INFOTEH-JAHORINA Vol. 8, Ref. A-13, p. 57-61, March 2009.
UTICAJ PROPADA NAPONA NA ELEKTROMOTORNE POGONE VISOKIH PERFORMANSI
VOLTAGE SAG EFFECTS ON HIGH PERFORMANCE ELECTRIC DRIVES
M. Petronijević, N. Mitrović, V. Kostić
Elektronski fakultet, Univerzitet u Nišu, Srbija
Sadržaj
- U radu je prikazan uticaj simetričnih i nesimetričnih propada napona na promenu brzine
i talasnost momenta elektromotornih pogona sa vektorskim upravljanjem po polju rotora (RFO) i
sa direktnim upravljanjem momentom i fluksom (DTC). Za prevazilaženje redukcije brzine i
neželjene talasnosti elektromagnetnog momenta predložen je algoritam za slabljenje fluksa koji
može da uključi i korišćenje estimatora poremećeja u okviru regulacione konture po momentu.
Brži odziv DTC pogona omogućava efikasnije prevazilaženje devijacija elektromagnetnog
momenta.
Abstract
– This paper researches symmetrical and unsymmetrical voltage sag influence on speed
and torque deviation in rotor field oriented (RFO) and direct torque controlled (DTC) drives. To
overcome appeared drop in speed and torque ripple it was posed a field weakening algorithm
during voltage sag and/or disturbance estimator application in torque control loop. Prompt DTC
flux recall enable efficiency overcoming torque deviation.
1. UVOD
Frekvencijski pretvarači su tipični predstavnici
kompleksnih i nelinearnih uredjaja energetske elektronike
koji su svoju primenu našli u raznovrsnim granama
industrije, u širokom opsegu instalisanih snaga. U osnovi, ovi
pretvarači naizmeničnog napona sastoje se od ulaznog
ispravljača (najčešće trofazni diodni most), jednosmernog
medjukola, izlaznog pretvarača (trofazni invertor sa
prekidačkim tranzistorima) i dodatnih sistema za zaštitu,
merenje i upravljanje. Svaki od pomenutih podsistema može
individualno reagovati na poremećaje u napajanju ili u sprezi
sa drugim podsistemima i na taj način se dolazi do
kompleksne osetljivosti pogona na parametre kvaliteta
električne energije.
Brojnim studijama i eksperimentalnim istraživanjima
utvrđena je osetljivost frekvencijskih pretvarača na propade
napona [1], pri čemu je uglavnom utvrđivan prag osetljivosti
koji izaziva isključenje uređaja. Iz literature je poznata
činjenica da propadi napona, a posebno nesimetrični,
izazivaju degradaciju performansi pogona u vidu redukcije
raspoloživog momenta [2] i pojave značajne talasnosti
napona jednosmernog međukola [3] pri čemu je posebno
istaknut uticaj vrednosti kapacitivnosti (
F/kW) u
jednosmernom međukolu. Problem uticaja nesimetričnih
propada napona na pogone naizmenične struje analiziran je u
[4], dok je u literaturi [5] prikazan i deo eksperimentalnih
rezultata koji se odnose na nesimetrične propade i podešenje
podnaponske zaštite.
Do sada poznata istraživanja u analizi osetljivosti nisu
uzimala u obzir vrstu i kvalitet upravljanja naizmeničnog
pogona. Ovaj rad eksperimentalno verifikuje interakciju
načina upravljanja, posebno pogona visokih performansi sa
posledicama simetričnih (tip A) i nesimetričnih propada (tip
B) napona. U slučaju kada je redukcija napona mreže takva
da ne dođe do reagovanja podnaponske zaštite pretvarača,
konvencionalno upravljanje pretvarača dovodi do redukcije
momenta, odnosno do pada brzine pogona. Na osnovu
analitičkih relacija i računarskih simulacija, predložili smo
novi metod koji prevazilazi ograničenja konvencionalnih
upravljačkih algoritama. Algoritam je uspešno testiran na
dSpace DSP razvojnom sistemu u elektromotornim pogonima
sa vektorskom regulacijom i direktnim upravljenjem
momentom i fluksom.
Propadi napona tipa B, C i D su posledica najčešće vrste
kvara (preko 70%) – jednopolni kratak spoj [6]). Brojnost
propada tipa B, C i D i činjenica da napon u DC kolu ostaje
iznad uobičajene granice podnaponske zaštite podstakla je
razmatranje mogućnosti za eliminaciju neželjene talasnosti
momenta uz održavanje kvaliteta regulacije.
U slučaju upravljanja pogona po RFO algoritmu
predložena je modifikacija unutrašnjih, strujnih regulacionih
kontura dodavanjem kompenzatora poremećaja. Ustanovljeno
je da su DTC pogoni relativno malo osetljivi na ovu vrstu
poremećaja, čak i u slučaju primene modifikovanih metoda
upravljanja sa konstantnom prekidačkom učestanošću i PI
regulatorima po fluksu i momentu motora. Eksperimentalni
rezultati prate izvedene zaključke i pokazuju efikasnost
primenjenih metoda za eliminaciju poremećaja.
57
Tabela 1. Parametri motora (po fazi) i lista korišćenih oznaka
Otpornost statora, 2.7
Otpornost rotora, 2.22
Induktivnost rasipanja statora i rotora, 31mH
Induktivnost magnećenja, 0.27 H
Napon statora po d i q osi
Struje statora po d i q osi
Struje rotora po d i q osi
Broj pari polova, 1
Nominalna snaga motora, 2200W
Nominalni napon distributivne mreže, 400V
n
Nominalna ugaona brzina motora, 297 rad/s
σ
Koeficijent rasipanja, 0.0733
INFOTEH-JAHORINA Vol. 8, Ref. A-13, p. 57-61, March 2009.
2. RFO I DTC POGONI SA ASINHRONIM MOTOROM
Kao industrijski standardi danas su se nametnula dva
osnovna rešenja koja omogućavaju regulaciju
elektromagnetnog momenta u pogonima sa asinhronim
motorom:
Vektorsko upravljanje:
zasnovano na regulaciji statorskih
struja u sinhronom referentnom sistemu uz korišćenje
širinsko impulsne modulacije (
PWM - Pulse Width
Modulation
) prekidačkih tranzistora invertora;
Direktno upravljanje momentom (DTC):
z
asnovano na
upravljanju položajem fazora fluksa statora u osnovnoj
varijanti sa histerezisnim regulatorima po amplitudi fluksa
statora i trenutnoj vrednosti elektromagnetnog momenta.
Ilustracija osnovne upravljačke strukture koja koristi
indirektno upravljanje po polju rotora (estimacija položaja
polifazora rotorskog fluksa na osnovu
zadatih komponenti
struja
) prikazana je na slici 1. Mogu se uočiti dve osnovne
regulacione konture, po
d
i
q
komponenti polifazora struje
statora. Uobičajeno se koriste linearni proporcionalno-
integralni (PI) regulatori. Osnovne jednačine za podešavanje
parametara PI regulatora struja po
q
i
d
osi struja statora uz
uvažavanje dejstva kola za rasprezanje date su u [7]. U
eksperimentima koji su sprovedeni u ovom radu propusni
opseg strujnih regulacionih petlji pode
šen je na 1250rad/s što
je praktično ograničenje nametnuto prisustvom šuma u
merenim strujama. Digitalni PI regulatori po
d
i
q
osi imaju
parametre
K
p
=21.75 i
K
i
=0.768 pri čemu je perioda
semplovanja strujnih regulacionih kontura podešena na
100
s.
Slika 1. Osnovna IFOC upravljačka šema
Ilustracija kvaliteta regulacije prikazana je na slici 2 gde
je u režimu regulacije momenta (povorka referenci po
momentu ±2.5Nm) prikazan odziv po brzini.
Slika 2. Dinamičke performanse pogona sa IFOC
upravljanjem (gore – estimirani momenat
T
e
[Nm],
dole – ugaona brzina
m
[rad/s])
Direktno upravljanje momentom u osnovnoj varijanti ima
histerezisne regulatore po fluksu i momentu. Da bi se postigla
prihvatljiva talasnost momenta potrebno je odre
đ
ivanje
potrebnog prekidackog stanja izvrsavati u vremenu koje je
oko 10 puta
kraće (≈25
s)
od prekida
č
ke učestanosti.
Kori
šćenje identične hardverske platforme zahtevalo je
realizaciju
modifikovane DTC metode sa PI regulatorima po
momentu i fluksu
[8]
sa vremenom semplovanja kao kod
IFOC metoda. Osnovna struktura modifikovane DTC metode
prikazana je na slici 3. Konstantna prekidačka učestanost
postignuta je korišćenjem tehnike širinsko-impulsne
modulacije prostornog vektora (SV-PWM). Podešenje
parametara PI regulatora inicijalno je izvedeno po
preporukama iz [9] metodom simetričnog optimuma. Tokom
eksperimenta parametri su dodatno podešeni tako da
je
postignut propusni opseg regulacione konture po momentu od
1250rad/s. Ilustracija dinamičkih performansi DTC pogona
data je na slici 4 sa identičnim regulacionim zahtevima kao
za IFOC.
Slika 3. Modifikovana PI-DTC upravljačka šema
Slika 4. Dinamičke performanse pogona sa DTC
upravljanjem (gore - estimirani momenat
T
e
[Nm],
dole - ugaona brzina
m
[rad/s])
3. UTICAJ SIMETRIČNIH PROPADA NAPONA
Usvajajući pretpostavku o linearnosti magnetnog kola i
simetričnosti u konstrukciji asinhroni motor se može opisati
sledećim skupom jednačina:
(1)
(2)
58
