2008-02-25 1
Električni pogoni
Zašto je potrebna promenljiva brzina obrtanja?
Svi procesi se mogu podeliti na:
•Procese kojima se realizuje transport materijala:
– čvrstog agregatnog stanja
– tečnosti i gasovi
•Procese kojima se realizuje
obrada materijala.
2008-02-25 2
Električni pogoniUpravljanje ili regulacija?
UPRAVLJANJE
REGULACIJA
2008-02-25 3
Električni pogoni
Kako realizovati pogon sa promenljivom brzinom?
•Motorima jednosmerne struje. Nekada
•Motorima naizmenične struje. Sada– Asinhroni motori.
– Sinhroni motori (sa permanentnim magnetima).
2008-02-25 4
Električni pogoniŠta čini električni pogon?
Motor Proces
Povratne sprege
Električno napajanje
Korisnički interfejs
FR
2008-02-25 5
m
ω mm
ω ω
mm
ω ω
Kvadranti
MMG
G
2008-02-25 6
Električni pogoni-Tipovi opterećenja-
2008-02-25 7
Električni pogoni-Tipovi opterećenja-
2008-02-25 8
Električni pogoni-Potencijalno opterećenje-
2008-02-25 9
Električni pogoni-Potencijalno opterećenje-
2008-02-25 10
V V
mm = rMg
Mg Mg
mm = rMgm m
Električni pogoni-Potencijalno opterećenje-
2008-02-25 11
Električni pogoni-Stacionarna radna tačka-
2008-02-25 12
Električni pogoni-Stacionarna radna tačka-
2008-02-25 13
Električni pogoni-Koliko traje zalet asinhronog motora?-
ubrzanjazaleta m
Jt ω⋅=
2008-02-25 14
Električni pogoni -Frekventni regulator-
2008-02-25 15
Električni pogoni -Frekventni regulator-
2008-02-25 16
• Pretvara naizmenični napon u jednosmerni.
• Uobičajena konfiguracija je diodni most.
• Za veće snage obično se koriste poluupravljivi mostovi.
Električni pogoni -Frekventni regulator. Ispravljač-
2008-02-25 17
2008-02-25 18
2008-02-25 19
Električni pogoni -Frekventni regulator. DC Bus-
Jednosmerno međukolo strujnih inverotra.
Jednosmerno međukolo naponskih inverotra.
2008-02-25 20
• U kondenzatoru je akumulirana energije.• Filtriranje jednosmernog napona iz ispravljača.• Napajanje kontrolne ploče i perifernih uređaja.• Kolo za punjenje kondenzatora.
DC Bus
DC Filter
Električni pogoni -Frekventni regulator. DC Bus-
maxldc UU ⋅= 2
VUdc 5604002 =⋅=
2008-02-25 21
• Transformiše DC napon u AC promenljive frekvencije i amplitude.
Najčešće je upotrebljen IGBT kao energetski prekidač.
Električni pogoni -Frekventni regulator. Invertor-
DC to AC Inverter
IGBTs
AC Izlaz
M
Trofaznim naponskim invertorom motor se napaja promenljivim naponom promenljive učestanosti Voltage Source Inverter.Ili se koristi kao pojačavač u regulatorima struje sa zatvorenom petljom po struji Current RegulatedPWM Inverter.
2008-02-25 22
• U FR koriste se različite tehnike impulsno širinskemodulacije u cilju postizanja: minimalne snage gubitaka, maksimalnog iskorišćenja ulaznog napona, izlazni oblici napona i struje sa niskim sadržajem harmonika ....
Električni pogoni -Frekventni regulator. Invertor-
DC to AC Inverter
IGBTs
AC Izlaz
M
2008-02-25 23
• Dve najčešće sretane strategije IŠM su:
Električni pogoni -Frekventni regulator. Invertor-
• Sinusni PWM sa trougaonim nosiocem
• IŠM zasnovana na modulaciji prostornim vektorom – Space Vector PWM (SVPWM)
2008-02-25 24
Noseći signalModulišući
(referentni) signalŽeljeni oblik
izlaznog napona
PWM naponStruja motora
Električni pogoni -Frekventni regulator. PWM-• Prve
realizacije PWM bile su analogne
• Sadašnji specijalizovani DSP i μC poseduju PWM jedinice
2008-02-25 25
-Uticaj prekidačke učestanosti na struju motora.-
• Trougaoni nosilac ima višestruko veću učestanost od modulišućeg signala. Njegova učestanost predstavlja prekidačku učestanost invertora.• Ako je učestanost nosioca celobrojanumnožak osnovne učestanosti izlaznog napona govorimo o sinhronizovanoj sinusnoj modulaciji
2008-02-25 26
Električni pogoni -Frekventni regulator. PWM-
• Prve realizacije PWM bile su analogne
Swa+
Swa-
Swb+
Swb-
Swc+
Swc-
PWM PWMPWM
SWa SWb SWc
Carrier
ua
ub
uc
UaN
UbN
UcN
-E/2
E/2
t=kTS
Carrier
tk+
PWM wawe
Modulation signal
t=(k+1)TS
0
1
-1
0
1
-1
u(k)
tk-=TS- tk+
2008-02-25 27
2008-02-25 28
Električni pogoni -Frekventni regulator. PWM-
• Osnovne veličinesinffm tr
f =
sinVVm tr
a =
•gde je:
• mf – indeks frekvencijske modulacije
• ftr – učestanost nosećeg signala
• fsin – učestanost modulišućeg signala
•ma – indeks amplitudske modulacije
•Vtr – amplituda trougaonog nosioca
•Vsin – amplituda modulišućeg signala
2008-02-25 29
Električni pogoni -Frekventni regulator. PWM-
• Rad PWM modulatora se može podeliti u dve oblasti:
•Linearnu oblast ma≤1. Kada je ftr≥20⋅fsin važi da je pojačanje modulatora ≈1
•Nelinearna oblast ma≥1 pojačanje modulatora je ≤ 1. Granica koja označava kraj nelinearne oblasti je početak kvadratnog režima rada six-step.
2008-02-25 303,241ma
nadmodulacija
kvadratni rad
za mf = 15
kvadratni rad
linearni deo
0
d
LL1V
(rms) V
78,06=
π
612,022
3=
Električni pogoni -Oblasti rada PWM modulatora:-
2008-02-25 31
Električni pogoni -Oblasti rada PWM modulatora:-
• Izlazni napon grane invertora prema negativnom polu
*a
u
*a
uEuaN ⋅=
• gde je modulišući signal iskazan preko indeksa amp. modulacije
)sin()(* tmtu aa ω=
2008-02-25 32
Električni pogoni -Oblasti rada PWM modulatora:-
• Izlazni međufazni naponi se mogu izraziti kaocabcab uuu ,,
)6
sin(3)()()( πω +=−= tmEtututu abNaNab)
65sin(3
2)()()( πω +=−= tmEtututu acNbNbc
)2
3sin(32
)()()( πω +=−= tmEtututu aaNcNca
2008-02-25 33
TC+
Vd
Vd
180o
180o0
TA+
TA-
0
0
0
TB-
TB+
tω1
tω1
tω1
tω1
TC-
TC+
UAN
UBN
UCN
UAB
uLL1
Električni pogoni -Oblasti rada PWM modulatora:-
• Napon PWM invertora na granici nelinearne oblasti:
2008-02-25 34
MUDC1,0,0
0,0,1 1,0,1
0,1,1
0,1,0 1,1,0
Električni pogoni -Frekventni regulator. SVPWM-
2008-02-25 35
2008-02-25 36
2008-02-25 37
2008-02-25 38
2008-02-25 39
2008-02-25 40
2008-02-25 41
2008-02-25 42
2008-02-25 43
2008-02-25 44
Električni pogoni -Automatska adaptacija parametra-
2008-02-25 45
Električni pogoni -Automatska adaptacija parametra-
2008-02-25 46
Električni pogoni -Automatska adaptacija parametra-
2008-02-25 47
Šta nam frekventni regulatori omogućuju?
2008-02-25 48
Električni pogoni - Oblici referentnih signala brzine-
2008-02-25 49
Električni pogoni -Zašto soft start?-
2008-02-25 50
Električni pogoni -Zašto soft start?-
2008-02-25 51
Električni pogoni -Zašto soft start?-
2008-02-25 52
Električni pogoni -Soft start-
2008-02-25 53
Električni pogoni -Soft start-
2008-02-25 54
2008-02-25 55
Električni pogoni -Leteći start-
2008-02-25 56
Električni pogoni -Kompenzacija klizanja-
BRZINA
50%
100%
%mm
zadata
2008-02-25 57
Električni pogoni -Eliminacija mehaničkih vibracija preskokom
učestanosti-
2008-02-25 58
Električni pogoni -Zaustavljanje pogona injektovanjem
jednosmerne struje-
2008-02-25 59
Električni pogoni -Momentna karakteristika asinhronog motora
napajanog jednosmernom strujom-
2008-02-25 60
Električni pogoni -Zaustavljanje pogona injektovanjem
jednosmerne struje-
Kako dobijamo DC napon?
2008-02-25 61
Električni pogoni -Zaustavljanje pogona injektovanjem jednosmerne
struje-
2008-02-25 62
Električni pogoni - Paralelan rad-
Kako zaštiti motor?Adaptacija parametara?Priključenje motora?
2008-02-25 63
Električni pogoni -Povratna sprega po procesnoj
veličini-
2008-02-25 64
Električni pogoni -Total stop-
2008-02-25 65
2008-02-25 66
Električni pogoni -Pogon pumpi-
2008-02-25 67
Električni pogoni -Pogon pumpi-
2008-02-25 68
2008-02-25 69
Električni pogoni -Automatic Energy Optimization AEO-
2008-02-25 70
Električni pogoni -Pogon pumpi-
2008-02-25 71
2008-02-25 72
2008-02-25 73
Električni pogoni -Pogon pumpi-
2008-02-25 74
2008-02-25 75
Električni pogoni - Kočenje -
2008-02-25 76
Električni pogoni - Kočenje -
Blok dijagram
KAKO IZGLEDA ELEKTRIČNA ŠEMA?
2008-02-25 77
Električni pogoni - Kočenje -
RP
I kocenjabimetala =
Kako podesiti bimetal?
2008-02-25 78
Električni pogoni - Laoda Sharing. Razmena energije u DC Kolu. -
Sa izvorom jednosmernog napona.
2008-02-25 79
Električni pogoni - Laoda Sharing. Razmena energije u DC Kolu. -
Sa jednim velikim pogonom.
2008-02-25 80
Električni pogoni - Laoda Sharing. Razmena energije u DC Kolu. -
Tipična aplikacija.
2008-02-25 81
2008-02-25 82
Električni pogoni -Frekventni regulator i struja mreže-
Da li je struja mreže kontinualna? Kakav je talasni oblik?
2008-02-25 83
Električni pogoni -Frekventni regulator i struja mreže-
2008-02-25 84
Električni pogoni -Frekventni regulator i struja mreže-
2008-02-25 85
Električni pogoni -Frekventni regulator i struja mreže-
ZADATAKOsciloskopom pogledati talasni oblik struje na ulazu u frekventni regulator.
2008-02-25 86
Električni pogoni -Frekventni regulator i napon mreže-
Zatupljene sinusoide napona mreže.
2008-02-25 87
Električni pogoni -Frekventni regulator i struja mreže-
2008-02-25 88
Električni pogoni -Frekventni regulator i struja mreže-
2008-02-25 89
Električni pogoni -Frekventni regulator i struja mreže-
2008-02-25 90
Električni pogoni -Frekventni regulator i struja mreže-
2008-02-25 91
Električni pogoni -Frekventni regulator i napon mreže-
Nema zatupljenosti sinusoida napona mreže.
2008-02-25 92
Električni pogoni -Frekventni regulator i struja mreže-
Prednost:smanjen je THD, 5-, 7-harmonik su eliminisani. Mana: cena je za 50% veća.
2008-02-25 93
Električni pogoni -Frekventni regulator i struja mreže-
2008-02-25 94
Električni pogoni -Frekventni regulator i struja mreže-
Zaključak: Koristimo tamo gde sa zahtevaju mala izobličenja napona.
2008-02-25 95
• “U/f” pogon. – Otvorena povratna petlja po
brzini sa ili bez kompenzacije klizanja.
– Zatvorena povratna petlja po brzini.
• “Vektorska regulacija bez davača pozicije” sensorless.
• “Vektorska regulacija fluksa”.
U/f
VECTORCONTOL
FLUX VECTOR
Električni pogoni -Varijante regulacije-
2008-02-25 96
190
380
25 50fOb/min750 1500
0
Nominalni napon
Električni pogoni -Regulacija U/f = const.-U
U/f kriva pokušava da održi konstantan fluks u vazdušnom zazoru motora.
2008-02-25 97
AM
U/f Krive
PI
DBReferentna frekvencijaili brzina
Kompenz. klizanja
Električni pogoni -Regulacija U/f = const.-
PWM Invertor
2008-02-25 98
Električni pogoni -Regulacija U/f. VVC-
2008-02-25 99
Stator Rotor
R1 XLS
XM
XLR
R2 / KlizanjeVl
Električni pogoni -Regulacija U/f. VVC-
Is0
Prazan hod. Struja rotora je nula.
2008-02-25 100
Stator Rotor
R1 XLS
XM
XLR
R2 / KlizanjeVl +Vcomp
Električni pogoni -Regulacija U/f. VVC-
Is
Opterećenje.
Ir
2008-02-25 101
• Jednostavno za realizaciju. • Niska cena.• Lako za podešavanje.• Nije potreban dodatni hardver.• Moguće je povezati više motora na jedan
frekventni regulator.
Električni pogoni -Regulacija U/f. Prednosti-
2008-02-25 102
• Loše dinamičke karakteristike.• Loša tačnost regulacije brzine.• Nije moguće nezavisno kontrolisati fluks i
momenat motora.• Potrebna je veća struja da proizvede isti
moment nego kod vektorske regulacije.
Električni pogoni -Regulacija U/f. Mane-
2008-02-25 103
• Održava fluks u vazdušnom zazoru konstantnim.• Nezavisna kontrola fluksa i momenta kao kod DC
motora.• Potrebna je informacija o položaju rotora.
– Bez davača pozicije (sensorless).– Sa davačem pozicije.
Električni pogoni -Vektorska regulacija-
2008-02-25 104
Električni pogoni -Vektorska regulacija. Princip-
α = a
d
βq
is
iq idθiα
iβψr
aii =α
( )cb iii +=3
1β
θθ βα sincos ⋅+⋅= iiid
θθ βα cossin ⋅+⋅−= iiiq
2008-02-25 105
PIPI ωSV
PWMInve-rtor
Modelmotora
d,q α,
β
d,q
α,β
a,b,c
α,β
AC Motor
iq* V*sα
VDCn*
Park-1
θ
id
iqiαiβ
Slabljenje polja
Park Klark
nprocenjeno
-
-
-
Električni pogoni -Vektorska regulacija. Sensorless-
PIid*
V*sβ
V*sq
V*sd
2008-02-25 106
• Dobre strane– Bolja dinamika nego
kod U/f reg.– Pun momenat pri
maloj frekvenciji.– Efikasna kontrola
struje. – Nije potreban
dodatni hardver.
• Loše strane– Nema punog momenta
pri nultoj brzini.– Ograničene
autotjuningmogućnosti.
– Teško podešavanje. Potrebno odlično poznavanje motora.
– Nema mogućnosti povezivanja više motora na jedan frekventni reg.
Električni pogoni -Sensorless. Prednosti i mane-
2008-02-25 107
PIPI ωSV
PWMInve-rtor
Modelmotora
d,q α,
β
d,q
α,β
a,b,c
α,β
AC Motor
iq* V*sα
VDCn*
Park-1
θ
id
iqiαiβ
Slabljenje polja
Park Klark
-
-
-
Električni pogoni -Vektorska regulacija fluksa-
PIid*
V*sβ
V*sq
V*sd
En
2008-02-25 108
• Prednosti.– Pun momenat pri
nultoj brzini. – Optimalna kontrola
struje. – Mogućnost
autotjuninga.– Autotjuning moguć
i u radu.
• Mane– Nema
mogućnosti povezivanja više motora.
– Potreban dodatni hardver (povratna sprega po poziciji).
Električni pogoni -Vektorska regulacija fluksa-
2008-02-25 109
Regulacione petlje su način da se upravlja pojedinim veličinama u nekom dinamičkom sistemu.
Referenca Greška
Upravljana veličina
Gain(s)
-Sistem
Upravljačka veličina
Električni pogoni -Regulaciona petlja. Princip-
2008-02-25 110
Postoje tri regulacione petlje: pozicije, brzine i momenta.
---PWM
Petlja momentaPetlja brzinePetlja pozicije
Električni pogoni -Regulacione petlje. Princip-
2008-02-25 111
• Cilj: da se obezbedi jednakost momenta koji motor razvija i momenta opterećenja.
• Komanda: dolazi iz petlje po brzini ili preko analognog ulaza za moment.
• Povratna sprega: strujni transformator.
- PWM
Petlja Momenta
Električni pogoni -Regulacione petlje. Regulacija momenta-
2008-02-25 112
• Cilj: da se obezbedi da se motor obreće željenom brzinom.
• Referenca: dolazi iz regulatora po poziciji ili preko analognog ulaza brzine.
• Povratna sprega: enkoder.
++ PWM
Petlja MomentaPetlja Brzine
Električni pogoni -Regulacione petlje. Regulacija brzine-
2008-02-25 113
• Cilj: da radni predmet zauzme željenu poziciju.• Komanda: dolazi od kontrolnog algoritma ili impulsnog
signala.• Sprega: enkoder.
Električni pogoni -Regulacione petlje. Regulacija pozicije-
---PWM
Petlja momentaPetlja brzinePetlja pozicije
2008-02-25 114