XXIV Skup TRENDOVI RAZVOJA: “DIGITALIZACIJA VISOKOG OBRAZOVANJA ”, Kopaonik, 21. - 23. 02. 2018.

168

Paper No.T1.6-2 09215

SAVREMENA LABORATORIJA ZA EDUKACIJU I ISTRAŽIVANJE U OBLASTI ENERGETSKE ELEKTRONIKE I UPRAVLJANJA NA

FAKULTETU TEHNIČKIH NAUKA U NOVOM SADU Evgenije Adžić1, Vlado Porobić2, Vladimir Katić3, Veran Vasić4, Darko Marčetić5

1,2,3,4,5Univerzitet u Novom Sadu, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, Srbija 1evgenije@uns.ac.rs

Kratak sadržaj: Eksperimentalni rad predstavlja neophodnu komponentu u edukaciji i istraživanju u svakoj

inženjerskoj oblasti, a posebno u oblasti energetske elektronike koja zauzima važno mesto u elektrotehnici kao tehnologija koja pruža efikasno upravljanje električnom energijom. Veliki broj različitih primena energetske elektronike povlači sa sobom raznovrsne topologije pretvarača, upravljačke i prilagodne elektronike, te postojeća rešenja za edukaciju i istraživanje često nisu dovoljno fleksibilna da omoguće komforan i efikasan rad. Usled toga su potrebna velika ulaganja u održavanje dobro opremljene laboratorije, pri čemu je fleksibilnost opreme u pogledu pokrivanja različitih savremenih primena energetske elektronike i dalje obično zadržana na niskom nivou. Primena različitih maketa i velikog broja raznovrsne opreme i kompleksnih eksperimentalnih postavki iziskuje ogroman napor i značajno vreme kako studenata, tako i istraživača i nastavnog osoblja pri čemu često izostaje željeni rezultat. Jedan način savladavanja ovog problema predstavlja upotreba računarskih simulacija i emulatora pretvarača u realnom vremenu. Međutim, rad i testiranje na stvarnoj eksperimentalnoj postavci u laboratoriji i dalje predstavlja nezamenljiv način da se upozna i istraži određena oblast. Cilj ovog rada je da predstavi savremeni koncept laboratorije iz energetske elektronike i upravljanja energetskim pretvaračima, koji je primenjen na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu, a intenzivno se koristi na specijalističkim strukovnim studijama. U laboratoriji se kombinuju računarska simulacija sa ciljem automatskog generisanja upravljačkog programa za digitalni kontroler, emulator uređaja energetske elektronike za inicijalnu proveru u bezbednom okruženju i fleksibilna hardverska postavka za konačnu proveru rada. Oprema pokriva sve važnije primene energetske elektronike kao što su efikasni elektromotorni pogoni, električna vozila, energetski pretvarači u okviru distribuiranih/obnovljivih izvora električne energije (solarne i vetro-elektrane) i uređaja za skladištenje električne energije, kao i pretvarače koji treba da omoguće prelazak sa konvencionalne elektroenergetske mreže u pametne mreže u našoj bližoj budućnosti.

Ključne reči: energetska elektronika, energetski pretvarači, upravljanje energetskim pretvaračima, laboratorija, edukacija, istraživanje

POWER ELECTRONICS COMPREHENSIVE EQUIPMENT FOR EDUCATION

AND RESEARCH AT FACULTY OF TECHNICAL SCIENCES Abstract: Experimentation is extremely important for research, development and education in the field of

power electronics and its applications. However, the equipment is usually inflexible due to various topologies, different controllers and interfaces. Therefore, the investment in both material and money is very high to establish and maintain a good laboratory and still the flexibility is limited. One way to cope with the issue is simulation, off-line and real time. However, testing on real hardware is irreplaceable and invaluable especially for younger researchers and engineers. In this paper one flexible reconfigurable platform is presented, which is applied at Faculty of Technical Sciences in Novi Sad, and represent good example how modern power electronics laboratory can be realized. It can stand for different emerging power electronics applications such as efficient motor drives, electrical vehicles, power electronics devices in distributed/renewable energy sources and energy storage applications, and power electronics devices for future smart grid. Usage of flexible hardware and software platform including some specific power electronics applications are described in more detail.

Key Words: power electronics, power converters, digital control of electrical drives, laboratory, education, research

1. UVOD

Proces edukacije i razvoja uređaja energetske elektronike, upravljačke elektronike i kontrolnih algoritama zahteva veliku svestranost, stručnost i veštine iz različitih oblasti. Tradicionalne eksperimentalne postavke za testiranje uređaja koji se tu primenjuju su obično nedovoljno fleksibilne i veoma skupe, i zahtevaju ogroman napor i vreme za upoznavanje i održavanje, kako nastavnog osoblja, a pre svega studenata. Postojeća oprema obično obuhvata po jednu vrstu topologije pretvarača i namenski kontroler koji je zatvoren za programiranje i bilo kakve izmene. Međutim, kako bi se eksperimentalno proverili raznovrsni upravljački algoritmi za savremene pretvarače energetske elektronike, laboratorijska oprema mora da bude vrlo fleksibilna kako u smislu promene topologije

1

XXIV Skup TRENDOVI RAZVOJA: “DIGITALIZACIJA VISOKOG OBRAZOVANJA ”, Kopaonik, 21. - 23. 02. 2018.

169

pretvarača, tako i u smislu povezivanja sa spoljnom opremom: senzorima, nadređenim kontrolerima, i komunikacionim mrežama [1-2]. Od ključne važnosti je da platforma bude otvorena za izmenu upravljačkog programa za korišćeni kontrolni sklop koji po mogućstvu treba da bude podržan od strane savremenih softverskih alata za grafičko programiranje i debagovanje što je odlika alata za brz razvoj prototipova. Na taj način, studenti i istraživači koji jednom postanu familijarni sa hardverskom postavkom koja podseća na krajnji industrijski uređaj, mogu da se fokusiraju na razvoj naprednih upravljačkih algoritama, njihovo testiranje i unapređivanje.

Postoji nekoliko savremenih alata koji to omogućavaju. Primena simulacionih alata i emulatora uređaja predstavlja atraktivan i poželjan pristup u istraživanju i obrazovanju na polju razvoja energetskih pretvarača i upravljanja pretvaračima, naročito ako se problem posmatra sa bezbedonosnog aspekta. Ovo naročito važi za studente na početnim godinama studija i mlade istraživače, kada preduzimaju prve korake u upoznavanju sa elementarnim principima rada ovih uređaja. Međutim, te alate inherentno odlikuje jedna zajednička mana: činjenica da nisu stvarni uređaji. Kada govorimo o fakultetskoj nastavi i istraživačkim centrima, ovo se odražava na dva glavna načina. Prvo, uvek postoji određeni nivo rezervisanosti u pogledu tačnosti i relevantnosti dobijenih simulacionih i emulacionih rezultata, bez obzira koliko detaljno su modelovane posmatrane pojave. Drugo, nedostatak korišćenja simulacije u procesu obrazovanja je da teoretska pojašnjenja ne omogućavaju studentima da u potpunosti razumeju pojave koje se mogu savladati samo kroz praktičan eksperimentalan rad. Štaviše, kako u tim slučajevima studenti upravljaju, testiraju i posmatraju pojave na ekranu računara, mogu pogrešno protumačiti eksperiment kao neki vid simulacije. Stoga je eksperimentisanje u laboratoriji jedini pravi način za praćenje teorijske nastave, za bolji kvalitet nastave i bolje razumevanje. Sa druge strane, istraživačima u oblasti energetske elektronike i upravljanja pretvaračima su potrebne prave eksperimentalne postavke za razvoj i testiranje uređaja i upravljačkih sklopova [3-4].

Postoji tri glavna izazova koja treba rešiti u pogledu eksperimentalnih postavki: 1. Izgradnja ili izmena pretvaračkog dela uređaja je obično vremenski zahtevan proces koji ne omogućava širu

nadogradnju. Takođe je potrebno značajno iskustvo kako bi energetski deo radio bezbedno i pouzdano. 2. Povezivanje upravljačkog sklopa zahteva značajno vreme zbog potrebe za razvojem štampanih ploča sa

različitim prilagodnim kolima. Sve dalje modifikacije zahtevaju dodatan napor ili razvoj nove ploče. Neretko je kod takvih postavki kontroler distanciran od energetskog dela pretvarača kojim upravlja, što smanjuje pouzdanost u radu i često utiče na rezultate merenja i upravljačke signale.

3. Razvoj upravljačkog programa se obično vrši u programskim jezicima relativno niskog nivoa kao što je C ili asembler, što dalje zahteva više vremena za dublje razumevanje celokupne strukture koda i same izmene. Pored toga, često je u tim situacijama upravljački kod potrebno pisati od početka.

Gore navedeni postupci predstavljaju prave izazove čak i za iskusnije inženjere. Još veće izazove predstavljaju za neiskusne inženjere, doktorante, istraživače i studente energetske elektronike, koji se ne susreću mnogo tokom studija sa projektovanjem elektronskih sklopova i programiranjem. Konačno, nabavka opreme za temeljna i raznovrsna istraživanja i edukaciju na obimnom polju energetske elektronike predstavlja veliku novčanu investiciju. Jednostavno, veliki broj raznovrsne opreme neophodan je kako bi studenti obavili širok spektar eksperimenata koji potvrđuju teoretsko gradivo koje im se predaje u okviru nastavnog programa.

Kako bi se jednostavnije nosili sa navedenim izazovima, razvijena je sveobuhvatna platforma PECP. PECP se koristi na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu, naročito na specijalističkim studijama elektroenergetike i energetske elektronike, i projektovana je sa ciljem rešavanja navedenih problema. To je postignuto na sledeći način:

1. PECP zamenjuje gabaritne laboratorijske postavke konfigurabilnom platformom koja se može jednostavno povezati da pokrije sve važnije primene pretvarača energetske elektronike koje se razmatraju u okviru nastavnog procesa: elektromotorni pogoni sa svim osnovnim tipovima električnih mašina (i šire, npr. petofazne/šestofazne mašine), aktivni filtri, pretvarači prema mreži, fotonaponski (PV) pretvarači, prilagodljivi uređaji prenosa naizmenične struje (FACTS), elektronski transformatori, dvostruki pretvarači, pretvarači u okviru električnih vozila, punjači akumulatora i dr. PECP podržava i šire istraživačke oblasti kao što su pametne mreže, u kojima se koristi više namenski programiranih PECP uređaja koji međusobno komuniciraju preko odabrane komunikacione mreže.

2. PECP na elegantan, pouzdan i bezbedan način rešava problem integracije popularnih upravljačkih sklopova kao što su Texas Instruments mikrokontroleri iz serije C2000 (namenjenih za upravljanje energetskim pretvaračima) i dSPACE razvojne platforme. Štaviše, interfejsi prema standardnim senzorima kao što su enkoderi, rezolveri, tahogeneratori i pločama za merenje visokih napona i velikih struja su već rešeni.

3. Platforma podržava razvoj upravljačkih algoritama i njihovo testiranje direktno iz grafičkog okruženja kao što je široko rasprostranjeni Matlab/Simulink. Ova funkcionalnost se naziva automatsko generisanje upravljačkog koda. Za napredne eksperimente, podržan je i tzv. scripting, mogućnost interakcije sa pretvaračem i definisanja programa za testiranje iz standardnih programskih okruženja visokog nivoa kao što su: Matlab, LabView i Pyton.

Rekonfigurabilna priroda PECP-a omogućava da se izvrše različiti eksperimenti na jednom istom komadu opreme, što automatski dovodi do značajnog smanjivanja troškova i prostora za laboratoriju, ali i do bitnijeg skraćivanja vremena potrebnog za puštanje željene aplikacije u rad. Sve ključne komponente PECP-a su prikazane na slici 1. Kontrolna kartica, kao što je npr. TMS320F28335 iz Texas Instruments-ove serije C2000, povezuje se preko matične interfejs ploče MB na standardni industrijski frekventni pretvarač PS, formirajući na taj način konfigurabilni energetski pretvarač. Pomoćne kartice se mogu podeliti na tri vrste: aplikaciona APP, komunikaciona COMM i kartica opšte namene GPIO. Pomoćne kartice proširuju moguć opseg primena PECP-a, a u pogledu

2

XXIV Skup TRENDOVI RAZVOJA: “DIGITALIZACIJA VISOKOG OBRAZOVANJA ”, Kopaonik, 21. - 23. 02. 2018.

170

povezivanja sa senzorima tipičnim za primene energetske elektronike, komunikacionim mrežama i kontrolnim/nadzornim perifernim elementima opšte namene. Izabrani kontroler interaguje sa pomoćnim karticama putem glavne matične ploče, koja poseduje univerzalni konektor prema svakoj pojedinačnoj pomoćnoj kartici. PECP platforma obuhvata i napredno softversko okruženje iz kojeg se može izvršiti konfiguracija programabilnih karakteristika pretvarača (kao što su npr. strujna/naponska pojačanja i strujni/naponski limiti za zaštitu pretvarača), nadređeno upravljanje pretvaračem, kao i akvizicija i prikaz podataka sa kontrolera u cilju detaljnog ispitivanja (tzv. debagovanja) rada uređaja. Softversko okruženje PECP-a uključuje i softverske biblioteke sa osnovnim funkcijama za kontrolu i nadzor uređaja za tri glavna standardna programska okruženja: Matlab, LabView i Pyton, što dodatno omogućava automatizaciju nastave i istraživanja.

Slika 1. Rekonfigurabilna laboratorijska postavka – PECP.

2. PECP SISTEM

PECP obezbeđuje pristup svim relevantnim energetskim priključcima standardnog trofaznog frekventnog pretvarača, kao što su AC mrežni priključci, DC kolo, AC opterećenje ili izvor, te se može primeniti na više različitih načina. Na primer, energetski deo se može koristiti za monofazni ili trofazni elektromotorni pogon (asinhrone, sinhrone, BLDC mašine), kao pretvarač povezan na mrežu (STATCOM, aktivni filtar, aktivni ispravljač, itd.) ali i u DC aplikacijama kao što su PV (photo-voltaic) podizač napona, punjač akumulatora ili pogon sa mašinom jednosmerne struje sa nezavisnom pobudom. Na taj način se jedna ili više PECP jedinica mogu iskoristiti za različite primene u smislu topologije pretvarača. Sa druge strane, svaka jedinica se može odabrati za opseg snage od 0,5 kVA do 130 kVA, pri čemu napon DC kola može varirati u opsegu od 48 V do 800 V.

Pomoćne kartice proširuju sveukupnu konfigurabilnost i fleksibilnost PECP jedinice, na taj način što omogućavaju direktno priključenje senzora koji se koriste u primenama energetske elektronike. Tako su razvijene kartice za direktno povezivanje standardnih enkodera i rezolvera različitih naponskih nivoa, kartice za merenje visokih napona i velikih struja, programabilnih logičkih kontrolera i različitih perifernih uređaja kao što su kontaktori, tasteri, signalne sijalice, merni uređaji, merni instrumenti itd. Postoje tri vrste pomoćnih kartica: aplikaciona APP, komunikaciona COMM i kartica opšte namene sa digitalnim/analognim relejnim/naponskim/strujnim interfejsom GPIO. Aplikaciona kartica obezbeđuje priključak različitih senzora direktno na kontroler. Npr. ukoliko se razmatra elektromotorni pogon, priključuje se enkoderska ili rezolverska kartica, a ukoliko se radi na pretvaraču koji se povezuje na mrežu, umesto nje postavlja se aplikaciona kartica za merenje mrežnog napona. Aplikacione kartice podržavaju različite naponske nivoe senzora, u zavisnosti od potreba konkretne razmatrane primene. Komunikacione kartice omogućavaju direktno priključenje PECP jedinice na neku od standardnih industrijskih komunikacionih mreža kao što su Ethernet, CAN, RS-485, RS-232, JTAG i druge, te omogućavaju formiranje složenijih sistema kao što su npr. pametne mreže. GPIO kartice obezbeđuju direktnu spregu digitalnih/analognih signala između eksternih perifernih uređaja opšte namene i kontrolera. Sve pomoćne kartice obezbeđuju galvansko odvajanje između korisnika i kontrolera, što nudi veći nivo pouzdanosti i sigurnosti u radu. Matična ploča i kontroler komuniciraju sa namenskom PC aplikacijom putem USB/UART interfejs kola. Konfiguracija pojačanja i ofseta odgovarajućih mernih prilagodnih kola na matičnoj ploči vrši se preko posebnih konzolnih aplikacija koje se pozivaju iz menija glavne aplikacije prikazane na slici 2b. Glavna aplikacija zadužena je za akviziciju podataka sa PECP sistema (pretvarača i kontrolera) kao i njihovo prikazivanje. Sva merenja i sve promenljive definisane u kontroleru dostupne su u okviru softvera koristeći osciloskopsku funkciju. Ugrađeni softverski osciloskop podržava simultani prenos do 8 analognih kanala odabiranih na maksimalnoj prekidačkoj učestanosti pretvarača (ili manjoj po izboru), sa brzinom osvežavanja od 4 ekrana u sekundi (u realnom vremenu).

3. PRIMER PRIMENE PECP SISTEMA

Jedna od interesantnih i atraktivnih primena fleksibilnosti PECP jedinice je da se može konfigurisati za specijalizovanu namenu. Tako je na slici 2 prikazan PECP sistem gde je iskorišćen kao pogon dinamo mašine za upravljanje momentom opterećenja ispitivane mašine koja sa svoje strane može biti pogonjena drugom PECP jedinicom na kojoj se razvija ili ispituje upravljanje za ispitivanu mašinu.

3

XXIV Skup TRENDOVI RAZVOJA: “DIGITALIZACIJA VISOKOG OBRAZOVANJA ”, Kopaonik, 21. - 23. 02. 2018.

171

Slika 2. a) PECP sistem konfigurisan kao dinamo pogon; b) Softversko okruženje PECP sistema.

Komandni prozor napravljen u okviru softverskog okruženja PECP sistema prikazan je na slici 3a. Pored osnovnih komandi pokretanja i zaustavljanja rada dinamo mašine, okruženje omogućava sekvencijalno zadavanje momenta opterećenja gde se može definisati trajanje i tip sekvence. Tip sekvence podrazumeva zadavanje konstantnog, linearno ili kvadratno zavisnog momenta opterećenja (od brzine), ili njihovu kombinaciju. Zadati profil momenta moguće je posmatrati na određenom grafiku. Merenja prikazana na slici 3b izvršena su u okviru softverskog okruženja PECP-a korišćenjem osciloskopske funkcije. U datom primeru, posmatra se odziv sistema na promenu reaktivnog tipa opterećenja nezavisnog od brzine obrtanja, što je uobičajeno za testiranje mašine i upravljačkih algoritama. Slika 3b prikazuje vrednosti reference i ostvarenog momenta opterećenja, kao i fazne struje dinamo mašine.

Slika 3. a) Softversko okruženje PECP sistema prilagođeno konkretnoj primeni – dinamo mašina; b) Osciloskopska funkcija za posmatranje relevantnih veličina, ovde momenta opterećenja i struja dinamo mašine.

4. ZAKLJUČAK

U ovom radu prikazano je efikasno hardversko i softversko rešenje koje se može primeniti u nastavi i istraživanju u oblasti energetske elektronike. Fleksibilnost u pogledu topologija, snage, naponskih/strujnih nivoa, i interfejsa prema korisniku predstavljaju ključne elemente koji omogućavaju pokrivanje većeg broja primena energetske elektronike, kao što je ovde predstavljeni dinamo pogon. Namenski softver omogućava jednostavnu konfiguraciju sistema i rad u smislu nadređene kontrole i posmatranja rada uređaja u realnom vremenu, pri čemu su dostupne sve promenljive definisane u kontroleru. Korišćenjem industrijskog pretvarača, specijalno projektovanih i galvanski izolovanih interfejs kartica, kao i intuitivnog softverskog okruženja, napravljen je pouzdan i siguran sistem koji se koristi u laboratorijama Fakulteta tehničkih nauka, naročito na specijalističkim studijama.

5. LITERATURA

[1] R. S. Balog, Z. Sorchini, J. W. Kimball, P. L. Chapman, P. T. Krein, and P. W. Sauer, Blue-box approach to power electronics and machines educational laboratories, in Proc. IEEE Power Eng. Soc. Gen. Meeting, Jun. 2005, vol. 2, pp. 1176–1184.

[2] J. M. Williams, J. L. Cale, N. D. Benavides, J. D. Wooldridge, A. C. Koenig, J. L. Tichenor, and S.D. Pekarek, Versatile hardware and software tools for educating students in power electronics, IEEE Trans. Educ., vol. 47, no. 4, pp. 436–445, Nov. 2004.

[3] V. Leite, J. Barbosa, H. Teixeira, and R. E. Araujo, A generic converter for experimentation based power electronics learning, in Proc. Eur. Conf. Power Electron. Appl., 2005, pp. 10–10.

[4] Carina Savander-Ranne, Olli-Pekka Lundén, and Samuli Kolari, An Alternative Teaching Method for Electrical Engineering Courses, IEEE Trans. on Education, vol. 51, no. 4, November 2008.

4