6.4.2.1 Podstawowy układ sterowania z pośrednia stabilizacją strumienia stojana
Jest to najprostszy układ sterow ania wykorzystujący uproszczoną m etodę pośredniej stabilizacji strum ienia stojana, opisaną równaniem (6.8). W niektórych rozwiązaniach wprowadzono jeszcze w iększe uproszczenie zadając wartość napięcia jako liniow ą zależność częstotliwości wyjściowej w całym zakresie.
Ogólna struktura układu sterowania znajduje się na rysunku 6.12. Jest to bardzo wygodna metoda, pozw alająca na sterow anie napędami, o m ałych wymaganiach dynamicznych (napędy wentylatorów, pomp, podajników węgła).
W ynika to z samej zasady stabilizacji strumienia, wyprowadzonej dla stanu ustalonego. U kład ten wymaga dodatkowo w wersji praktycznej zabezpieczenia przed utknięciem. Pom iar prądu w fazach silnika lub Rys.6.12 Schemat blokowy układu sterowania z charaktery- w obwodzie pośredniczącym i odpowiednio
styką U:axr g ( f :aj)
rozdział 6 - Wybrane zagadnienia napędu z falow nikiem napięcia M SI i silnikiem indukcyjnym
skonstruowany układ ogranicznika prądu, pozwala na bezpieczne funkcjonowanie w dopuszczalnym zakresie obciążeń. Rozwiązanie to je st wystarczające dla znacznej części napędów stosow anych w przemyśle: pompy, wentylatory, podajniki w ęgla i in [B6], [D4].
W realizacji mikroprocesorowej m etoda ta może być zaimplementowana w prosty sposób i zasadnicza część zadań ogranicza się do realizacji sterowania zaworami (modulacja), bloków zadajnika, charakterystyki U /f oraz bloku ogranicznika prądu. Przykładami takiego sterowania są [B3] -Zilog Z-80, [B6] Intel 80C196KC.
6.4.2.2
Układ z bezpośrednim sterowaniem strumienia metoda orientacji pola
Poprzednio opisany układ nie zapewnia dobrej dynamiki pracy napędu. W sytuacjach wymagających takich właściwości, stosow ane s ą układy sterowania wykorzystujące metodę orientacji pola opisaną skrótowo w punkcie 6.4.I.2. Podstaw ow a struktura przedstawiona została na rysunku 6.13.
N adrzędną rolę pełni tu regulator prędkości, wypracowujący sygnał m om entu zadanego mz . W układzie jest wymagany pom iar lub odtwarzanie wartości momentu elektromagnetycznego me, amplitudy wektora strumienia w irnika \yr i kąta jego położenia ys (względem osi a , nieruchomego układu w spółrzędnych ( a , (3)).
Sygnały w ypracowane przez regulatory strumienia i momentu dają poszczególne składowe wektora zadanego prądu stojana w układzie współrzędnych (x,y). Po przekształceniu do układu (a ,P ), m ożna otrzymać zadane prądy fazowe stojana ia ib, ic.
Najprostszym rozw iązaniem sterowania zaworami falownika jest zastosowanie jednej z metod modulacji prądu opisanych w podrozdziale 6.3.3.
Jest to jedna z w ielu m ożliwych do zastosowania struktur układu sterowania. Zagadnienia te szeroko przedstawiono w pracy [V I], łącznie z rozważaniami dotyczącymi stosowalności obserw atorów do rekonstrukcji trudno mierzalnych wielkości fizycznych silnika, co zwykle je st niezbędne w układach ze sterowaniem wektorowym.
Powyższe rozw ażania dotyczą falownika napięcia M SI ze sterowaniem prądowym. W przypadku falownika napięcia ze sterowaniem napięciowym , gdzie wartości w ektora napięcia stojana, które także podlegają przekształceniu na sygnały sterujące zaworami.
Zamiast regulatorów składow ych (x,y) wektora prądu, czasami stosuje się odsprzę- ganie składowych napięcia zadanego stojana, na podstawie rów nań wynikających z m odelu Rys.6.13 Schemat blokow y układu sterowania falownika silnika indukcyjnego klatkowego we współ-
napięcia z bezpośrednią regulacją strumienia m etodą rzędnych (x,y) [K8].
orientacji pola Trzeba tu zaznaczyć, że m etoda ta
(niezależnie od tego czy falownik napięcia jest sterowany prądow o czy napięciow o) wymaga najczęściej informacji o param etrach schematu zastępczego silnika i co więcej w iedzy o ich zmienności, w raz ze zmieniającymi się warunkam i pracy silnika (nasycenie, temperatura i in.). Dlatego w najnowszych pracach wprowadzane są do układów sterow ania bloki adaptacyjne, pozwalające na korekcję w artości parametrów na podstawie zachowania innych w ielkości m ierzalnych silnika i falownika [M4].
Układy m ikroprocesorow e bazujące na bezpośrednim sterowaniu strum ienia m etodą orientacji poła wymagają znacznie bardziej rozbudowanej jednostki centralnej (szybki m ikrokontroler 16-bitowy, procesor sygnałowy). W ynika to z rozbudowanej listy zadań jakie s ą wymagane do realizacji: estym acja m omentu elektromagnetycznego, strum ienia (wartości amplitudy i położenia), regulatory, oraz bloki transformacji współrzędnych [KI 5].
rozdział 6 - Wybrane zagadnienia napędu z falow nikiem napięcia M SI i silnikiem indukcyjnym
6.4.2.3 Układ z pośrednim sterowaniem strumienia metoda orientacji pola
W realizacjach praktycznych pom iar strumienia silnika jest bardzo trudny, a estymacja w ym aga dużego nakładu obliczeniowego. Dlatego często są implementowane różne odmiany układów z pośrednim sterowaniem strumienia m etodą orientacji pola. Schemat blokowy takiego układu je st przedstawiony na rysunku 6.14.
Regulator prędkości wypracow uje sygnał momentu zadanego m:, proporcjonalny do składowej czynnej wektora prądu stojana. Składowa bierna jest zadawana jako stała, w związku z założeniem o stabilizacji strumienia.
Dalsza część układu jest analogiczna ja k przy sterowaniu bezpośrednim.
Zasadniczym problem em jest uzyskanie informacji o położeniu w ektora strumienia wirnika ys. W ymaga to poza pomiarem prędkości kątowej wirnika, znajomości wielkości poślizgu. Jest on obliczany na podstawie wartości składowej czynnej w ektora prądu stojana isyz i wartości elektromagnetycznej stałej czasowej w irnika Tr. Stała ta ulega silnym wahaniom wynikającym z chwilowego nasycenia reaktancji w irnika, jak i cieplnych zmian rezystancji wirnika.
Niewłaściwie obliczony poślizg pow oduje powstawanie błędu w określaniu położenia w ektora strumienia. Nie s ą w ięc zacho
wane zasady odsprzęgnięcia składowych wektora prądu, w pływ ających na strumień i moment elektrom agnetyczny, silnik pra
cuje więc w niew łaściw ym punkcie charakterystyki w stanie ustalonym, a w stanach przejściowych ma tendencję do oscylacji, przy znacznie pogorszonej dynamice.
Zasadniczym problem em jest więc estymacja zmian stałej czasowej w irnika Tr w czasie pracy silnika. W pracy [K8] wymieniono szereg metod mających na celu realizację tego zadania.
Trzeba dodać, że ostatnie lata przyniosły próby zastosowania algorytmów filtrów K alm ana do estymacji parametrów silnika w czasie rzeczywistym, które dają obiecujące wyniki [M5], N iektóre z metod adaptacyjnych są nieużyteczne przy pracy na biegu jałow ym silnika lub dla nieruchomego silnika, co trzeba m ieć na uwadze przy wyborze optymalnego sposobu adaptacji parametrów.
6.4.2.4 Układ z bezpośrednim sterowaniem momentem i strumieniem
Poprzednio przedstaw ione m etody bezpośredniego i pośredniego sterowania strumieniem m etodą orientacji pola, s ą względnie proste ze względu na sposób formowania prądu w falownikach napięcia (nadążne).
C iekaw ą alternatyw ą dla klasycznych falowników napięcia M SI, pozw alającą na uzyskanie bardzo dobrych właściwości dynamicznych je st m etoda zaproponow ana przez Depenbrocka i udoskonalona przez Takahashi [T l].
Polega ona na bezpośrednim wyborze odpowiedniego wektora napięcia stojana, tak aby uzyskać stałe wartości am plitudy strum ienia i momentu rozwijanego przez silnik - rys.6.9.
W ymagany je st w zw iązku z tym pom iar lub odtwarzanie strumienia stojana y/s i m om entu me.
Dla obszaru m ałych prędkości silnika w ybiera się do sterowania tylko wektory aktywne.
Informację o kolejno w ybieranych w ektorach przełączeń zaworów gromadzi się w pam ięci ROM.
Rys.6.15 Schemat podstaw owej struktury sterowania bez
pośredniego strum ieniem i momentem
Rys.6.14 Schemat blokow y układu z pośrednim sterowaniem strumienia m etodą orientacji pola
rozdział 6 - Wybrane zagadnienia napędu z falow nikiem napięcia M SI i silnikiem indukcyjnym
Przełączeń dokonuje się na podstawie danych wyjściowych z komparatorów (jak na rysunku 6.15). M etoda ta pozwala na uzyskanie wyjątkowych własności dynamicznych układu napędowego, bez potrzeby prow adzenia obliczeń w jednym z kartezjańskich układów współrzędnych [K8], Dokładność śledzenia strumienia i momentu jest zależna od dopuszczalnej częstotliwości przełączeń falownika ze względu na zastosowane zawory energoelektroniczne.
M etoda ta ze w zględu na brak regulatorów prądu, a bezpośredni w ybór w ektorów napięcia zasilającego jest odpowiednia do realizacji mikroprocesorowej ze względu na cyfrowe/im pulsowe przetwarzanie danych.
Problemem zasadniczym je st jak wyżej estymacja m omentu elektromagnetycznego i strumienia.
Przykład mikroprocesorowej realizacji zamieszczono w pracy [B 10] - m ikroprocesor Intel 80186.
7. MIKROPROCESOROW E STEROWANIE NAPĘDU Z FALOW NIKIEM NAPIĘCIA MSI
Rozdział jest d rugą częścią w stosunku do rozdziału 6. Przedstawia się tutaj zagadnienia ściśle związane z realizacją mikroprocesorowego sterowania napędu z falownikiem MSI.
Chociaż w dodatku 2 przedstaw ia się w także realizację m ikroprocesorowego sterow nika innego rodzaj napędu, napędu prądu stałego z połączeniem sprężystym, to zamieszczenie w głównej części pracy opisu realizacji sterowania m ikroprocesorowego napędów z falownikiem MSI, nie jest przypadkowe. Sterowanie takie należy do najtrudniejszych zagadnień w energoelektronice.
Rozdział dotyczy sterow ania skalarnego z pośrednią stabilizacją strumienia i ogranicznikiem prądu.
M ateriał zawarty je st w ynikiem prac autora, które miały na celu realizację przem ysłow ych wersji napędów z falownikiem MSI. Stanowi on zbiór informacji przydatnych zarówno dla teorii ja k i praktyki.
Rozdział zawiera trzy zasadnicze części:
- realizacja sterowania za pom ocą mikroprocesora 8-bitowego, - realizacja sterowania za pom ocą m ikrokontrolera 16-bitowego, - możliwości optymalizacji sterowania.