilu (enkoder, rezolver).

• Poznavanje parametara motora.

• Koristi se procesor viših performansi.

Postoji mogućnost da se signali faznih struja motora rekonstruišu iz signala struje jednosmernog međukola. Davačima su pale cene.

Ukoliko su parametri motora tačno određeni i poznati, može se raditi bez davača na vratilu. Još uvek se ne postižu dobri rezultati na malim brzinama (učestanostima).

Izuzetno važno pri radu bez davača na vratilu. Parametri motora se određuju veoma precizno prilikom puštanja pogona u rad. U toku rada pogona se vrši kontinualno praćenje parametara motora – auto tuning.

Procesorima visokih performansi su pale cene. Ipak, ovo je često izgovor za veću cenu pogona.