MONITORING I POMIARY
1. Wstęp
Zmniejszające się koszty falowników napięciowych powo- dują coraz powszechniejsze ich wykorzystanie do sterowania układów napędowych. Coraz częściej opracowywane są także nowatorskie konstrukcje falowników, które rozszerzając ich typowe struktury, nie tylko zapewniają sterowanie napędem w pełni sprawnym, lecz gwarantują również możliwość prawi- dłowej reakcji układu sterowania w sytuacji wystąpienia czę- ściowego uszkodzenia napędu lub falownika, należącego do określonej klasy usterek. Można się spodziewać, że w ciągu najbliższych kilku, kilkunastu lat, wykorzystanie zaawanso- wanych energoelektronicznych struktur sterowania nie będzie stanowiło istotnych kosztów w relacji do kosztów napędów.
Silniki trójfazowe mogą być postrzegane jako urządzenia, w których wielkości wektorowe napięcia, prądu i strumienia indukcji magnetycznej wytwarzane są w pewnym sensie przez strukturę redundancyjną. Uszkodzenie jednej z faz stojana w dalszym ciągu umożliwia ich realizację poprzez rozłożenie ich na składowe fazowe sprawnych uzwojeń w odpowiednich proporcjach [1]. Silniki trójfazowe nie są jednak projektowane z uwzględnieniem możliwości realizacji nominalnych wartości wektorów prądów i strumieni z wykorzystaniem jedynie dwóch faz, co wprowadza ograniczenia ich wykorzystania w stanie częściowej awarii.
Uszkodzenia uzwojeń stojana silnika trójfazowego stano- wią ok. 38% wszystkich uszkodzeń napędów indukcyjnych [2]
i stanowią, obok uszkodzeń łożysk wirnika, największą grupę usterek. Zasadniczo napęd, w którym zostało zdiagnozowane uszkodzenie, powinien zostać zatrzymany, a uszkodzenie wy- eliminowane. Nie jest jednak wskazane natychmiastowe zatrzy- manie napędu po wykryciu usterki, gdy może to doprowadzić do zagrożenia jego obsługi lub sterowanego przez niego proce- su. Ważne jest w takiej sytuacji, aby można było doprowadzić realizowany proces do zadanego punktu umożliwiającego bez- pieczne odstawienie napędu.
W celu podniesienia niezawodności oraz bezpieczeństwa pra- cy silników stosowane są układy sterowania tolerujące uszko- dzenia [3, 4]. Układy te na podstawie detekcji usterki dokonują rekonfiguracji struktury sterowania i umożliwiają przeprowa- dzenie procesu sterowania w nowych warunkach pracy układu napędowego.
2. Typowe struktury falowników napięciowych
Układy napędowe, sterowane metodami wektorowymi, wy- korzystują do zasilania silników głównie falowniki napięciowe.
Typowa struktura takiego falownika oparta jest na trzech gałę-
Falownikowy układ sterowania napędem indukcyjnym w stanach awaryjnych:
możliwości i ograniczenia
Andrzej Radecki
Streszczenie: W artykule została przedstawiona metoda ste- rowania falownikowym napędem indukcyjnym, która umożliwia kontrolę momentu elektromagnetycznego silnika w stanach jego częściowego uszkodzenia. Zaprezentowane zostały możliwości oraz ograniczenia związane z wykorzystaniem falownika napię- ciowego opartego na potrójnym mostku H. W artykule zawarto wyniki badań symulacyjnych oraz wyniki badań laboratoryjnych, wskazujące na skuteczność opisywanych rozwiązań w sytuacji wystąpienia przerwy w jednej z faz stojana silnika trójfazowego.
CONTROL SYSTEM OF INVERTER FED INDUCTION MOTOR DRIVE IN FAULTY CONDITIONS: CAPABILITIES AND LIMITATIONS
Abstract: In this article a control strategy of inverter fed induction motor drive in faulty states was presented. It was shown that with using a voltage inverter based on three independent H-bridges, an electromagnetic torque of three phase induction motor with one open phase can be well controlled. Capabilities and limitations of using proposed control algorithm was included in this article as well as waveforms achieved from simulations and laboratory tests.
ziach półmostka H (rys. 1 a) i umożliwia realizację sześciu wek- torów napięcia stojana. W sytuacji podwyższonych wymagań dotyczących jakości realizowanego napięcia stojana (pośred- nio prądu stojana) stosowane są falowniki trójpoziomowe [5]
(rys. 1 b) lub wielopoziomowe [6, 7]. Umożliwiają one zmniej- szenie zawartości wyższych harmonicznych w realizowanych przebiegach napięć i prądów. Falowniki te nie umożliwiają jed- nak prawidłowego sterowania silnikiem w sytuacji wystąpienia uszkodzenia uzwojeń stojana.
Do sterowania układami napędowymi w stanach awaryj- nych stosowane są zmodyfikowane struktury typowych falow- ników napięciowych. Najprostsza modyfikacja falownika na- pięciowego 6T związana jest z dołączeniem dodatkowej gałęzi półmostka H (rys. 1 c) lub gałęzi umożliwiającej podłączenie do punktu neutralnego połowy wartości napięcia obwodu po- średniczącego (rys. 1 d).
W nominalnych warunkach pracy układu napędowego dodat- kowa struktura falownika jest zwykle nieaktywna, a jej wyko- rzystanie odbywa się w stanie zdiagnozowanej usterki falowni- ka lub silnika. Wykorzystanie właściwości takich falowników do sterowania częściowo uszkodzonym silnikiem wymaga
MONITORING I POMIARY
Rys. 1. Struktury falowników napięciowych silników trójfazowych:
a) klasyczny dwupoziomowy;
b) klasyczny trójpoziomowy;
c) z dodatkową gałęzią półmostka H;
d) z awaryjnym załączeniem napięcia do punktu neutralnego
Rys. 2. Falownik napięciowy oparty na potrójnym mostku H
Rys. 3. Siatka wektorów napięć możliwych do uzyskania, w fa- lowniku napięciowym opartym na potrójnym mostku H, poprzez niezależne sterowanie napięciami fazowymi (Ua, Ub, Uc)
Rys. 4. Siatka wektorów napięć możliwych do uzyskania, w fa- lowniku napięciowym opartym na potrójnym mostku H, w sytuacji przerwy: a) w fazie a; b) fazie b; c) w fazie c
Rys. 5. Układ ste- rowania momentem elektromagnetycznym silnika indukcyjnego klatkowego bazujący na metodzie pośredniej zorientowanej prądowo
MONITORING I POMIARY
rekonfiguracji ich struktury sterowania [8, 9, 10]. W przypadku sterowania sil- nikiem z jedną rozwartą fazą falowniki te umożliwiają realizację zredukowanej liczby wektorów napięcia stojana, za- pewniając jednak zdolność zadawania wektora napięcia stojana o dowolnej wartości argumentu.
3. Falownik napięciowy oparty na potrójnym mostku H
Jedną z możliwych konstrukcji falow- nika napięciowego jest struktura opar- ta na wykorzystaniu trzech mostków H (falownik 3H) do niezależnego zasila- nia każdej z trzech faz silnika [11, 12]
(rys. 2).
Falownik taki charakteryzuje się taką samą liczbą wektorów napięcia stoja- na jak falownik trójpoziomowy (rys. 3), przy wykorzystaniu do jego konstrukcji tej samej liczby kluczy energoelektro- nicznych.
Podobnie jak falowniki przedstawione na rysunkach 1 c i 1 d, falownik napięcio- wy 3H umożliwia sterowanie silnikiem z jedną fazą rozwartą. Wynika to z faktu, iż składowe wektora napięcia stojana lub wektora prądu stojana, tworzące nieze- rowy iloczyn wektorowy, mogą zostać wykorzystane do opisu wektora położo- nego w dowolnym punkcie przestrzeni rozpiętej na tych składowych. Falownik taki umożliwia zatem prawidłowe stero- wanie nie tylko w pełni sprawnym sil- nikiem trójfazowym, ale również takim, w którym na skutek awarii uszkodzeniu uległy klucze energoelektroniczne jed- nego z mostków lub przerwaniu uległa jedna z faz silnika. W sytuacji takiego uszkodzenia liczba wektorów napięć sto- jana podlega redukcji do podzbioru za- leżnego od utraconej fazy (rys. 4).
Istotna korzyść, wynikająca z wyko- rzystania falownika opartego na potrój- nym mostku H, związana jest z możli- wością prawidłowej realizacji wektora prądu stojana zarówno w sytuacji silni- ka sprawnego, jak i z uszkodzoną fazą, bez konieczności rekonfiguracji struk- tury sterowania.
4. Możliwości kontroli momentu elektromagnetycznego silnika indukcyjnego z przerwaną fazą stojana
W falowniku opartym na potrójnym mostku H istnieje możliwość realizacji układu regulacji wektora prądu stojana IS, odpornego na asymetrię uzwojeń sto-
Rys. 6. Przebiegi regulacji momentu elektromagnetycznego uzyskane: a) w procesie symu- lacji komputerowych; b) na stanowisku laboratoryjnym, gdzie:
ia , ib , ic – zmierzone prądy fazowe;
e|Is| – uchyb regulacji modułu wektora prądu stojana;
earg{Is} – uchyb regulacji kąta wektora prądu stojana;
Mz, M, Mest – moment elektromagnetyczny silnika: zadany, wytworzony i estymowany;
Ω i Ωest – prędkość kątowa wirnika zmierzona i estymowana
MONITORING I POMIARY
Rys. 7. Przebiegi regulacji oraz hodograf wektora prądu stojana wyznaczone dla zadanego nominalnego momentu elektroma- gnetycznego generowanego w nominalnym zakresie prędkości kątowej wału w przypadku: a) sprawnego silnika trójfazowego;
b) silnika z przerwaną fazą c
jana oraz przerwę w jednej z jego faz. Bazując na układzie ste- rowania wektora prądu stojana opartym na kompensacji wekto- ra uchybu prądu stojana ΔIS poprzez uchyby prądów fazowych [5, 10], można wykorzystać falownik 3H do niezależnej kom- pensacji uchybów prądów fazowych w każdej ze sprawnych faz. Umożliwi to realizację wektora prądu w każdej sytuacji, w której tylko osiągalne składowe fazowe będą w stanie go opi- sać. Sterowanie takie umożliwia prawidłową realizację wektora prądu stojana zarówno z wykorzystaniem trzech, jak i dwóch faz (przy założeniu możliwości zadania napięcia fazowego, nie- zbędnego do realizacji prądów fazowych), bez konieczności rekonfiguracji struktury sterowania, co w dalszej konsekwencji eliminuje niekorzystny efekt występujący w układach sterowa- nia tolerujących uszkodzenia, a związany z utratą kontroli nad momentem elektromagnetycznym w czasie niezdiagnozowane- go uszkodzenia silnika.
Podstawą do realizacji układu sterowania silnikiem trójfa- zowym, odpornego na przerwanie fazy silnika, powinna być wobec powyższego metoda regulacji zorientowana prądowo, w której realizacja zadanego wektora prądu stojana IZS będzie zapewniała prawidłowe sterowanie momentem elektromagne- tycznym. Jedną z takich metod opracowanych dla silników indukcyjnych jest wektorowa metoda pośredniego sterowania momentem elektromagnetycznym i strumieniem skojarzonym wirnika [13, 14] o wartościach zadanych odpowiednio MZ i ΨR
(rys. 5).
Niezależne wyjścia napięciowe (Ua, Ub, Uc) wypracowywane w każdym z niezależnych regulatorów fazowych kompensują uchyby prądów fazowych. Przy czym w zależności od pożąda- nych dodatkowych właściwości dynamicznych układu regulacji mogą być to zarówno regulatory liniowe PI (w połączeniu z mo- dulatorami sygnałów napięciowych), jak i regulatory dwu- lub trójpołożeniowe, których wartości wyjściowe w sposób natu- ralny są realizowane przez mostki H.
W celu weryfikacji struktury sterowania wykorzystującej fa- lownik 3H do regulacji wektora prądu stojana silnika sprawne- go i z przerwaną fazą zostały przeprowadzone badania symula- cyjne w środowisku Matlab-Simulink 2009 oraz na stanowisku laboratoryjnym z silnikiem indukcyjnym klatkowym o mocy 2,2 kW. W trakcie procesu sterowania napędem sprawnym zo- stała, w chwili czasowej t = 0,12 s, rozwarta faza a (rys. 6).
W wyniku zastosowania falownika 3H i opisywanego w ar- tykule układu sterowania wygenerowane uszkodzenie w chwili czasowej t = 0,12 s powoduje jedynie krótkotrwałe zaburzenie procesu regulacji składowych wektora prądu stojana, co prze- kłada się na chwilowe zaburzenie momentu elektromagnetycz- nego. Nie jest przy tym potrzebna detekcja uszkodzenia, ponie- waż odporny układ regulacji w chwili wystąpienia zakłócenia wektora prądu bezzwłocznie dokonuje kompensacji prądu fazy przerwanej prądami faz pozostałych.
5. Ograniczenia sterowania momentem elektromagnetycznym silnika indukcyjnego z przerwaną fazą stojana
Możliwość sterowania momentem silnika trójfazowego z wy- korzystaniem dwóch faz nie oznacza, że zachowa on swoje no- minalne właściwości w stanie pracy awaryjnej.
Należy rozważyć dwa podstawowe aspekty ograniczające proces sterowania silnikiem trójfazowym z wykorzystaniem jedynie dwóch faz stojana. Po pierwsze, amplitudy prądów fa- zowych, kompensujących fazę rozwartą, są blisko dwukrotnie
MONITORING I POMIARY
większe od nominalnych warunków pracy. Pomijając oczywiste względy związane z większymi stratami mocy, może to prowa- dzić zarówno do przekroczenia wartości dopuszczalnych tych prądów i uszkodzenia termicznego uzwojeń, jak i lokalnego nasycenia rdzenia indukcją magnetyczną. Po drugie, zwięk- szonym wymaganiom prądowym musi sprostać zubożony zbiór wektorów napięcia stojana (rys. 4). Prowadzić to będzie do szybszej utraty możliwości sterowania wektorem prądu stoja- na przy dużych prędkościach obrotowych (dużych wartościach siły elektromotorycznej) (rys. 7). Problem ten można próbować rozwiązać, dokonując adaptacji algorytmu odwzbudzania silni- ka indukcyjnego klatkowego z wykorzystaniem metody opartej na analizie odfiltrowanego napięcia sterującego [15].
6. Podsumowanie
W artykule zaprezentowano możliwości oraz ograniczenia, jakie związane są z wykorzystaniem falownika napięciowego opartego na potrójnym mostku H do sterowania silnika trójfa- zowego z przerwaną fazą stojana. Wykazano możliwość kon- troli momentu elektromagnetycznego silnika indukcyjnego pod warunkiem prawidłowej realizacji wektora prądu stojana.
Wskazane zostały problemy z realizacją wektora prądu stojana w sytuacji wejścia wektora napięcia stojana w stan ograniczenia związany z utratą jednej fazy silnika.
Literatura
[1] Radecki a.: Odporna regulacja wektora prądu stojana do stero- wania tolerującego uszkodzenia napędów falownikowych. „Prze- gląd Elektrotechniczny”, 4b/2012, s. 193–197.
[2] khalaf S.G., haideR M.: Diagnosis and Fault Tolerant Control of the Induction Motors Techniques a Review, „Australian Jour- nal of Basic and Applied Sciences”, 2010, s. 227–246.
[3] caMpoS-delGado d.U., eSpinoza-TRejo d.R., palacioS e.: Fault- -tolerant control in variable speed drives: a survey. IET „Elec-
tric Power Applications”, 2/2008, s. 121–134.
[4] khalaf S.G., haideR M.: Diagnosis and Fault Tolerant Control of the Induction Motors Techniques a Review, „Australian Jour- nal of Basic and Applied Sciences”, 2010 , s. 227–246.
[5] Pawlaczyk l.: Sterowanie prądem wyjściowym trójpoziomowe- go falownika napięcia, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napę- dów i Pomiarów Elektrycznych, 62/2008, s. 387–395.
[6] Płachtyna O., ŻarnOwski r.: Wielopoziomowy falownik w za- stosowaniu do silnika indukcyjnego lub autonomicznej prądnicy indukcyjnej albo synchronicznej, Zeszyty Problemowe „Maszy- ny Elektryczne”, 86/2010, s. 1–4.
[7] khoUcha f., laGoUn S.M., MaRoUani k., kheloUi a., el ha-
cheMi BenBoUzid M.l.: Hybrid Cascaded H-Bridge Multile- vel-Inverter Induction-Motor-Drive Direct Torque Control for Automotive Applications, IEEE Transactions on Industrial Elec-
tronics, Volume 57, 3/2010, s. 892–899.
[8] hoanG k.d., zhU z.Q., foSTeR M.p., STone d.a.: Comparative study of current vector control performance of alternate fault tolerant inverter topologies for three-phase PM brushless ac machine with one phase open – circuit fault, 5th IET Interna- tional Conference on Power Electronics, Machines and Drives, 2010, s. 1–6.
[9] welchko B.a., lipo T.a., jahnS T.M., SchUlz S.e.: Fault Tole- rant Three-Phase AC Motor Drive Topologies: A Comparison of Features, Cost, and Limitations. IEEE Transactions on Power Electronics, 4/2004, s. 1108–1116.
[10] hai lin, honG li, yinTao wanG, MinGfenG li, penG wen, chUn-
hUi zhanG: On inverter fault-tolerant operation vector control of a PMSM drive, IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems, 2009, s. 522–526.
[11] eRTUGRUl n., SoonG w., doSTal G., Saxon d.: Fault tolerant motor drive system with redundancy for critical applications.
IEEE 33rd Annual Power Electronics Specialists Conference, Volume 3, 2002, s. 1457–1462.
[12] coRzine k.a., SUdhoff S.d., whiTcoMB c.a.: Performance cha- racteristics of a cascaded two-level converter, IEEE Transac- tions on Energy Conversion, Volume 14, 3/1999, s. 433–439.
[13] DębOwski a.: Pośrednie sterowanie w napędzie elektrycznym przy wykorzystaniu stymulatora stanu. Zeszyty Naukowe Poli- techniki Łódzkiej, 552/1991, Rozprawy Naukowe z. 111.
[14] chUdzik p., Radecki a.: Korekta syntezy kąta wektora prądu w układach sterowania napędami indukcyjnymi. Zeszyty Pro- blemowe „Maszyny Elektryczne”, 84/2011, s. 17–21.
[15] Radecki a., chUdzik p.: Badania porównawcze wybranych me- tod odwzbudzania silnika indukcyjnego zasilanego z sieci o du- żych chwilowych spadkach napięć. Zeszyty Problemowe „Ma- szyny Elektryczne”, 90/2011, s. 23–28.
dr inż. Andrzej Radecki – Politechnika Łódzka, Instytut Automatyki, e-mail: andrzej.radecki@p.lodz.pl
artykuł recenzowany
reklama
