Printer Friendly

Simulation of frequency controlled electric drive using scalar control method/Skaliariniu budu valdomos daznines elektros pavaros imitacinis tyrimas.

Ivadas

Pastaruoju metu kintamosios sroves elektros varikliu (angl. Induction motors) naudojimo greicio ir reguliavimo pozicionavimo pavarose mastas labai padidejo. To priezastis--kintamosios sroves varikliu naudojimas ivairiose pramones sakose, kuriose anksciau buvo naudojami nuolatines sroves varikliai. Pleciantis siu varikliu taikymo sriciai, atsiranda poreikis kuo efektyviau juos isnaudoti ir taupyti elektros energija. Tai daroma optimizuojant ju valdymo algoritmus.

Siekiant, kad technologiniai procesai ir automatinio valdymo sistemos butu efektyvios, dauguma nevaldomu kintamosios sroves pavaru yra tobulinamos. Jos papildomos daznio keitikliais, kurie pastaruoju metu daznai naudojami elektros pavaru greiciui reguliuoti. Dazniniu asinchroniniu elektros pavaru greiti galima reguliuoti taikant skaliarinio ir vektorinio valdymo metodus. Darbe pagrindinis demesys skiriamas skaliarinio valdymo metodui. Jis tinka siste- moms, kurioms nera keliami ypac griezti valdymo tikslumo kriterijai. Tokios sistemos pavyzdys--patalpu vedinimo sistema (Rinkeviciene, Petrovas 2008; Emmanuel et al. 2001).

Skaliarinio valdymo atveju itampos ir tinklo daznio santykis U/f turi buti keiciamas proporcingai. Keiciant statoriaus maitinimo itampos dazni, proporcingai turi buti keiciama itampa, siekiant palaikyti pastovu variklio sukuriama magnetini srauta [PHI]. Remiantis statistika, siuo metodu valdomu pavaru pasirenkamumas siekia ~80 % atveju (Baskys et al. 2008). Svarbiausi kriterijai, lemiantys si pasirinkima, yra: paprastas valdymas ir nesudetingas parengimas darbui, patogi vartotojo sasaja ir nedidele kaina.

Taigi pramoninese valdymo sistemose ir kituose technologiniu procesu valdymo irenginiuose naudojamos valdomos elektros pavaros. Pavaru valdymas paprastai siejamas su greicio keitimu. Siuo metu vienas populiariausiu asinchroninio variklio greicio reguliavimo budu yra dazninis valdymas (angl. Variable-frequency control). Sis budas labai isplete elektros pavaru naudojimo sriti. Valdymui naudojami ivairiu tipu (pvz., veikiantys vektorinio arba skaliarinio valdymo metodo pagrindu) pramoniniai daznio keitikliai (Al-Jufout, Khandakji 2008).

Daznio keitiklio paskirtis--keisti isejimo itampa, kuria maitinamos variklio apvijos, tam tikru desniu. Variklis paprastai maitinamas sinusine itampa. Ji gaunama is inverterio, kuris gali buti sroves arba itampos inverteris. Ji sudaro sesiu pakopu tranzistoriniai komutavimo raktai (pvz., Insulated Gate Bipolar Transistor), t. y. isejimo itampa turi impulsu plocio moduliacijos (IPM) (angl. Pulse Width Modulation) budu formuojama tam tikra impulsu seka tranzistoriams veikiant rakto rezimu. Kad impulsu seka butu artima sinusinei itampai, butina nustatyti pagrindinius impulsu parametrus (impulsu skaiciu per perioda, ploti ir kt.) (Baskys et al. 2007).

Daznio keitikliai buna dvieju pagrindiniu tipu: itampos inverteriai ir sroves inverteriai. Itampos inverteriai naudojami varikliams valdyti, indukciniam kaitinimui, kintamajai srovei tiekti is bateriju, saules elementu, vandenilio kuro elementu, kaip nepertraukiamo maitinimo kintamosios sroves saltiniai, taip pat kaip statiniai reaktyviosios galios generatoriai arba kompensatoriai bei aktyvieji harmoniku filtrai.

Daznai pramoniniuose irenginiuose sprendziama greicio palaikymo/stabilizavimo problema, naudojant daznio keitikliu valdomas pavaras (Ali, Abozaed 2010). Darbe nagrinejamas uzdarosios greicio reguliavimo sistemos su daznio keitikliu imitacinio modelio sudarymas ir imitacijos rezultatai.

Erdvinio vektoriaus impulsu plocio moduliacija

Erdvinio vektoriaus impulsu plocio moduliacija (angl. SV PWM)--impulsu plocio moduliacijos algoritmas, taikomas trifaziam inverteriui valdyti, kuris yra paprastas. Taciau kartais, atsizvelgiant i dideli elementu busenu skaiciu, si algoritma taikyti tampa sudetinga. Skirtingai nei sinusine IPM, sis budas paremtas itampu pateikimu erdviniais vektoriais d ir q koordinaciu plokstumoje. Komponentes d ir q surandamos pagal Parko transformacija. Is staciakampes bangos galima gauti 90,7 % dydzio pagrindines harmonikos amplitude, kai inverterio darbo charakteristikos yra tiesines, o sinusine IPM duoda 78,55 %. Erdvinio vektoriaus moduliacija yra interaktyvus metodas, tinkamas skaitmeniniam igyvendinimui, valdant elektros pavaras realiuoju laiku (Chikkegowda 2007; Petrovas, Rinkeviciene 2009).

Tiesine moduliavimo srityje valdymo vektoriaus ([[V.bar].sup.*]) verte ir raktu ijungimo laiko momentai apskaiciuojami pagal (1) ir (2) israiskas.

[[V.bar].sup.*] = [[V.bar].sub.a] + [[V.bar].sub.b] = [[V.bar].sub.1][[t.sub.a]/[T.sub.C]] + [[V.bar].sub.2][[t.sub.b]/[T.sub.C]] + ([[V.bar].sub.0] arba [[V.bar].sub.7])[[t.sub.0]/[T.sub.C]]. (1)

Laiko momentai [t.sub.a], [t.sub.b], [t.sub.0] apskaiciuojami taip:

[t.sub.a] = [[[V.bar].sub.a]/[[V.bar].sub.1]] x [T.sub.c]; [t.sub.b] = [[[V.bar].sub.b]/[[V.bar].sub.2]] x [T.sub.c]; [t.sub.0] = [T.sub.c] - ([t.sub.a] + [t.sub.b]), (2)

cia [[V.bar].sup.*]--valdymo vektorius; [[V.bar].sub.a], [[V.bar].sub.b]--valdymo vektoriaus dedamosios; [T.sub.c]--periodo vidurkis; [t.sub.a], [t.sub.b], [t.sub.0]--faziu A, B ir C valdymo itampos laiko trukme.

Sinusine impulsu plocio moduliacija

Sinusine impulsu plocio moduliacija (SIPM) pramoneje daznai vadinama sinusu uzkoduota IPM, skirta keitiklio itampai valdyti. Kai moduliacijos indekso m verte virsija vieneta, tiesinis santykis tarp moduliacijos indekso ir isejimo itampos nebepalaikomas, todel siuo momentu reikia pritaikyti permoduliavimo metodus.

Norint pasiekti reikiamas dazniu valdomu pavaru statines ir dinamines charakteristikas, butina zinoti kuo daugiau informacijos apie valdoma objekta. Tikslus variklio parametru nustatymas--svarbi veiklos sritis. Yra ivairiu tipu trifazio variklio ekvivalentiniu schemu, naudojamu charakteristikoms ir parametrams apskaiciuoti. Apskaiciuoti parametrai toliau naudojami pavaru dinaminiams modeliams sudaryti (Rinkeviciene, Lisauskas 2003).

Trifazio asinchroninio variklio dinaminiu charakteristiku tyrimas tampa daug paprastesnis, transformuojant trifaze itampu sistema i dvifaze. Kadangi variklio netiesiniu diferencialiniu lygciu sprendimas analiziniu budu daznai yra labai komplikuotas, todel lygtys sprendziamos skaitiniais metodais. Transformuojant statoriaus arba rotoriaus kintamuosius, koordinaciu sistemos skirstomos i sinchroniskai besisukancia [d.sup.e]-[q.sup.e] ir stacionariaja (nejudancia) [d.sup.s]-[q.sup.s] (Batkauskas 2010). Tiriamojo variklio vardiniai duomenys pateikiami 1 lenteleje.

Daznines asinchronines pavaros kompiuterinis modelis

Naudojant Matlab Simulink programini paketa, buvo sudaryti skaliariniu budu valdomi daznines asinchronines pavaros kompiuteriniai modeliai. Dalis naudojamu elementu yra standartiniai, t. y. paimti is Simulink bibliotekos ir prireikus pakoreguoti, siekiant sukurti greicio reguliavimo sistemos modeli.

Daznines pavaros kompiuterinis modelis su erdvinio vektoriaus impulsu plocio moduliacija pateiktas 3 pav. Modelio sudarymo tikslas--isanalizuoti pavaros, maitinamos erdvinio vektoriaus principu valdomu inverteriu, dinamines charakteristikas. Erdvinio vektoriaus impulsu plocio moduliacijos principu valdomas IGBT inverteris isejime formuoja sinusines formos itampas.

Impulsu generavimo funkciniame bloke yra sudetingi vidiniu elementu loginiai rysiai. Funkcinio bloko struktura ir funkciniai elementu rysiai pateikti 2 pav.

Imitacijos rezultatai

Daznines pavaros dinamines charakteristikos gautos sudarytu skaliarinio valdymo pavaros kompiuteriniu modeliu, pateiktu 3 pav. Varikli apkraunant ir sumazinant apkrova, variklio sukimosi greitis sumazeja. Siuo atveju jo sukimosi greiciui palaikyti naudojamas greicio griztamasis rysys, o paklaidos signalas perduodamas i diskretuji PI arba PID reguliatoriu. Variklio statinis apkrovos momentas [M.sub.a] keiciamas nuo 10 iki 20 N x m. Prijungus apkrova greitis turi buti kuo greiciau atstatytas ir su kuo mazesne paklaida. Tikslumas pasiekiamas parenkant reguliatoriaus [K.sub.P], [K.sub.I] ir [K.sub.D] koeficientu vertes.

4 pav. pateiktas variklio elektromagnetinio momento pereinamasis vyksmas, kai variklio greitis [omega] = 157 rad/s. Laiku t = 0,15 s variklis apkraunamas statine apkrova, kuri lygi [M.sub.a] = 10 N x m. Pereinamajam vyksmui stabilizuoti naudojamas PID reguliatorius. Momentas nusistovejusia verte pasiekia per 0,07 s.

5 pav. pavaizduotas variklio greicio pereinamasis vyksmas. Cia greicio nuostatas--[omega] = 157 rad/s. Is charakteristikos matyti, kad variklis nuostata pasiekia maziau nei per 0,05 s, o laiku t = 0,15 s variklis apkraunamas statine apkrova, lygia [M.sub.a] = 10 N x m. Apkrovus varikli pereinamojo vyksmo charakteristikoje matoma mazdaug 0,02 s delsa, kuri atsiranda del variklio inercijos. Ijungus apkrova greitis nusistovejusia verte pasiekia per 0,07 s. Pereinamajam vyksmui stabilizuoti naudojamas PI tipo reguliatorius.

6 pav. pateiktas variklio statoriaus A fazes sroves pereinamasis vyksmas, kai variklio greitis [omega] = 157 rad/s, o laiku t = 0,15 s variklis apkraunamas statine apkrova [M.sub.a] = 10 N x m. Pereinamajam vyksmui stabilizuoti naudojamas PI reguliatorius.

7 pav. pateiktas variklio elektromagnetinio momento pereinamasis vyksmas, kai variklio greitis [omega] = 270 rad/s. Laiku t = 1 s variklis apkraunamas statine apkrova, kuri lygi [M.sub.a] = 13 N x m. Pereinamajam vyksmui stabilizuoti naudojamas PID reguliatorius. Momentas nusistovejusia verte pasiekia per 0,2 s.

8 pav. pavaizduotas variklio greicio pereinamasis vyksmas, cia greicio nuostatas--[omega] = 270 rad/s.

Is charakteristikos matyti, kad variklis nuostata pasiekia maziau nei per 0,5 s, o laiku t = 1 s variklis apkraunamas statine apkrova, kuri lygi [M.sub.a] = 13 N x m. Ijungus apkrova greitis stabilizuojamas trumpiau nei per 0,1 s. Cia naudojamas PID tipo reguliatorius.

9 pav. pavaizduotas variklio statoriaus fazes A sroves pereinamasis vyksmas, kai variklis paleidziamas be apkrovos ir laiku t = 1 s ijungiama statine apkrova [M.sub.a] = 13 N x m. Is pateiktos charakteristikos matyti, kad apkrauto variklio apvija teka 20 A srove, o paleidimo ir apkrovimo metu ji siekia beveik 80 A. Cia greicio nuostatas yra [omega] = 270 rad/s.

10 pav. pateiktas elektromagnetinio momento pereinamasis vyksmas, kai variklio greitis [omega] = 270 rad/s. Laiku t = 1 s variklis apkraunamas statine apkrova, kuri lygi [M.sub.a] = 20 N x m. Is charakteristikos matyti, kad padidinus apkrova elektromagnetinis momentas nusistovejusia verte pasiekia per 0,3 s. Pereinamasis vyksmas stabilizuojamas PID reguliatoriumi.

11 pav. pavaizduotas variklio greicio pereinamasis vyksmas, kur greicio nuostatas--[omega] = 270 rad/s. Is pereinamojo vyksmo charakteristikos matyti, kad variklis greicio nuostata pasiekia greiciau nei per 0,5 s. Laiku t = 1 s variklis apkraunamas statine apkrova, lygia [M.sub.a] = 13 N x m. Ijungus apkrova greitis staigiai sumazeja, taciau stabilizuojamas greiciau nei per 0,3 s. Cia naudojamas PID tipo reguliatorius.

12 pav. pavaizduotas variklio statoriaus fazes A sroves pereinamasis vyksmas. Cia pateikta charakteristika, kai variklis paleidziamas be apkrovos ir laiku t = 1 s ijungiama statine apkrova, kuri 1,5 karto didesne uz nominaliaja ir lygi [M.sub.a] = 20 N x m. Sio bandymo metu greicio nuostatas--[omega] = 270 rad/s. Is pateiktos charakteristikos matyti, kad apkrauto variklio apvija teka apie 23 A srove, o paleidimo ir apkrovimo metu ji siekia beveik 78 A. Sis bandymas tik imitacinio pobudzio, todel praktiskai jo kartoti nepatartina, nes bus sugadintas variklis.

Isvados

1. Sudarytas uzdarosios daznines elektros pavaros, kuriai valdyti pritaikytas erdvinio vektoriaus impulsu plocio moduliacijos metodas, kompiuterinis modelis sistemos dinamikai tirti.

2. Istirtas daznines pavaros greicio reguliavimas kintant greicio nuostato signalui, PID reguliatoriaus koeficientams ir statines apkrovos dydziui.

3. Pastebeta, kad nuostato signalui atkurti didziausia itaka turi PID reguliatoriaus stiprinimo koeficientas (proporcine dedamoji [K.sub.P]) ir integraline dedamoji ([K.sub.I]).

4. Didinant proporcingojo reguliatoriaus P stiprinimo koeficienta, mazeja statine paklaida, o integralines dedamosios (I) didinimas stiprina sistemos svytavimus.

5. Paleidimo metu variklio momentas siekia 75 N x m verte, kai greicio nuostatas yra 157 rad/s, ir 50 N x m verte, kai nuostatas 270 rad/s. Pirmuoju atveju nominalusis variklio momentas virsijamas 5,7 karto, o antruoju--beveik 4 kartus.

6. Kai greicio nuostatas 157 rad/s, greicio pereinamojo vyksmo trukme--0,04 s, o kai greicio nuostatas 270 rad/s--0,5 s.

7. Apkrovos itaka variklio sukimosi greiciui yra didesne mazu greiciu srityje.

8. Atlikta statines apkrovos itakos analize greicio atkurimo trukmei rodo, kad greicio pereinamasis procesas nusistovi su nevirsijancia 3 % statine paklaida arba be paklaidos.

Caption: Fig. 1. Voltage space vectors of inverter

1 pav. Inverterio itampu erdviniai vektoriai

Caption: Fig. 2. Subsystem of voltage space vector PWM generator

2 pav. Erdvinio itampos vektoriaus impulsu generatoriaus funkcinis blokas

Caption: Fig. 3. Model of scalar controlled variable frequency drive

3 pav. Skaliarinio valdymo dazninis asinchronines pavaros kompiuterinis modelis

Caption: Fig. 4. Transients of induction motor torque, when [K.sub.P] = 1.6, [K.sub.I] = 0.2, [K.sub.D] = 4

4 pav. Elektromagnetinio momento pereinamojo vyksmo charakteristika, kai [K.sub.P] = 1,6, [K.sub.I] = 0,2, [K.sub.D] = 4

Caption: Fig. 5. Transients of rotor speed, when [K.sub.P] = 0.8, [K.sub.I] = 0.5

5 pav. Greicio pereinamojo vyksmo charakteristika, kai [K.sub.P] = 0,8, [K.sub.I] = 0,5

Caption: Fig. 6. Transients of stator phase A current, when [K.sub.P] = 0.8, [K.sub.I] = 0.5

6 pav. Statoriaus sroves pereinamojo vyksmo charakteristika, kai [K.sub.P] = 0,8, [K.sub.I] = 0,5

Caption: Fig. 7. Transients of induction motor torque, when [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0.6, [K.sub.D] = 2

7 pav. Elektromagnetinio momento pereinamojo vyksmo charakteristika, kai [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0,6, [K.sub.D] = 2

Caption: Fig. 8. Transients of rotor speed, when [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0.6, [K.sub.D] = 2

8 pav. Greicio pereinamojo vyksmo charakteristika, kai [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0,6, [K.sub.D] = 2

Caption: Fig. 9. Transients of stator phase A current, when [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0.6, [K.sub.D] = 2

9 pav. Statoriaus sroves pereinamojo vyksmo charakteristika, kai [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0,6, [K.sub.D] = 2

Caption: Fig. 10. Transients of induction motor torque, when [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0.6, [K.sub.D] = 2

10 pav. Elektromagnetinio momento pereinamojo vyksmo charakteristika, kai [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0,6, [K.sub.D] = 2

Caption: Fig. 11. Transients of rotor speed, when [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0.6, [K.sub.D] = 2

11 pav. Greicio pereinamojo vyksmo charakteristika, kai [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0.6, [K.sub.D] = 2

Caption: Fig. 12. Transients of stator phase A current, when [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0.6, [K.sub.D] = 2

12 pav. Statoriaus sroves pereinamojo vyksmo charakteristika, kai [K.sub.P] = 4, [K.sub.I] = 0,6, [K.sub.D] = 2

doi: 10.3846/mla.2013.20

Literatura

Ali, K. A. M.; Abozaed, M. E. S. 2010. Microcontroller based variable frequency power inverter, in Proc. of the International Multiconference of Engineers and Computer ScientistsIMECS, Hong Kong, Kinija, 2010. Hong Kong: Newswood Limited, 1258-1261.

Al-Jufout, S.; Khandakji, K. 2008. Dynamic simulation of starting and chopper speed control of wound-rotor induction motor, International Journal of Simulation 2(8):1-7.

Batkauskas, V. 2010. Dazniniu elektros pavaru dinaminiai modeliai: daktaro disertacija. Vilnius: Technika. 96 p.

Baskys, A.; Gobis, V.; Zlosnikas, V.; Augustinas, D.; Kosur, V.; Dervinis, A.; Bleizgys, V. 2007. Daznio keitikliu tyrimo stendas, is Puslaidininkiu fizikos instituto mokslines konferencijos darbai, 125-128.

Baskys, A.; Gobis, V.; Zlosnikas, V.; Augustinas, D.; Kosur, V.; Dervinis, A.; Bleizgys, V.; Platakis, A. 2008. Specializuotas daznio keitiklis, is Puslaidininkiu fizikos instituto mokslines konferencijos darbai, 141-144.

Chikkegowda, N. H. 2007. Space Vector PWM Sequence and Harmonic Comparison for High Power Current Source Rectifier: Dissertation. Ryerson University. Toronto. 172 p.

Emmanuel, D.; Jean-Paul, L.; Romeo, O. 2001. Modelling and control of induction motors, International Journal of Applied Mathematics and Computer Science 1(11): 105-159.

Petrovas, A.; Rinkeviciene, R. 2009. Model of vector controlled induction drive, Mechatronic Systems and Materials 10(4028): 149-154.

Rinkeviciene R., Lisauskas S. 2003. Tiesiaeigiu mechatroniniu sistemu modeliai, Elektronika ir elektrotechnika 4(46): 69-73.

Rinkeviciene R.; Petrovas A. 2008. Mechatroniniu sistemu modeliavimas: mokomoji knyga. Vilnius: Technika. 165 p.

Jonas Kriauciunas (1), Laurynas Kerpe (2)

Vilniaus Gedimino technikos universitetas

El. pastas: (1) jonas.kriauciunas@vgtu.lt; (2) laurynaskr@gmail.com

Table 1. Parameters of 4A1000S2Y3
induction motor

1 lentele. Variklio 4A1000S2Y3
techniniai duomenys

Parametras          Verte

[P.sub.n], kW         4
[U.sub.1f], V        400
f, Hz                50
n, aps./min         2890
[I.sub,n], A         8,5
[M.sub.n], N x m    13,21
[eta], %             81
cos [phi]           0,88
J, kg x [m.sup.2]   0,007


----------

Please note: Illustration(s) are not available due to copyright restrictions.
COPYRIGHT 2013 Vilnius Gediminas Technical University
No portion of this article can be reproduced without the express written permission from the copyright holder.
Copyright 2013 Gale, Cengage Learning. All rights reserved.

Article Details
Printer friendly Cite/link Email Feedback
Title Annotation:Electronics and Electrical Engineering/Elektronika ir elektrotechnika
Author:Kriauciunas, Jonas; Kerpe, Laurynas
Publication:Science - Future of Lithuania
Article Type:Report
Geographic Code:4EXLT
Date:Apr 1, 2013
Words:2488
Previous Article:Energy detector implementaton in FPGA for estimation of word boundaries/Energijos detektoriaus, naudojamo zodzio riboms nustatyti, igyvendinimas...
Next Article:The research of the basic channel control process of petroleum distillation and development of dynamic models/Pagrindiniu naftos distiliavimo...
Topics:

Terms of use | Privacy policy | Copyright © 2021 Farlex, Inc. | Feedback | For webmasters |