Układ szeregowy G e n e ra to r z a p a d ó w Z a s ila n ie O d b io rn ik R L L1 L2 L3 N dSPACE Komputer sterujcy Transformator pomocniczy
Rysunek 5.1: Schemat ideowy stanowiska laboratoryjnego
analizy parametrów jakości energii elektrycznej. Dodatkowo, wyniki rejestracji były przetwarzane za pomocą pakietu Matlab w celu obliczenia złożonych parametrów jakościowych i wizualizacji.
5.2 Budowa stanowiska laboratoryjnego
5.2.1 System szybkiego prototypowania dSPACE
Implementację układu sterowania wykonano wykorzystując system szybkiego prototypowania dSPACE. Układ ten umożliwia szybkie wykonanie i implementację różnych rodzajów regulatorów dyskretnych zapew-niając platformę sprzętową realizującą zadany algorytm sterowania. Na system szybkiego prototypowania dSPACE składa się:
∙ Jednostka, lub karta z procesorem sygnałowym – w zależności od wersji i konstrukcji są układy jedno-płytowe (wykonane w postaci jednej uniwersalnej karty np. DS1103, DS1104) lub modułowe, budowane przez łączenie kart specjalizowanych: jednostki obliczeniowe, karty wejść i wyjść.
∙ Komputer sterujący – nazywany host – komputer służący do obsługi jednostki dSPACE. Na tym kom-puterze zainstalowane jest również oprogramowanie obsługujące układ dSPACE, oraz pakiet Matlab, za pomocą którego zbudowano wszystkie modele układów sterowania.
∙ Panel ze złączami, connector panel – panel ułatwiający połączenie układu dSPACE z urządzeniami zewnętrznymi, wyposażony w szereg złącz w różnych standardach.
∙ Oprogramowanie kontrolujące układ dSPACE – zainstalowane na komputerze host . Składa się z pro-gramu Control Desk – służącego do kontroli układu dSPACE. Dodatkowo zainstalowane zostają kom-pilatory języka C do kodu maszynowego danej karty, rozszerzenia (toolbox ) dla pakietu Matlab, oraz programy pomocnicze.
Integralną częścią układu są biblioteki rozszerzeń dla pakietu Matlab i Simulink umożliwiające wyko-rzystanie tego pakietu do implementacji układów sterowania. Dzięki temu procedurę projektowania i imple-mentacji układu sterowania można przedstawić w następujących krokach:
1. Opracowanie algorytmu sterowania na podstawie symulacji modeli ciągłego lub dyskretnego korzy-stając z pakietu Matlab.
2. Przygotowanie modelu regulatora i wygenerowanie kodu maszynowego dla karty dSPACE – dla re-gulatorów dyskretnych jest to procedura automatyczna polegająca na konwersji odpowiednio przygo-towanego modelu Simulinka najpierw do poziomu programu w języku C, a następnie kompilacji tego programu do kodu maszynowego procesora zainstalowanego na karcie dSPACE.
3. Przygotowanie graficznego interfejsu użytkownika umożliwiającego dostęp i zmianę zmiennych regu-latora, oraz podgląd sygnałów zmierzonych bądź wytworzonych przez układ dSPACE.
W budowanym modelu układu szeregowego zastosowano układ DS1103 umieszczony w osobnej obudowie zwanej expansion box połączonej z komputerem sterującym łączem światłowodowym. Jest to układ jedno-płytowy co oznacza, że na jednej płycie zgromadzone są oprócz procesora również układy przetworników A/C i C/A, oraz specjalizowane układy wejścia-wyjścia. Układ DS1103 zawiera następujące elementy:
∙ Jednostka centralna z procesorem Power PC 750 GX, 1 GHz, 32 MB pamięci SDRAM programu, 96 MB pamięci SDRAM danych.
∙ Układy przetworników: 16 kanałów 16-bit przetworników A/C zebranych w 4 grupach ze wspólnym układem sample & hold, 4 niezależne przetworniki A/C z własnym układem sample & hold o rozdziel-czości 16 bitów, 8-kanałowy przetwornik C/A o rozdzielrozdziel-czości 16 bitów.
∙ Układy wejścia-wyjścia: 4 programowalne układy wejść-wyjść binarnych po 8 kanałów każdy, 6 kanałów enkoderów cyfrowych i jeden endkoder analogowy.
∙ Interfejsy: układ UART kompatybilny ze standardem RS232 i RS422, CAN, złącze ISA.
∙ Dodatkowy procesor podrzędny slave TMS230F240, 20 MHz 32KB pamięci flash, 64K-16 bit pamięci programu, 24K-16 bit pamięci danych, 4K-16 bit pamięci typu dual-port, 16 przetworników A/C, 4 jednofazowe i 1 trójfazowe wyjścia PWM, 18 kanałów binarnych o programowalnym kierunku wejście-wyjście, 2 porty szeregowe.
Ze względu na dużą liczbę układów wejść i wyjść, większość z tych układów współdzieli między sobą piny na złączach. Ogranicza to możliwość równoczesnego wykorzystania wszystkich możliwych układów wejściowych i wyjściowych. Proces łączenia sygnałów wejściowych i wyjściowych układu dSPACE z obiektem rzeczywistym ułatwia panel ze złączami control panel CP1103.
Istotną częścią systemu szybkiego prototypowania jest oprogramowanie. Do implementacji układu stero-wania w układzie dSPACE wykorzystano możliwości integracji z pakietem Matlab i Simulink.
Do budowy i implementacji układu sterowania wykorzystano następujące programy:
∙ Pakiet Matlab i Simulink ze standardowym rozszerzeniem Real Time Workshop – umożliwia budowę modelu układu sterowania i jego testowanie w środowisku ciągłym, oraz dyskretnym.
∙ Rozszerzenie Real Time Interface przystosowane do współpracy z układem DS1103 – zawiera bloki reprezentujące podzespoły układu DS1103, w szczególności układy wejścia i wyjścia, co umożliwia kontrolę nad przetwornikami A/C i C/A.
∙ Aplikacja Control Desk – służąca do: konfiguracji i inicjacji układu dSPACE, budowy graficznego interfejsu użytkownika ułatwiającego sterowanie obiektem połączonym z układem dSPACE (w tym przypadku jest to falownik układu szeregowego), zbierania i zapisywania sygnałów zmierzonych lub wytworzonych przez układ dSPACE.
Proces budowy układu sterowania można podzielić na trzy etapy:
1. Budowa i sprawdzanie układu w oparciu o numeryczne modele ciągłe układu szeregowego, sieci zasi-lającej, odbiornika i pozostałych elementów sieci.
2. Wyodrębnienie układu sterowania, przetworzenie na wersję dyskretną (dyskretyzacja) i rozbudowanie o bloki wejścia-wyjścia rozszerzenia Real Time Interface.
3. Przygotowanie graficznego interfejsu w programie Control Desk w celu łatwiejszej kontroli i wizuali-zacji zachowania się układu szeregowego
5.2.2 Falownik i układ sterowania falownikiem
Jako układ wytwarzający napięcie dodawcze wybrano trzy falowniki jednofazowe – rysunek 2.3(c) na stronie 25. Taka topologia, oprócz wymienionych w rozdziale 2.2 zalet, umożliwia także niezależne sterowanie napięciem dodawczym w każdej fazie, co upraszcza układ sterowania. Dodatkowo w tym układzie połączeń jest możliwość wytworzenia składowej symetrycznej zerowej, co z kolei umożliwia kompensację tej składowej w napięciu zasilania.
Falownik wykonano w oparciu o inteligentne moduły mocy (inteligent power module, IPM) firmy Mit-subishi o symbolu PM20CSJ060 o maksymalnym napięciu blokowania 600 V i maksymalnym prądzie prze-wodzenia 20 A. Pojedynczy moduł PM20CSJ060 jest układem scalonym, zawierającym w jednej obudowie część silnoprądową (mocową), oraz układy sterowników bramkowych (gate driver). Część silnoprądowa jest układem pełnego mostka trójgałęziowego zbudowanego w oparciu o tranzystory IGBT wraz z włączonymi przeciwsobnie diodami. Układ sterownika wytwarza impulsy bramkowe i wprowadza tranzystory w stan prze-wodzenia, lub blokowania w zależności od poziomu napięcia sterującego. Maksymalna wartość tego napięcia wynosi 20 V, przy czym załączenie tranzystora następuje po przekroczeniu wartości 1.5 V, natomiast wy-łączenie po spadku napięcia poniżej 2 V. Dodatkowo sterownik realizuje zabezpieczenie przed przepięciem, przetężeniem, oraz przed nadmiernym wzrostem temperatury danego tranzystora. Tranzystory przystosowa-ne są do częstotliwości łączeń maksymalnie 20 kHz.
Każdy z modułów IPM wymaga 4 linii zasilania napięciem 20 V, co daje całkowitą liczbę 12 linii zasilania tym napięciem. Linie te zasilają tranzystory IGBT pracujące na różnych potencjałach, powinny więc być elektryczne odseparowane od siebie. Z tego powodu zdecydowano się na wykonanie dedykowanej
przetwor-5.2. BUDOWA STANOWISKA LABORATORYJNEGO IPM PM25CSJ060 Cd Filtr LC Transformator dodawczy P N Vp Up Ld
(a) Schemat ideowy układu szeregowego
Filtr LC Vp Up P N IPM Filtr LC Vp Up P N IPM Filtr LC Vp Up P N IPM B a te ri a C Z a si la n ie O d b io rn ik
(b) Schemat obwodu dla jednej fazy układu szeregowego Rysunek 5.2: Schemat ideowy układu falownika i obwodów pomocniczych w układzie laboratoryjnym
nicy napięcia zasilającej. Dodatkowo przetwornica ta może zasilać pozostałe układy elektyczne związane z falownikiem lub z układem szeregowym czyli układy interfejsu i układy pomiarowe LEM.
Impulsy załączające i wyłączające tranzystory modułu wytwarzane są przez układ dSPACE, realizujący algorytm sterowania. Ze względu na różne poziomy napięcia konieczny jest interfejs separujący układ dSPA-CE od modułów IPM. Wybrano interfejs światłowodowy zbudowany w oparciu o technologię Toslink firmy Toshiba. Każdy interfejs składa się z układu nadajnika (symbol TX), odbiornika (symbol TR) oraz przewodu światłowodowego. Długość tego przewodu wynosi ok. 30 cm, co zapewnia separację elektryczną obu układów, umożliwiając dodatkowo fizyczne odsunięcie układu dSPACE od części będących pod napięciem roboczym. Do strony prądu stałego falownika podłączono baterię pięciu kondensatorów firmy Kendeil o łącznej pojemności 5 mF. Maksymalne napięcie tych kondensatorów wynosi 450 V, co stanowi górną granicę do-puszczalnego napięcia strony DC falownika.
Sygnały zwrotne do układu sterowania realizowane są przez pomiar napięcia i prądu specjalizowanymi układami przetworników LEM. Do pomiarów napięcia wykorzystano układy typu LV-20 o maksymalnym mierzonym napięciu 400 V. Wykonywane są pomiary napięć: zasilania i odbiornika we wszystkich fazach, oraz napięcie DC falownika, co daje łączną liczbę 7 przetworników pomiarowych. Zainstalowano również przetworniki pomiarowe prądu typu LA-10 mierzące prąd falownika. Sygnały napięciowe z przetworników LEM podawane są na przetworniki A/C układu dSPACE. Schemat układu falownika przedstawiony jest na rysunku 5.2
5.2.3 Część silnoprądowa układu szeregowego
Falownik połączony jest z siecią przez pasywne filtry składowych łączeniowych, oraz przez transformatory dodawcze.
W celu filtracji składowych łączeniowych i poprawy kształtu generowanego napięcia zainstalowano filtry pasywne LC. Ze względu na możliwą dużą wartość tych składowych wpływających do uzwojenia transfor-matora od strony przekształtnika, zdecydowano się na umieszczenie filtra LC po stronie przekształtnika (po stronie wtórnej transformatora dodawczego) zgodnie z rysunkami 3.3 i 2.6(a) (strona 50 i 31). Wartości ele-mentów są uwikłaną funkcją wymagań i procedura ich doboru została omówiona w rozdziale 2.4. Ze względu na badawczy charakter stanowiska zdecydowano się na uproszczoną metodę doboru elementów. Dobór pa-rametrów może odbyć się na podstawie spełnienia określonych wymagań nałożonych arbitralnie na napięcie wyjściowe filtru – czyli napięcie dodawcze. Te wymagania przyjęto w następujący sposób
∙ Tłumienie podstawowej harmonicznej napięcia falownika Kf – mniej niż 1%.
∙ Tłumienie składowych łączeniowych falownika Ksw – przynajmniej -20 dB.
∙ Spadek napięcia wywołany przepływem podstawowej harmonicznej prądu odbiornika – 2% napięcia znamionowego, czyli 4.6 V, co jest równoważne impedancji podstawowej harmonicznej równej 1.06 Ω. Następnie posługując się zależnościami 2.13 (strona 32) można wybrać takie wartości pojemności kondensa-tora i indukcyjności cewki, aby przyjęte wymagania były spełnione.
C
fu
fL
fi
fu
di
oR
cRysunek 5.3: Schemat zastępczy układu filtra LC zastosowanego w laboratoryjnym układzie szeregowym.
W trakcie prób laboratoryjnych okazało się że konieczne jest dodatkowe tłumienie oscylacji rezystorem
Rcw gałęzi kondensatora – rysunek 5.3. Dodanie rezystora zmienia dynamikę układu i równanie operatorowe
na napięcie dodawcze będzie miało postać
Ud(s) = G1(s)Uf(s) + G2(s)Io(s) (5.1)
gdzie G1, G2 są transmitancjami operatorowymi opisanymi równaniami:
G1(s) = ω2n(RcCfs + 1) s2+ 2ξnωn+ ω2 n G2(s) = ω2n(Lfs + Rf)(RcCfs + 1) s2+ 2ξnωn+ ω2 n (5.2)
gdzie: ωn = 1/pLfCf jest pulsacją własną filtru, ξn = (Rc+ Rf)/2 · pCf/Lf jest tłumieniem własnym.
Dodanie rezystora Rc wpływa na pogorszenie tłumienia składowych łączeniowych, natomiast ma niewielki
wpływ na obie transmitancje w zakresie podstawowej harmonicznej. Przyjęta wartość Rc jest więc pewnym
kompromisem między zwiększoną wartością tłumienia oscylacji a tłumieniem składowych łączeniowych. Pa-rametry zastosowanych elementów przedstawiono w tabeli 5.1.
Sprzężenie z siecią zasilającą realizowane jest za pomocą transformatorów jednofazowych (transformatory dodawcze). Procedura doboru transformatora opisana została szczegółowo w rozdziale 2.3 (strona 26).
Przy wyborze parametrów kluczową wielkością jest prąd znamionowy odbiornika oraz maksymalne na-pięcie dodawcze. Ze względu na możliwość nasycenia się rdzenia, prąd znamionowy transformatora przyjęto równy dwukrotnej wartości prądu znamionowego odbiornika, czyli 8.66 A. Maksymalne napięcie dodawcze określono na poziomie napięcia znamionowego, czyli 230 V, ze względu na przewidywane zastosowanie stra-tegii PAS. Oba te parametry określają moc znamionową transformatora, co przy istniejącym typoszeregu jednostek skutkowało wyborem transformatora o mocy 2 kVA. Parametry transformatorów podane są w tabeli 5.1.
Tabela 5.1: Parametry elementów filtra LC i transformatorów dodawczych. Oznaczenia elementów filtru LC zgodnie z rysunkiem 5.3. Wielkość L1 L2 L3 Lf [mH] 2.3 2.3 2.3 Rf [Ω] 0.2 0.2 0.2 Cf [µF] 48.6 49.1 46.9 Rc [Ω] 2.67 2.63 2.75 fn [Hz] 476.03 473.6 485.58 ξn 0.194 0.192 0.196 Transformatory Typ: ET1o-2.0 S = 2.0 kVA uz= 1.5% U1= 230 V U2= 230 V I1= 9.03 A I2= 8.7 A