Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Osnovne komponente REMP i principi rada
Regulisani elektromotorni pogoni (REMP)
– Mehatronika
predavanje 1 , 2, 3
(Feb 2021)
Osnovne komponente i princip rada REMP 2/30
Predavanjadr Darko Marčetić, 304, [email protected](konsultacije: posle predavanja)
Knjiga: „Digitalno regulisani elektromotorni pogoni” , Darko Marčetić, Petar Matić, Akademska misao, Beograd 2020
Vežbe na tabli i laboratoriji Vladimir Popović , 304, [email protected](konsultacije: svako doba dana i noći)- prvih 6 termina tabla onda lab vezbe
Praktikum: „Primena mikroprocesora u elektroenergetici – Praktikum laboratorijskih vežbi” , Darko Marčetić, Vlado Porobić, FTN Izdavaštvo , Novi Sad , 2012. (368)
Ko će šta raditi ?
Osnovne komponente i princip rada REMP 3/30
„Digitalno regulisani elektromotorni pogoni” , Darko Marčetić, Petar Matić, Akademska misao, Beograd 2020
Literatura za predavanja
Plan i program predmeta, kao i ove prezentacije, idu po ovom udžbeniku. On pokriva 100% gradiva plus 150 dodatnih strana kao bonus.
Preporuka je ovaj udžbenik.
Osnovne komponente i princip rada REMP 4/30
Naziv udžbenika: 460 „Mikroprocesorsko upravljanje energetskim pretvaračima” , Darko P. Marčetić, FTN Izdavaštvo , Novi Sad , 2014 .
Literatura za predavanja
886
Jeftiniji FTN udžbenik je samo alternativa za one sa jeftinijim ulaznicama za predmet. Kod njega su fokus mikroprocesori a ne REMP, ali i on pokriva 60% gradiva, plus 150 dodatnih strana kao bonus.
Osnovne komponente i princip rada REMP 5/30
Naziv pomoćnog udžbenika : 368„Primena mikroprocesora u elektroenergetici – Praktikum laboratorijskih vežbi” , Darko Marčetić, Vlado Porobić, FTN Izdavaštvo , Novi Sad , 2012.
Literatura za lab vežbe
Laboratorijske vežbe na predmetu idu 85% po ovom pomoćnom udžbeniku. Ima se i 30 dodatnih strana kao bonus.
Osnovne komponente i princip rada REMP 6/30
1 Šta su REMP ?2 Osnovna šema REMP sa najvažnijim elementima 3 Na kom principu REMP rade - jednačina kretanja ?4 Momentne karakteristike motora i opterećenja 5 Šta regulišemo u REMP ?
5.1 Regulacija momenta 5.2 Regulacija brzine5.3 Regulacija položaja5.4. Kaskadna regulacija
6. Motor kao objekat upravljanja 7. Linearni regulatori u REMP8. Primeri sinteze parametara linearnih regulatora pogodne i za REMP9. Prednost kaskadne regulacije u REMP10. Pretvarači energetske elektronike u REMP11. Primer prekidačkog izvora jednosmernog napona12. Osnovni princip PWM modulacije 13. Naponsko i strujno upravljanje pretvaračima14. Prazno poglavlje, čisto da ih ne bude baš trinaest …
Sadržaj uvoda u REMP
REMP su izrazito multidisciplinarna oblast, pre nego što počnemo mnogo toga moramo da se uverimo da znate, a mnogo toga moramo da vam po prvi put objasnimo šta je ...
Zato je ovo jedno od najdužih uvodnih predavanja u neki predmet, planiramo da kontaktiramo Ginisovu knjigu rekorda ...
1. Uvod u REMP
Osnovne komponente i princip rada REMP 8/30
Uvod u REMP
Elektromotorni pogon (EMP) je elektromehanički sistem koji električnu energiju iz primarnog izvora na kontrolisan način pretvara u mehanički rad, i time služi za pokretanje opreme ili opterećenja.
Osnovne komponente i princip rada REMP 9/30
Uvod u REMP
Regulisani elektromotorni pogon (REMP) je EMP u kome je moguće kontrolisati ostvaren moment, brzinu ili položaj motora .
Osnovne komponente i princip rada REMP 10/30
Uvod u REMP
Regulisani elektromotorni pogon (REMP) je EMP u kome je moguće kontrolisati ostvaren moment, brzinu ili položaj motora .
Digitalno regulisani elektromotorni pogon(DREMP) je REMP u kome je upravljački skloprealizovan digitalno
2. Osnovna šema i delovi REMP
Osnovne komponente i princip rada REMP 12/30
2. Šema i osnovni elementi REMP
Regulisani elektromotorni pogon (REMP) može biti podešen tako da motor ostvari zadatu vrednost momenta, brzine ili položaja.
1 Izvor daje električnu energiju pogonu
2 Pretvarač prilagođava oblik te energije motoru
3 Motor razvija moment i vrši rad pokretanjem tereta sa kojim je spregnut
4 Upravljački deo sve to kontroliše
Osnovne komponente i princip rada REMP 13/30
2. Jedna tipična šema modernog REMP
13
1 Izvor daje energiju
2 Ee prilagođava napon motoru
3 Motor vrši rad pokretanjem tereta
4 Upravljački deo je digitalan
1 Čita merenja i komande
2 Izvršava upravljački program
3 Generiše upravljačke signale ka Ee
Osnovne komponente i princip rada REMP 14/3014
2. Električni motor u REMP
Motor pretvara električnu energiju u mehaničku tako što generiše obrtni moment i pokreće teret sa kojim je mehanički povezan.
Osnovne komponente i princip rada REMP 15/3015
Energetska elektronika (pretvarači) u REMP
Razni tipovi motora traže različite oblike napona/struje. Energetska elektronika uzima električnu energiju iz izvora i prilagođava oblik napona i/ili struje motoru.
‚
C
T1
T2
T3
T4
D1 D2
D3 D4
T5
T6T2
Invertor DC/AC
Energetska elektronika
IspravljačAC/DC
Osnovne komponente i princip rada REMP 16/3016
Mikrokontroler i digitalno upravljanje u REMP
Razni mikrokontroleri i digitalni signalni kontroleri su namenjeniupraljanju EMP. Karakterišu ih periferije za generisanje upravljačkih impulsa, ADC i brojački moduli kao i rad u realnom vremenu.
3. Na kom principu rade elektromotorni pogoni ?
Osnovne komponente i princip rada REMP 18/30
Mehaničke jednačine kretanja
Drugi Njutnov zakon (1687. godine)
gde je:
fe - pokretačka-motorna sila ,
fm - otporna, sila koja se suprotstavlja kretanju,
M – masa,
v - brzina kretanja
II Njutnov zakon za pravolinijsko kretanje:
Ubrzanje koje pri kretanju dobija jedno telo srazmerno je jačini sile koja na njega deluje, a obrnuto srazmerno masi tog tela
Osnovne komponente i princip rada REMP 19/30
Mehaničke jednačine kretanja
gde je: me – elektromagnetni momenat motora; mm – momenat opterećenja, otporni moment pogona,J – ukupan momenat inercije pogona;
– ugaona brzina,
II Njutnov zakon za rotaciono kretanje:
Ugaono ubrzanje koje pri kretanju dobija jedno telo srazmerno je jačini momenta koji na njega deluje, a obrnuto srazmerno inerciji tog tela
– ugaono ubrzanje; – trenutni ugao vratila, položaj
w
q
Osnovne komponente i princip rada REMP 20/30
Mehaničke jednačine kretanja
II Njutnov zakon za rotaciono kretanje:
Momenat opterećenja !!!Momenat opterećenja !!!Moment koji razvija motorMoment koji razvija motor
Znak promene brzine zavisi od odnosa me i mm
Znak promene brzine zavisi od odnosa me i mm
Osnovne komponente i princip rada REMP 21/30
Odnos sile i momenta sile
DA BI TELO OBRTNE MASE INERCIJE J DOBILO UBRZANJE , NEOPHODNO JE PRIMENITI OBRTNI MOMENAT, ILI MOMENAT SILEDA BI TELO OBRTNE MASE INERCIJE J DOBILO UBRZANJE , NEOPHODNO JE PRIMENITI OBRTNI MOMENAT, ILI MOMENAT SILE
dt
dJJme
w
rFme
amF
ROTACIONI EKVIVALENTROTACIONI EKVIVALENT
dVrJV 2
II NJUTNOV ZAKONII NJUTNOV ZAKON
MOMENAT INERCIJE MASE
MOMENAT SILE
MOMENAT INERCIJE MASE
MOMENAT SILE
Osnovne komponente i princip rada REMP 22/30
Kako se od sile dobija moment sile ?
Tangencijalna sila dovodi do tangencijalnog ubrzanja tela maseM
Moment sile koji se razvija iznosi
Ako se uvaži veza tangencijalne brzine i ugaone brzine
Konačno se dobija
Osnovne komponente i princip rada REMP 23/30
Moment inercije tela
Element momenta ubrzanja dm (dinamička komponenta) koji deluje na element mase dM (krutog tela ukupne mase M), prouzrokuje pri rotacionom kretanju ugaono ubrzanje dw/dt
gde je: r - poluprečnik rotacije; dfd - element tangentne sile koja deluje na element mase; v - tangentna brzina.
Ukupan moment ubrzanja je
Što dovodi do definicije inercije tela
Moment inercije (J) je mera inertnosti tela pri rotacionom kretanju. Analogan je masi pri pravolinijskom kretanju Ako je masa = sila/ubrzanje , onda je moment inercije = moment/(ugaono ubrzanje)
Važi i
4. Momentne karakteristike u EMP
- Momenat opterećenja- Prirodna momentna karakteristika motora- Radna oblast i stacionarna radna tačka EMP
Osnovne komponente i princip rada REMP 25/30
Momente karakteristike
Momentna karakteristika opterećenja se opisuje mehaničkom karakteristikom u M-w ravni. Ta karakteristika opisuje zavisnost momenta opterećanja od brzine.
Momentna karakteristika opterećenja se opisuje mehaničkom karakteristikom u M-w ravni. Ta karakteristika opisuje zavisnost momenta opterećanja od brzine.
Momenat opterećenja !!!Momenat opterećenja !!!Moment koji razvija motorMoment koji razvija motor
Znak promene brzine zavisi od odnosa me i mm
Znak promene brzine zavisi od odnosa me i mm
Osnovne komponente i princip rada REMP 26/30
Momente karakteristike
U EMP električna mašina generiše moment kojem se na vratilu suprotstavljamoment opterećenja
Osnovne komponente i princip rada REMP 27/30
Momente karakteristike motora
Prirodna mehanička karakteristika motora je ona koju motor razvija u neregulisanom pogonu pri nominalnom napajanju. Prirodna mehanička karakteristika motora je ona koju motor razvija u neregulisanom pogonu pri nominalnom napajanju.
Primer za DC motor pri konstantnom naponu napajanjaPrimer za DC motor pri konstantnom naponu napajanja
Osnovne komponente i princip rada REMP 28/30
Momente karakteristike motora
Četiri tipične mehaničke karakteristike elektromotora: sinhrona (1), MJS sa nezavisnom pobudom (2), asinhrona (3) i MJS sa rednom pobudom (4) karakteristika. Mehaničkakarakteristika SM se odlikuje potpunom nezavisnošću brzine od momenta motora, dokmehanička karakteristika otočnog motora neznatno opada sa porastom opterećenja. Slično važi i za karakt AM, dok se u slučaju rednog MJS brzina značajno menja
Mehaničke karakteristike elektromotora možemo podeliti prema stepenu tvrdoće na: apsolutno tvrde (1), tvrde (2) i meke (4) karakteristike
M-ww-M
Osnovne komponente i princip rada REMP 29/30
Veštačke momentne karakteristike
Veštačke mehaničke karakteristike motora nastaju promenomparametara napajanja motora. Ovo može da se ostvari samo u REMP sa pretvaračem energetske elektronike koji menja napon na motoru.
U REMPpretvarač na osnovu komandi regulatora menja parametrenapona na motoru i time mu po potrebi menja mehaničkukarakteristiku pa ona postaje veštačka.
Veštačke mehaničke karakteristike motora nastaju promenomparametara napajanja motora. Ovo može da se ostvari samo u REMP sa pretvaračem energetske elektronike koji menja napon na motoru.
U REMPpretvarač na osnovu komandi regulatora menja parametrenapona na motoru i time mu po potrebi menja mehaničkukarakteristiku pa ona postaje veštačka.
Primer pomeranja veštačkih mementnih karakteristika za asinhroni motor pri promeni frekvencije. Pri tome, napon ili raste sa frekvencijom (levo), ili je napon konstantan (desno)
Primer pomeranja veštačkih mementnih karakteristika za asinhroni motor pri promeni frekvencije. Pri tome, napon ili raste sa frekvencijom (levo), ili je napon konstantan (desno)
a) v/f = const, b) V = const a) v/f = const, b) V = const
Suština svega ovoga je promena brzine motora – regulisan pogon !Suština svega ovoga je promena brzine motora – regulisan pogon !
Osnovne komponente i princip rada REMP 30/30
Momente karakteristike opterećenja
Momentna karakteristika opterećenja se opisuje mehaničkom karakteristikom u M-w ravni. Ta karakteristika opisuje zavisnost momenta opterećanja od brzine.
Momentna karakteristika opterećenja se opisuje mehaničkom karakteristikom u M-w ravni. Ta karakteristika opisuje zavisnost momenta opterećanja od brzine.
1) Kranska (gravitaciona) M = const2) Trenje (linearna) M = k w3) Ventilatorska (kvadratna) M = k w2
1) Kranska (gravitaciona) M = const2) Trenje (linearna) M = k w3) Ventilatorska (kvadratna) M = k w2
Tipične momente karakteristike opterećenja:Tipične momente karakteristike opterećenja:
Osnovne komponente i princip rada REMP 31/30
Momente karakteristike opterećenja
Momentne karakteristike reaktivnih opterećenjaMomentne karakteristike reaktivnih opterećenjaKod reaktivnih opterećenja radna mašina uvek prima mehaničku snaguod električnog motora i ne može da je vraća ka motoru (osim kodusporavanja, kada oslobađa akumulisanu energiju obrtnih masa). Ovo je najčešća vrsta električnih opterećenja, a jedan primer je pumpa iliventilator, čija se momentna karakteristika, zavisno od smera obrtanja, nalazi u prvom i trećem kvadrantu,
Kod reaktivnih opterećenja radna mašina uvek prima mehaničku snaguod električnog motora i ne može da je vraća ka motoru (osim kodusporavanja, kada oslobađa akumulisanu energiju obrtnih masa). Ovo je najčešća vrsta električnih opterećenja, a jedan primer je pumpa iliventilator, čija se momentna karakteristika, zavisno od smera obrtanja, nalazi u prvom i trećem kvadrantu,
Osnovne komponente i princip rada REMP 32/30
Momente karakteristike opterećenja
Momentne karakteristike potencijalnih opterećenjaMomentne karakteristike potencijalnih opterećenja
Kada radna mašina (opterećenje) može da vraća mehaničku energijuelektričnoj mašini (da je prevede iz motorskog u generatorski režimrada ne samo pri usporavanju), tada je ta karakteristika potencijalna. Potencijalna karakteristika opterećenja tipično se javlja kroz dva oblika, u zavisnosti od toga u kojim kvadrantima se nalazi ,
Kada radna mašina (opterećenje) može da vraća mehaničku energijuelektričnoj mašini (da je prevede iz motorskog u generatorski režimrada ne samo pri usporavanju), tada je ta karakteristika potencijalna. Potencijalna karakteristika opterećenja tipično se javlja kroz dva oblika, u zavisnosti od toga u kojim kvadrantima se nalazi ,
Osnovne komponente i princip rada REMP 33/30
Momente karakteristike opterećenja
Momentne karakteristike potencijalnih opterećenjaMomentne karakteristike potencijalnih opterećenja
Kada radna mašina (opterećenje) može da vraća mehaničku energijuelektričnoj mašini (da je prevede iz motorskog u generatorski režimrada ne samo pri usporavanju), tada je ta karakteristika potencijalna. Potencijalna karakteristika opterećenja tipično se javlja kroz dva oblika, u zavisnosti od toga u kojim kvadrantima se nalazi.
Kada radna mašina (opterećenje) može da vraća mehaničku energijuelektričnoj mašini (da je prevede iz motorskog u generatorski režimrada ne samo pri usporavanju), tada je ta karakteristika potencijalna. Potencijalna karakteristika opterećenja tipično se javlja kroz dva oblika, u zavisnosti od toga u kojim kvadrantima se nalazi.
Osnovne komponente i princip rada REMP 34/30
Radna tačka i stabilnost EMP
Radna tačka EMP se nalazi u preseku karakteristike motora i karakteristike opterećenja. Tačka može biti stabilna (A) i nestabilna (B). Radna tačka EMP se nalazi u preseku karakteristike motora i karakteristike opterećenja. Tačka može biti stabilna (A) i nestabilna (B).
Da bi radna tačka bila stabilna, potrebno je da je promena momenta opterećanja sa porastom brzine veća od primene momenta motora
Osnovne komponente i princip rada REMP 35/30
Sigurna oblast rada EMP
• Oblast rada pogona se opisuje u M-w ravni . • Sigurna oblast rada (SOA- Safe Operation Area)
predstavlja oblast u M-w ravni koja nastaje kombinacijom maks. momenta i snage
• SOA može biti ekploataciona ili tranzijenta
• Oblast rada pogona se opisuje u M-w ravni . • Sigurna oblast rada (SOA- Safe Operation Area)
predstavlja oblast u M-w ravni koja nastaje kombinacijom maks. momenta i snage
• SOA može biti ekploataciona ili tranzijenta
Tranzijentna karakteristika je šira od eksploatacionekarakteristike i obuhvata sve radne tačke u kojima se pogon uopštemože naći. Ona je u prvoj zoni definisana maksimalnom(kratkotrajnom) strujom motora ili pretvarača pomoću koje se kratkotrajno dozvoljava maskimalni moment (veći od nominalnog). U drugoj zoni ona je ograničena sa maksimalnom snagom koja je takođe veća od nominalne snage (S2)
Eksploataciona karakteristika obuhvata sve dozvoljeneradne tačke u kojima motor u trajnom radu nije ugrožen ni nakoji način (S1). U prvoj zoni ograničena je nominalnimmomentom, a u drugoj zoni se zbog nominalne snage ali i opadanja fluksa sužava sa rastom brzine sve do maksimalnebrzine.
Osnovne komponente i princip rada REMP 36/30
Sigurna oblast rada EMP
• Tranzijenta SOA je šira od trajno ekploatacione SOA• Radna tačka može da se kreće trajno po eksplotacionoj SOA, a
priveremeno može da se kreće i po tranzijetnoj SOA
• Tranzijenta SOA je šira od trajno ekploatacione SOA• Radna tačka može da se kreće trajno po eksplotacionoj SOA, a
priveremeno može da se kreće i po tranzijetnoj SOA
Primer • Kada eV ubrzava, razvija ogroman moment i motor se brzo greje. On
tada može preći i u tranzijentu SOA • Kada eV dostigne brzinu, moment pada i motor može trajno da radi, tj.
vraća se u eksplotacionu SOA
Primer • Kada eV ubrzava, razvija ogroman moment i motor se brzo greje. On
tada može preći i u tranzijentu SOA • Kada eV dostigne brzinu, moment pada i motor može trajno da radi, tj.
vraća se u eksplotacionu SOA
5. Šta regulišemo u pogonima ?
Kako se reguliše momenat, kako brzina a kako položaj?
Osnovne komponente i princip rada REMP 38/30
5. Regulacione petlje u pogonu
- U neregulisanom pogonu se motor napaja bez regulacije, i moment koji EMP razvija nije regulisan,
- U regulisanom EMP želimo da promenimo radnu tačku pogona a to je jedino moguće uticajem na jednačinu kretanja:
5.1 Pogon regulisan po momentu
Za REMP je idealno da motor ostvari potrebni moment tj da postane linearni konvertor momenta !!!Da bi se to ostvarilo neophodni su adekvatni pretvarač i upravljanje za dati motor
Momenat opterećenja ne možemo da menjamo !!!Momenat opterećenja ne možemo da menjamo !!!
Ostaje nam da menjamo moment koji razvija motorOstaje nam da menjamo moment koji razvija motor
Znak promene brzine zavisi od odnosa me i mm
Znak promene brzine zavisi od odnosa me i mm
Osnovne komponente i princip rada REMP 39/30
Kako upravljati momentom motora ?
Motor konvertuje električnu snagu na ulazu u mehaničku snagu na izlazu
Pravilnim upravljanjem je moguće kontrolisati moment koji motor razvija. Princip se razlikuje od motora do motora ali uglavnom se svodi na kontrolu struje
N s
Rešenje: kontrolisati struju u odnosu na fluks, za svaki motor drugačije
Uvek 90 stepeni
i
i Ugao statora i rotora
stator
Struja rotora
stator
90
MJSPMSM
Struja statora kao
vektor
Fluks rotora kao vektor
Hoćemo da menjamo MHoćemo da menjamo M
Pri datoj brziniPri datoj brzini
Osnovne komponente i princip rada REMP 40/30
MJS kao generator momenta
Princip nastanka momenta kod MJS je prost
• Magnet na statoru pravi polje normalno na provodnike rotora.
• Napon se dovede na provodnike rotora i uspostavi se struja u provodnicima rotora
• Na provodnik sa strujom u magnetnom kolu deluje Lorencova sila
Princip nastanka momenta kod MJS je prost
• Magnet na statoru pravi polje normalno na provodnike rotora.
• Napon se dovede na provodnike rotora i uspostavi se struja u provodnicima rotora
• Na provodnik sa strujom u magnetnom kolu deluje Lorencova sila
Pošto su flux (sa statora) i struja (kroz rotor) uvek normalni važi: Pošto su flux (sa statora) i struja (kroz rotor) uvek normalni važi:
Sila na provodnik generiše momenat sile Sila na provodnik generiše momenat sile
Momenat sile je vektorski proizvod vektora fluksa i vektora struje Momenat sile je vektorski proizvod vektora fluksa i vektora struje
Fluks već postoji (magnet) i normalan je na provodnike rotora
Moment: za konst. fluks će biti proporcionalan struji rotora
Znači strujom pravimo moment ! A kako uspostaviti struju rotora:
Nametnuti rotoru napon i čekati da se uspostavi struja
Nametnuti rotoru struju
Osnovne komponente i princip rada REMP 41/30
-PWM
5. Regulacione petlje u pogonu
Regulaciona struktura momenta se koristi -Kao glavna u pogonima regulisanim po momentu -Kao podređena u pogonima regulisanim po brzini i položaju
- Da bi se ostvarilo upravljanje momentom neophodni su adekvatni pretvarač i upravljanje za dati motor
- Najprostije je upravljati momentom MJS jer je moment proporcionalan struji ! m=k iref
5.1 Pogon regulisan po momentu
mref
m=mref
Osnovne komponente i princip rada REMP 42/30
--PWM
Petlja momentaPetlja brzine
5. Regulacione petlje u pogonu
5.2 Pogon regulisan po brzini
wrefmref
w=wref
- Pogon regulisan po brzini ima zadatak da ostvari zadati referentu brzinu
- Da bi to ostvari dodaje se regulator brzine koji na osnovu razlike referentne i merene brzine zadaje potrebni moment
- Na osnovu Newton-ove jednačine kretanja je jasno da se samo upravljanjem momentom može izregulisati brzina
Osnovne komponente i princip rada REMP 43/30
---PWM
Petlja momentaPetlja brzinePetlja pozicije
dtwq
5. Regulacione petlje u pogonu
5.3 Pogon regulisan po položaju
- Pogon regulisan po položaju ima zadatak da rotor dovede u željeni (referentni) položaj
- Da bi to ostvario dodaje se regulator položaja koji na osnovu razlike referentne i merene brzine zadaje potrebnu brzinu,
Pošto je položaj integral brzine jasno je da se u novi položaj može doći upravljanjem brzinom motora
U ovom pogonu sve reg. petlje moraju da rade. Poziciona menja ref. Brzinu, ona se ostvaruje akcijom reg. brzine koji menja ref. moment. Taj moment se mora ostvari.
wref mrefqref
q=qref
Osnovne komponente i princip rada REMP 44/30
5. Regulacione petlje u pogonu
Blok šema pogona regulisanog po brzini
Blok šema pogona regulisanog po položaju
Osnovne komponente i princip rada REMP 45/30
5. Kaskadna regulacija u REMP
Regulaciona struktura kaskadnog tipa je pogodna za primenu u REMP.Ona se zasniva na kaskadnom nizu regulacionih petlji u kojima seregulišu sve dostupne (merljive) promenljive stanja motora. Kaskadnastruktura REMP-a tipično koristi tri regulacione petlje: petlju položaja(upravlja brzinom), petlju brzine (upravlja momentom) i petljumomenta/struje koja upravlja naponom na motoru).U bilo kojoj varijanti, na kraju moramo da menjamo napon na motoru.
6. Motor kao objekat upravljanja
Osnovne komponente i princip rada REMP 47/30
6. El. motor kao objekat upravljanja
Nadamo se da u ovom trenutku znate konstrukciju motora, princip rada …Ali, za REMP nam je najvažnije da razumemo kako upravljatimotorom tako da od njega dobijemo ono što nam treba, potrebanmoment na vratilu, željena brzinu ili položaj vratila.
Ukratko, motoru nametnemo neki napon, na osnovu tog naponapojavi se struja motora, na osnovu te struje motor generiše nekimoment, na osnovu koga se razvija brzina i menja položaj vratila.
Za dublje razumevanje rada motora mora se znati šta je unutra,koje jednačine opisuju procese, konačno koji je model motora?- Modelu motora napon je ulaz.- Struja motora se tretira kao izlaz modela, nju model računa.- Logično, izlazi modela su i ostvarena brzina i položaj.
Trebaju nam jednačine koje opisuju procese u motoru !!!
motorumel
wr
qel
i
mopt
motoru mel
wr
qel
i
mopt
Osnovne komponente i princip rada REMP 48/30
6. El. motor kao objekat upravljanja
Svaki električni motor ima dva jasno razdvojena podsistema:Električni podsistem obuhvata izvor električne energije i
proces generisanja elektromagnetnog momenta ��� u motoru, sa ciljemelektromehaničkog pretvaranja (konverzije) energije iz električnog umehanički oblik, ili obrnuto, posredstvom elektromagnetnog polja.
Mehanički podsistem obuhvata mehaničke procese u kojimase suprotstavljaju generisani moment motora, i moment potrebanopterećenju ����, čiji odnos definiše procese uspostavljanja i promenebrzine i položaja vratila.
Osnovne komponente i princip rada REMP 49/30
6. El. motor kao objekat upravljanja
Električni podsistemEkvivalentni namotaj motora se napaja naponom �(�) iz pogonskogpretvarača, i u njemu se uspostavlja struja �(�) sa dinamikom opisanomjednačinom naponske ravnoteže
gde su �(�),�(�) i �(�) trenutne vrednosti napona, struje i fluksnogobuhvata namotaja.Indukovana elektromotorna sila je uvek proporcionalna brzini iamplitudi fluksa,
Električni podsistem motora može se posmatrati kao redno kolootpornika, induktivnosti i elektromotorne sile (redno RLE kolo).
yR
Lu
i R L
u
i
+
e
Osnovne komponente i princip rada REMP 50/30
6. El. motor kao objekat upravljanja
Električni podsistem
Analiza kola u s-domenu
Gde god vidiš d/dt,ti operator s posadi !
Model električnog dela(sistem prvog reda)
R Li
+
e
Osnovne komponente i princip rada REMP 51/30
6. El. motor kao objekat upravljanja
Mehanički podsistem REMPje identičan za sve vrste pogona i opisuje se Njutnovom jednačinom
Prelazak u s –domen:
Model mehaničkog dela(sistem prvog reda)
Opterećenja kaoporemećaj!
A položaj jeintegral brzine
Osnovne komponente i princip rada REMP 52/30
6. El. motor kao objekat upravljanja
Funkcije prenosa električnog i mehaničkog podsistema motora se udovoljno dobroj aproksimaciji mogu opisati kao kola prvog reda
Znači motor je sistem II reda sa dva spregnuta kola I reda !!!!!
Osnovne komponente i princip rada REMP 53/30
6. El. motor kao objekat upravljanja
Funkcije prenosa električnog i mehaničkog podsistema motora se udovoljno dobroj aproksimaciji mogu opisati kao kola prvog reda
Električni i mehanički podsistemi motora su spregnuti na dvanačina
1. Moment koji je ulaz mehaničkog podsistema zavisi od strujekoja je izlaz električnog
2. Elektromotorna sila kao poremećaj u električnom podsistemuzavisi od brzine koja je izlaz mehaničkog dela
7. Linearni regulatori u REMP
Osnovne komponente i princip rada REMP 55/30
7.1. Sistem automatskog upravljanja
Nadamo se da u ovom trenutku poznajete SAU, ali evo kratkoponavljanje o SAU, regulatorima …
Osnovne komponente i princip rada REMP 56/30
7.1. Sistem automatskog upravljanja
Funkcija povratnog (tzv. otvorenog) prenosa kojom se greškavodi na izlaz glasi
Funkcija spregnutog prenosa koja daje vezu izlaza i reference u sistemu sa negativnom jediničnom povratnom vezom glasi
Osnovne komponente i princip rada REMP 57/30
7.1. Sistem automatskog upravljanja
Za izlazni signal y(s) i signal greške e(s) se dobija
Osnovni zahtev SAU u stacionarnim režimima jeste nulta greškastacionarnog stanja,
i to će nama biti osnovni kriterijum za izbor tipa linearnog regulatora (ali nije i jedini).
Osnovne komponente i princip rada REMP 58/30
7.2. Odabir tipa regulatora – P tip
Ako se za regulaciju struje i brzine , čiji se objekti opisuju sa
koristi regulator P tipa, tipa, sa upravljačkim signalom koji je proporcionalan signalu greške �(�) = �� *�(�), i funkcijom prenosa Kp
Veza između izlaza i referentog ulaza glasi
Izlaz će biti jednak referenci samo za Kp beskonačno.
Osnovne komponente i princip rada REMP 59/30
7.3. Odabir tipa regulatora – I tip
Ako se za regulaciju struje i brzine , čiji se objekti opisuju sa
koristi regulator I tipa, tipa. Kod ovog tipa regulatora upravljačkisignal se formira kao integralna suma signala greške a funkcija prenosa je 1/sTi gde je reakcije integralnog dejstva ��.
Veza između izlaza i referentog ulaza glasi
Pa je izlaz jednak referenci, čak i pri poremećaju
Ali, odziv sistema je oscilatoran !!!!
Osnovne komponente i princip rada REMP 60/30
7.4. Odabir tipa regulatora – PI tip
Ako se za regulaciju struje i brzine , čiji se objekti opisuju sa
koristi regulator PI tipa
Sa proporcionalno integralnom akcijama
I funkcijom prenosa
Osnovne komponente i princip rada REMP 61/30
7.4. Odabir tipa regulatora – PI tip
Funkcija spregnutog prenosa sistema tipa filtra prvog reda sa PI regulatorom i njen moduo u stacionarnom stanju iznose, respektivno:
Greške nema, izlaz će u stacionarnom stanju biti jednak referenci, a pravilnim izborom Kp i Ki mogu da se eliminišu oscilacije !!!
Osnovne komponente i princip rada REMP 62/30
7.5. Modifikavani PI regulator za REMP
Prvi problem PI regulatora je pojava preskoka za Kp u direktnoj grani
Drugi problem je namotavanjesume integratora kada je izlaz u limitu.
8. Primeri sinteze parametara linearnih regulatora pogodnih za REMP
Osnovne komponente i princip rada REMP 64/30
Cilj je da se dobije željeni odziv, y(t), kako u stacionarnom stanju, tako i u prelaznom režimu
U stac. stanju želimo izlaz jednak ref.
8.1. Šta je cilj sinteze parametara PI reg.
0 0.05 0.1 0.15 0.20
0.5
Ulaz (REF)
1.5
vreme [s]
2.0
s1
A šta želimo u prelaznom režimu:Ulaz je odskočna referenca, treba da se ostvari na izlazu, šta želimo:
- Striktno aperiodičan odziv, bez imalo prebačaja
- što brži odziv sa malim prebačajem ?
- Još brži sa većim prebačajem?
Kada mora kompromis kada ne mora ?
presporo
sporo
idealno
prihvatljivo
Neprihvatljivo (nestabilno)
Osnovne komponente i princip rada REMP 65/30
Ako je sistem prvog reda, sinteza parametara je relativno prosta. Jedan način za sintezu parametara PI regulatora koji reguliše izlaz sistemaprvog reda je kompenzacija dominantne vremenske konstante
Funkcija otvorenog prenosa
Postupkom kompenzacije se eliminiše pol tako što se vreme reakcijePI reg. izjednači sa vremenskom konstantom sistema prvog reda �1,
pa funkcija otvorenog prenosa postaje
8.2. Podešavanje PI reg. za sistem I reda
Osnovne komponente i princip rada REMP 66/30
8.2. Podešavanje PI reg. za sistem I reda
A kakav je novi odnos izlaz/referenca, tj. funkcija spregnutog prenosa
ha, vidi zareze, greška u knjizi
Ima novi pol koji se može podesiti sa pojačanjem PI regulatora Kp.Ako se želi propusni opseg wgr, tj. da važi,
Željeni propusni opseg wgr će se dobiti za sledeće pojačanje Kp
Znači sa jednim parametrom PI regulatora poništimo stari pol, a sa drugim parametrom postavimo novi, obično brži pol!!!
Osnovne komponente i princip rada REMP 67/30
Funkcija spregnutog prenosa novonastalog sistema i dalje ima jedan pol, bez obzira na pojačanje odziv je aperiodičan bez oscilacija: idealno!Step odzivi za različita pojačanja. Za odabrano veće pojačanje Kp, dobija se širi propusni opseg (veće wgr), pol bliži Im osi, i sistem je brži.
8.2. Podešavanje PI reg. za sistem I reda
Osnovne komponente i princip rada REMP 68/30
Sistem drugog reda ima dva pola, pa nije moguće sa dva parametera PI regulatora poništiti oba pola i trećim parametrom (koga nema) podesiti novi pol, pa time i novu dinamiku sistema.
U većini sistema drugog reda, jedan pol ima mnogo veću vremensku konstantu pa je samim tim dominantan (praktično, jedino dominantan pol usporava uspostavljanje izlaza).Kod motora, struja se mnogo brže uspostavlja od brzine. T1 za električni podistem 100 us – 1ms (zavisi od veličine motora)T2 za mehanički podistem 1 ms– 1 s (zavisi od veličine motora)
8.3. Podešavanje PI reg. za sistem II reda
Sistem je sada drugog reda, sa dva prirodna pola
Osnovne komponente i princip rada REMP 69/30
Sistem drugog reda ima dva pola, pa nije moguće sa dva parametera PI regulatora poništiti oba pola i trećim parametrom (koga nema) podesiti novi pol, pa time i novu dinamiku sistema.
8.3. Podešavanje PI reg. za sistem II reda
Sa jednim PI regulatorom u ovom sistemu ne možemo dobiti aperiodičanodziv bilo kog propusnog opsega. Zato, za podešavanje PI regulatora neophodan je kompromis. Jedan od načina je opet kompenzacija, sada veće dominante vremenske konstante
A pojačanje PI regulatora se bira kao kompromis, da bude dovoljno veliko da sistem dovoljno brzo reaguje, a dovoljno malo da ne zaosciluje…
Osnovne komponente i princip rada REMP 70/30
8.3. Podešavanje PI reg. za sistem II reda
Ako je vremenom reakcije Ti poništen T2, funkcija spregnutog prenosa je
Dakle, zatvaranjem povrtane spreze se dobija sistem II reda, čija karakter.jednačina, pa i položaj polova, zavise od izabranog pojačanja ��
Osnovne komponente i princip rada REMP 71/30
8.3. Podešavanje PI reg. za sistem II reda
Za kvantitativnu predstavu uticaja položaja polova na odziv, u SAU se funkcija spregnutog prenosa drugog reda posmatra u formi filtraniskopropusnika drugog reda
Polovi ovog sistema su
Ako polovi ostanu realni, odziv ostane aperiodičan, a važi
Pri uvećanju faktora prigušenja � polovi se još više razdvajaju. U graničnom slučaju, � =1, polovi su realni ali i jednaki, ali sa daljim povećanjem pojačanja će da napuste Re osu
Kada polovi napuste Re osu postaju konjugovano kompleksni, �<1,
Tada se javljaju oscilacije na prirodnoj učestnosti para polova wn
Osnovne komponente i princip rada REMP 72/30
8.3. Podešavanje PI reg. za sistem II reda
Ilustracija uticaja povećanja pojačanja Kp na odziv i položaj polova
9. Prednost kaskadne strukture u REMP
Osnovne komponente i princip rada REMP 74/30
8. Prednosti kaskadne regulacije u REMP
Rezultat regulacije sistema I reda PI regulatorom je aperiodičanodziv i željena brzina odziva (propusni opseg)
Rezultat regulacije sistema II je kompromis, ne može uvek željena brzina odziva i aperiodični odziv
Osnovne komponente i princip rada REMP 75/30
9. Prednosti kaskadne regulacije u REMP
Motor je objekat II reda, onda ne može željena brzina i aperiodičan odziva?
Kada se elektromotorna sila tretira kao zavisna od brzine, za funkcijuotvorenog prenosa brzine od napona se dobija
Ako se to zanemari, jer je brzina sporopromenljiva, tada važi,
Osnovne komponente i princip rada REMP 76/30
9. Prednosti kaskadne regulacije u REMP
Razdvajanjem dinamika, u obe regulacione konture Pi regulator upravlja sistemom I reda. Svaki regulator poništi po jedan pol, a svako pojačanje podešava dinamiku svoje petlje. O ovome mnogo više u nastavku …
Rešenje pod b), kaskadna regulacija
10. Pretvarači energetske elektronike kojima se napajaju motori
Osnovne komponente i princip rada REMP 78/30
Neophodnost primene pretvarača u REMP
U REMP se tipično koriste tri regulacione petlje: petlju položaja(upravlja brzinom), petlju brzine (upravlja momentom) i petljumomenta/struje koja upravlja naponom na motoru).U bilo kojoj varijanti, u REMP jedino možemo da menjamonapon na motoru. Promenom napona promenimo struju motora,na osnovu te struje motor generiše moment, a taj moment utičena promenu brzine ili položaja vratila.
um
Pretvarači energetske elektronike menjaju oblik izlaznog napona.
Ništa bez promenljivog napona !
Osnovne komponente i princip rada REMP 79/30
Četiri tipa pretvarača: AC/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC
U REMP se koriste razne vrste pretvarača što zavisi od tipa napona izvora, tipa konvertora kao i od oblika napona koji treba motoru (DC ili AC)
Za motore jednosmerne struje koriste se tri kombinacije
Dodatno, topologija AC/DC konvertora zavisi od broja faza mreže
DC motor napajan promenjivim DC naponom iz regulisanog ispravljača a pogon energiju dobija iz AC mreže
DC motor napajan promenjivim DC naponom a pogon energiju dobija iz DC izvora (npr. akumulator)
DC motor napajan promenjivim DC naponom iz regulisanog DC/DC konvertora koji napaja neregulisani ispravljač. Pogon energiju dobija iz AC mreže
Osnovne komponente i princip rada REMP 80/30
Za motore naizmenične struje najčešće se koriste dve kombinacije
Topologija DC/AC pretvarača zavisi od broja faza motora
AC motor napajan promenjivim AC naponom a pogon energiju dobija iz DC izvora (npr. akumulator)
AC motor napajan promenjivim AC naponom a pogon energiju dobija iz AC mreže
Četiri tipa pretvarača: AC/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC
11. Prekidački izvori jednosmernog napona – primer DC/DC pretvarača (čoperi)
- Prost pretvarač dat kao primer u ovoj prezentaciji
Osnovne komponente i princip rada REMP 82/30
11.1 Jednokvadrantni čoper
-Samo jedan prekidački element
-Pretvarač je prost ali podržava samo jedan smer napona i struje
-samim tim i samo jedan kvadrant motorski režim i jedan smer brzine!
brzina
moment
Osnovne komponente i princip rada REMP 83/30
11.2 Četvorokvadrantni čoper (H - bridge)
-Četiri prekidačka elementa
-Četiri kvadranta – motorski/gen. režim i dva smera!
brzina
moment
Osnovne komponente i princip rada REMP 84/30
11.2. Četiri kvadranta u radu pogona
brzina
moment
w 0 pozitivan smer
M 0 pozitivan momentP 0 motorski režim
w 0 pozitivan smer
M 0 pozitivan momentP 0 generatorski režim
Predaje energiju vratilu i ubrzava ga u pozitivnom smeru
Uzima energiju sa vratilu i usporava ga
w 0 negativan smer
M 0 pozitivan momentP 0 generatorski režim
w 0 negativan smer
M 0 negativan momentP 0 motorski režim
Predaje energiju vratilu i ubrzava u negativnom smeru
Uzima energiju sa vratilu i usporava ga
Osnovne komponente i princip rada REMP 85/30
][32423022 VVV nfDC
][5642302323 VVV nfDC Trofazni ispravljač
Monofazni ispravljač
Tipična topologija AC/DC konvertora
Ispravljač ispravlja AC i daje neregulisani DC napon Neregulisani DC napon se uvodi u čoper koji ga
reguliše i nameće motoru regulisani DC napon
Napon u međukolu (na kondenzatoru) se ne može regulisati i zavisi od napona mreže
Napon na motoru zavisi od 1. napona na kondenzatoru i 2. faktora ispune prekidačkog DC/DC konvertora
12. Impulsno upravljanje pretvaračima-Impulsno širinska modulacija-
Rešenje, PWM – Pulse Width Modulation
Kako praktično ostvariti uout = uREF
Osnovne komponente i princip rada REMP 87/30
Zašto impulsno (prekidačko) upravljanje?
150V
300V
Kontinualni režim karakterišu veliki gubici na prekidačuPg=U*I (u datom primeru Us1=150V, za ia=10A ogromnih Pg=1500W)
Impulsni režim karakterišu najmanji mogući gubici Pg=U*I 0U stacionarnom stanju je uvek neko blizak nuli, ili napon ili struja Pg = 0 *I ili Pg = V *0
Princip rada prekidačkog DC/DC konvertora
300V
ua
ua
150V
Impulsno (prekidačko)
Kontinualno
Osnovne komponente i princip rada REMP 88/30
Pretpostavka je da je potrošač RL tipa (a većina jeste) koji seponaša kao filtar sa vremenskom konstantomLa/Ra >> Tpwm
Tada i pored prekidačkog napona izlazna struja neće imati značajnu spektralnu komponentu na prekidačkoj učestanosti.
Što manje talasnosti struje manja i talasnost momenta!
Princip rada prekidačkog DC/DC konvertora
Predata snaga je praktično Usr * Isr
Uvek ostane bar malo rippla
Osnovne komponente i princip rada REMP 89/30
a - faktor ispune (0,1) a=0 u=0a=1 u=Udc
Princip rada prekidačkog DC/DC konvertora
Talasni oblik napona na izlazu 1kv čoper
Srednja vrednost izlaznog napona 1kv čopera
Promenom faktora ispune možemo da menjamo srednju vrednost izlaznog napona!!!!
Tpwm-PWM periodaTon-vreme uključenjaToff-vreme isključenjaUout(t)-trenutna vrednost naponaUsr-srednja vrednost napona
Osnovne komponente i princip rada REMP 90/30
Princip rada prekidačkog DC/DC konvertora
Talasni oblik napona na izlazu 4kv čoper
Srednja vrednost izlaznog napona 4kv čopera
Oba znaka napona moguća kod 4kv čopera
Tpwm-PWM periodaTon-vreme uključenjaToff-vreme isključenjaUout(t)-trenutna vrednost naponaUsr-srednja vrednost napona
a - faktor ispune (0,1) a=0 u=-UDC
a=0.5 u=0a=1 u=+UDC
13. Kako se naponskimpretvaračem dobije željeni naponna izlazu a kako željena struja ?
Osnovne komponente i princip rada REMP 92/30
13.1. Pretvarač kao naponski izvor
Pretvarači energetske elektronike vrše pretvaranje električne energijeiz jednog oblika u drugi. Krajnji cilj je da se dobiju izlazni napon i/ilistruja odgovarajućeg oblika i parametara.
Pretvarača neko mora da zada referentni napon Uizl=UREF
U praksi, pretvaraču se šalju komandni impulse za sve njegove
pretvarače kojima će on da ostvariti referentni napon
Osnovne komponente i princip rada REMP 93/30
13.1. Pretvarač kao naponski izvor
Većina impulsnih pretvarača su naponski izvori
Trenutna vrednost njihovog izlaznog napona je ili Vdc ili 0
Struja se ne kontroliše, ona zavisi od potrošača, i savremenskom konstantom L/R teži vrednosti Vdc/R ili 0
Srednja vrednost izlaznog napona se može kontrolisatipromenom faktora ispune
Reguliše se SREDNJA vrednost napona na izlazu u jednoj PWMperiodi
Ako je na ulazu napon Uin , a željeni napona Uref, da biUout=Uref za faktor ispune se dobija m
faktor_ispune = Uref/Uin
Voltage Source - VS
300V
100V
a=1/3 100V (srednje)
Osnovne komponente i princip rada REMP 94/30
Po potrebi, na izlazu pretvarača je moguće regulisati struju, a ne napon. Koja je to potreba, pa , sve veća:1. U REMP treba struja, a ne napon 2. Za LED treba struja, ne napon3. Svi pretvarači u mrežu utiskuju struju, a ne napon
Pošto su strujni izvori nepraktični, željena izlazna struja se takođeostvaruje naponskim izvorom, ali strujno regulisanim. Strujno regulisannaponski izvor zadaje napon koji je potreban da se ukine greškaizmeđu zadate i merene izlazne struje.
Uizl=UREF Iizl=IREF
13.2 Pretvarač kao strujni izvor
Osnovne komponente i princip rada REMP 95/30
13.2. Strujno regulisani naponski izvor
Na izlazu naponskog pretvarača je moguće regulisati struju.
Potreba za tim je velika , kao prvi primer moment JMS jeproporcionalan struji armature, a ne naponu
Pošto su strujni izvori nepraktični, željena izlazna struja setakođe ostvaruje naponskim izvorom, ali strujno regulisanim
Na izlazu se meri struja i poredi sa referentnom.
Razlika se uvodi u regulator struje
Regulator struje menja referentni napon tako da se izlaznastruja izjednači sa željenom
Ref. napon se dobija na isti način kao i kod naponskog izvora
Current Regulated Voltage Source - CRVS
Osnovne komponente i princip rada REMP 96/30
Razlike između izvora napona i struje
1. Brža dinamika CRVS
- struja VS se sporo uspostavlja, zavisi od L/R
- Regulator CRVS poništi taj pol i ubrza sistem
2. Greška stac. Stanja
- Struja VS se menja sa promenom R
- Struja VS se kod REMP menja i sa promenom EMS
Ako je cilj I =Iref, CRVS je jedino rešenje