FI114420B

FI114420B - Menetelmä täyden kertaluvun vuohavaitsijoiden yhteydessä anturittomia oikosulkumoottoreita varten

Info

Publication number: FI114420B
Application number: FI20021865A
Authority: FI
Inventors: Marko Hinkkanen
Original assignee: Abb Oy
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2004-10-15
Also published as: FI20021865A0; ATE314752T1; WO2004036732A1; US20050001583A1; EP1464110A1; EP1464110B1; FI20021865A; CN100345370C; DE60303006T2; US6940253B2; AU2003271790A1; CN1685605A; DE60303006D1

Description

114420

Menetelmä täyden kertaluvun vuohavaitsijoiden yhteydessä anturittomia oikosulkumoottoreita varten

KEKSINNÖN KOHDE

Esillä oleva keksintö liittyy täyden kertaluvun vuohavaitsijoiden käyt-5 töön, ja erityisesti täyden kertaluvun vuohavaitsijoiden vakauttamiseen nope-usanturittomia oikosulkumoottoreita varten regeneroivassa käyttötavassa.

KEKSINNÖN TAUSTA

Nopeusanturittomat oikosulkumoottorikäytöt ovat kehittyneet viime vuosien aikana merkittävästi. Nopeusadaptiiviset täyden kertaluvun vuohavait-10 sijat [1], [2] ovat lupaavia vuohavaitsijoita oikosulkumoottorikäyttöjä varten. Nopeusadaptiivinen havaitsija koostuu tilahavaitsijasta täydennettynä nopeus-adaptaatiolailla. Havaitsijan vahvistus ja nopeusadaptaatiolaki määrittävät havaitsijan dynamiikan.

Tavanomainen nopeusadaptaatiolaki johdettiin alun perin käyttäen 15 Lyapunovin stabiiliusteoreemaa [1] tai Popovin hyperstabiiliusteoreemaa [2]. Adaptaatiolain stabiilius ei kuitenkaan ole taattu, sillä mittaamattomia tiloja koskevia kiistanalaisia oletuksia käytetään viitteessä [1] ja positiivireaalisuus-ehto ei täyty viitteessä [2]. Epästabiili alue, joka kohdataan regeneroivassa käyttötavassa pienillä nopeuksilla, on tunnettu [3]-[5], Regeneroivan käyttöta-: 20 van pieninopeuksinen toiminta on ongelmallista myös jännitemalliin perustuvil- ; le estimaattoreille, kuten on esitetty viitteessä [6].

Nopeusadaptiivisen täyden kertaluvun vuohavaitsijan tapauksessa epästabiilin alueen kokoa voidaan pienentää tai teoriassa jopa poistaa valit-. . semalla havaitsijan vahvistus sopivasti [3], [5]. Kuitenkin perustuen simuloin- 25 teihin, menetelmät [3] ja [5] ovat herkkiä erittäin pienille virheille moottorin pa-rametreissa. Lisäksi saumaton siirtyminen regeneroivan käyttötavan pienino-peuksisesta toiminnasta suurempi nopeuksiseen toimintaan tai moottorikäyttö-..!: ’ tapaan saattaa olla ongelmallista.

f I t

Eräs toinen lähestymistapa epästabiiliuden poistamiseksi on muun-.·.·, 30 taa nopeusadaptaatiolakia. Tämä lähestymistapa vaikuttaa lähes tutkimatto- ,*·. malta. Viitteessä [7] tarkasteltiin (mutta ei tutkittu) adaptaatiolain virheprojekti- on suunnan muuttamista suodatettuun sähkömotoriseen voimaan perustuvaa ..li* havaitsijaa varten. Viitteissä [8] ja [9] adaptaatiolakiin sisältyvä roottorivuon es- timaatti korvattiin staattorivuon estimaatilla, mutta tämä ei poista epästabiilia 35 aluetta.

11442C

2

KEKSINNÖN LYHYT SELOSTUS

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä, joka ratkaisee yllä esitetyn ongelman. Tämä tarkoitus saavutetaan menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, mitä on sanottu itsenäisessä patenttivaatimuksessa.

5 Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksinnön menetelmä perustuu modifioituun nopeusadaptaatiola-kiin, jossa virheprojektion suunta on muutettu regeneroivassa käyttötavassa pieninopeuksisessa toiminnassa. Eli sen sijaan, että käytettäisiin ainoastaan 10 virran estimointivirhettä, joka on kohtisuorassa estimoituun vuohon, käytetäänkin regeneroivassa käyttötavassa myös samansuuntaista komponenttia.

Keksinnön menetelmän etuna on se, että anturittoman oikosulku-moottorin ohjaus on stabiili kaikissa toimintapisteissä mukaan lukien pienino-peuksinen regeneroiva käyttö. Keksinnön menetelmään perustuva oikosulku-15 moottorin ohjaus on nopea toteuttaa ja luotettava.

KUVIOIDEN LYHYT SELOSTUS

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa

Kuviot 1 ja 2 esittävät virran estimointivirheen kuvaajaa; 20 Kuvio 3a esittää tunnetun tekniikan mukaisen nopeusadaptaatiolain : linearisoitua mallia;

Kuvio 3b esittää keksinnön mukaisen nopeusadaptaatiolain lineari-v,: soitua mallia; :-: Kuvio 4a esittää osaa tunnetun tekniikan mukaisesta nopeusadap- 25 taatiotiolain juuriurasta; .·*·. Kuvio 4b esittää osaa keksinnön mukaisesta nopeusadaptaatiolain juuriurasta;

Kuvio 5 esittää koejärjestelyä; ”!! Kuvio 6 esittää roottorivuo-orientoitunutta säätäjää; -; ‘ ’ 30 Kuviot 7 ja 8 esittävät koetuloksia regeneroivassa käyttötavassa; :,:.: Kuvio 9a esittää simulointituloksia; ja : ’ * ’: Kuvio 9b esittää koetuloksia.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS ' "> Selostuksessa määritellään ensiksi oikosulkumoottorin malli ja no- 35 peusadaptiivinen vuohavaitsija. Sitten käytetään pysyvän tilan analyysia selvit- 3 114420 tämään keksinnön taustalla olevaa ongelmaa ja tämän ratkaisua keksinnön mukaisesti. Myös stabiilisuutta tarkastellaan käyttäen linearisoidun järjestelmän juuriuraa. Lopuksi roottorivuo-orientoidun säätöjärjestelmän esittämisen jälkeen, esitetään simulointi-ja koetuloksia.

5 OIKOSULKUMOOTTORIN MALLI

Oikosulkumoottorin dynaamisen käänteis-T-sijaiskytkennän parametrit ovat staattoriresistanssi Rs, roottoriresistanssi Rr, staattorin transientti-induktanssi L’s ja magnetointi-induktanssi Lm. Roottorin kulmanopeutta esittää <»m, vertailukoordinaatiston kulmanopeutta esittää a1, staattorivirran avaruus-10 vektrori on [s ja staattorijännitteen us. Kun staattorivuo ja roottorivuo j^r valitaan tilamuuttujiksi, oikosulkumoottorin tilaesitykseksi tulee 1 1 —rJ<°k — rj-i x= X + u (1a) — l-σ 1 ./ n — 0

—Γ--;~JV°k ~{°m) kJ

L Tr Tr_J B

A

is= ~ x (1b) vj~ ; 15 ... missä tilavektori on X = k ^ ia parametrit esitettynä Γ-sijaiskytkennän : : : parametreinä ovat σ= L’s/(Lm+L’s), t's = L’s/Rs ja fr = oLm/Rr Sähkömagneet- ;..: tinen vääntömomentti on O 20 <2) ·.: missä p on napapariluku ja kompleksikonjugaatit on merkitty symbo- lilla 1. Selityksessä käytetään nelinapaisen 2.2 kW oikosulkumoottorin para-; y; metrejä, jotka on annettu taulukossa I. Tulisi myös ymmärtää, että näitä arvoja • · 1. 25 käytetään ainoastaan keksinnön selittämiseen.

·’ Keksinnön mukainen menetelmä käsittää vaiheet, joissa määrite- *»· ··.: tään oikosulkumoottorin virtavektori ja määritetään oikosulkumoottorin staatto- rijännitevektori. Virtavektori saadaan esimerkiksi mittaamalla virrat. Kolmivaiheisessa järjestelmässä on usein tarpeen mitata ainoastaan kaksi virtaa.

4 114420 Jännitevektori saadaan esimerkiksi mittaamalla jännite moottoria syöttävässä laitteessa. Tämä laite on yleensä tasajännitevälipiirillinen taajuus-muuttaja. Mittaamalla välipiirijännite ja yhdistämällä se lähdön kytkimien tilatietoon saadaan aikaan lähdön jännitevektori.

5 NOPEUSADAPTIIVIISIEN TÄYDEN KERTALUVUN VUOHAVAITSIJA

Perinteisesti staattorivirtaa ja roottorivuota on käytetty tilamuuttujina täyden kertaluvun vuohavaitsijoissa. Kuitenkin staattori- ja roottorivuon valitsemista tilamuuttujiksi pidetään parempana, sillä tämä sallii havaitsijan käyttämisen staattorivuo-orientoituneen säädön tai suoran vääntömomentin säädön 10 [8] kuten myös roottorivuo-orientoituneen säädön yhteydessä. Näin ollen täy den kertaluvun vuohavaitsija määritellään yhtälöillä X = AX+ Bus + i(/s -1) (3a) L=CX (3b) 15 missä havaitsijan tilavektori on £ = liL Ir)· ja järjestelmämatriisi ja havaitsijan vahvistus ovat 1 1 —— n Ί d‘ Ti_„ , ' £= ‘ (3c) : : : r τ

... L r r J

\V 20 ':” vastaavasti, missä estimaatteja merkitään symbolilla Λ.

,'..' Havaitsijan vahvistus

Yksinkertainen havaitsijan vahvistus *::: 25 l= ä[\ + j sgn(<ym )],/,= λ[- 1 + j sgn(<ym)] (4a) (*: missä :* /Γ— if ώ <ω7

..i m A

* λ' if ώ >ω, [ m λ 5 114420 tuottaa tyydyttävän käyttäytymisen nollanopeudesta erittäin suuriin nopeuksiin [11]. Parametrit λ’ja anovat positiivisia vakioita. Parametrin λ’ voidaan ajatella olevan impedanssin, joka saattaa olla hyödyllistä valittaessa λ’ eri kokoisille 5 moottoreille. Selityksessä havaitsijan arvon määräytymiseen käytetään λ’= 10 Oja ωχ = 1 p.u.

Nopeusadaptaatiolait

Tunnettu tekniikka

Perinteinen nopeusadaptaatiolaki on 10 = -Yp In4(i, - L }- Yi iIm{i - L )fR )dt (5) missä γρ ja γ, ovat adaptaatiovahvistukset. Ainoastaan sitä virran estimointivir-hettä, joka on kohtisuorassa estimoituun roottorivuohon, käytetään nopeuden 15 estimointiin. Adaptaatiolaki toimii hyvin lukuun ottamatta regeneroivaa käyttötilaa alhaisilla nopeuksilla. Vahvistuksia γρ = 10 (Nm»s)"1 ja γ,= 10000 (Nm*s2)'1 käytetään tässä selityksessä.

Keksinnön mukaisesti 20 Esillä olevan keksinnön mukainen nopeusadaptaatiolaki on : : K=-YPlm{ks- L )fR β~'Φ}- Yi JIm{i - L )fR β~ΐΦ \dt (6) ‘ *» · missä kulma ^ muuttaa virheprojektion suuntaa. Toisin sanoen virran estimoin-·: 25 tivirheen sitä komponenttia, joka on samansuuntainen estimoidun roottorivuon kanssa, käytetään myös kun φ* 0. Muutos virheprojektion suuntaan tarvitaan stabiloimaan regeneroivan käyttötavan toimintaa pienillä nopeuksilla. Yhtälö ;·· (6) on helppo laskea, koska lm{a b} voidaan tulkita vektoreiden ristitulona. Ta- ; pauksessa (6) ristitulo lasketaan staattorivirran estimointivirheen ja estimoidun 30 roottorivirran välillä.

Nopeusadaptaatiossa käytetään estimoitua roottorin käämivuota. Menetelmä on myös käyttökelpoinen staattorin käämivuon estimointiin. Tämä :· sallii menetelmän käytön suuressa määrässä vektorisäätömenetelmiä.

11442C

6

PYSYVÄN TILAN ANALYYSI

Perustuen yhtälöihin (1) ja (3) tilavektorin estimointivirhe e = X-X ja staattorivirran virhe on 5 e = {A-LC)e+ (7a) _L-R _ L-ls=Ce (7b)

Seuraavassa estimointivirhettä e tarkastellaan pysyvässä tilassa ja käytetään estimoituun roottorivuohon kiinnitettyä koordinaatistoa, eli e = 0, 10 o)k-cos (missä ω3 on staattorin kulmataajuus) ja ψ R = y/R + jO. Tietylle virheelle com -&m, ja staattorin kulmataajuuden cos määräämälle toimintapisteelle, jättä-mäkulmataajuudelle cor =cos -ωη, ja roottorivuon estimaatille \j/R, pysyvän tilan ratkaisu yhtälölle (7) löytyy helposti.

Stabiili alue 15 Kuvio 1 esittää virran estimointivirheen kuvaajaa kahdella eri nopeuden estimointivirheellä, kun jättämäkulmataajuus cor muuttuu negatiivisesta nimellisestä jättämästä positiiviseen nimelliseen jättämään. Staattorin kulmataajuus on 6¾ = 0.1 p.u. ja kulmataajuuden perusarvo on 2π50 s"1. Voi- ; daan nähdä, että mitä suurempi nopeuden virhe on, sitä suurempi on virran es- '*V 20 timointivirhe.

Γ! Kuvio 1 esittää virran estimoinnin virheen kuvaajaa kun jättämäkul mataajuus ah muuttuu negatiivisesta nimellisestä jättämästä positiiviseen ni- ‘ melliseen jättämään (nimellisen jättämän ollessa 0.05 p.u.). Staattorin kulma- taajuus on = 0.1 p.u. ja kaksi nopeuden estimointivirhettä (0.002 p.u. ja 25 0.004 p.u.) on esitetty. Kuviossa 1 on käytetty roottorivuohon kiinnitettyä koor dinaatistoa.

··· Kuviossa 1 cos > 0 ja ώη>ωιη. Jos ω3 < 0, niin kuvaajat sijaitsevat I 1 » # .. oikeassa puolitasossa. Jos &m <com kuvaajat sijoittuvat alempaan puolitasoon.

Λ Estimoituun roottorivuohon kiinnitetyssä koordinaatistossa tunnetun 30 tekniikan adaptaatiolaki (5) supistuu muotoon > . .: j ’ &m=-rp (isq - hq )y>R ~ Yi J (>sq - lq )ψR & (8)

I I

7 114420

Nopeusestimaatti riippuu siten virheestä isq-isq- Jos comxom niin ehdon / -isq >0 tulisi päteä nopeusestimaatin konvergoitumiseksi. Kuviossa 1 tämä ehto pätee kaikilla jättämätaajuuksilla mukaan lukien regeneroiva käyttötapa (kun OsOJr < 0).

5 Epästabiili alue

Kuvio 2 esittää virran estimointivirhettä alemmalla staattorin kulma-taajuudella 6¾ = 0.01 p.u. Kuvaaja, joka koostuu yhtenäisestä viivasta ja katkoviivasta, esittää virran estimointivirhettä. Ehto isq -isq >0 pätee moottorikäyttö- tavassa, mutta regeneroivan käyttötavan toiminnassa suuremmilla jättämillä se 10 ei päde. Näin ollen havaitsija, joka käyttää tunnetun tekniikan adaptaatiolakia, muuttuu epästabiiliksi.

Kuvio 2 esittää virran estimointivirheen kuvaajaa jättämäkulmataa-juuden cor muuttuessa negatiivisesta nimellisestä jättämästä positiiviseen nimelliseen jättämään. Staattorin kulmataajuus on 0¾ = 0.01 p.u. ja nopeuden 15 estimointivirhe on ώηι-ωιη = 0.002 p.u. Katko-/yhtenäinen viiva esittää kuvaajaa, joka vastaa tunnetun tekniikan mukaista adaptaatiolakia. Kuvaaja, joka koostuu yhtenäisestä viivasta ja katko-piste -viivasta vastaa esillä olevan keksinnön yhteydessä käytettyä nopeusadaptaatiolakia. Kuviossa 2 käytetään estimoitua roottorivuokoordinaatistoa.

20 Perustuen kuvioon 2 voidaan huomata, että regeneroiva käyttötapa voidaan stabiloida muuttamalla virheprojektion suuntaa. Näin ollen adaptaa-tiolaki (6) keksinnön menetelmän mukaisesti estimoidun roottorivuon koor-dinaatistossa on tarkasteltu. Virran estimointivirhettä käännetään kertoimella exp(-y^) estimoidussa vuokoordinaatistossa. Koska tunnetun tekniikan mukai-. i 25 nen adaptaatiolaki toimii hyvin moottorikäyttötavalla, kulma ^ valitaan seuraa-,,.: vasti ;· , / IfyJ^ -li jos^i^ ja^^o ^ 0 muutoin 30 Määrätylle moottorille φηiax = 0.44π (eli 80°) ja α>φ = 0.4 p.u. oli valittu.

..!: ‘ Kuviossa 2 virran virheen kuvaaja, joka aiheutuu yhtälöstä (9), koostuu yhte- , ' näisestä viivasta ja pistekatkoviivasta, eli katkoviivaa kierrettiin 78° origon ym päri pistekatkoviivan aikaansaamiseksi. Nyt ehto isq -i >0 on voimassa kai-

11442C

8 kiila jättämätaajuuksilla. Itse asiassa yhtälön (9) valinta stabiloi koko re-generointialueen. Parametreja φ„iax ja ωφ voidaan muuttaa merkittävästi ilman stabiilisuuden menettämistä.

Keksinnön menetelmän mukainen adaptaatiolaki ei ole rajoitettu ha-5 vaitsijan vahvistukseen (4). Muutamia havaitsijan vahvistuksia tutkittiin käyttäen pysyvän tilan analyysiä ja linearisoitua mallia. Jopa $nax ja ο>φ samoja arvoja havaitsijan vahvistuksen (4) kanssa voidaan käyttää joissain tapauksissa, esimerkiksi kun käytetään havaitsijan vahvistusta, joka on ehdotettu viitteessä [8], tai havaitsijan vahvistusta nolla.

10 LINEARISOITU MALLI

Nopeusadaptiivisen havaitsijan epälineaarista ja monimutkaista dynamiikkaa voidaan tarkastella linearisoinnin avulla. Avaintekijä linearisoinnissa on tahtikoordinaatiston käyttäminen dc-tasapainopisteen saavuttamiseksi. Seuraavassa sekä moottorin että havaitsijan dynamiikat on otettu huomioon.

15 Vaikkakin staattorin dynamiikka on sisällytetty malliin, linearisoitu malli on riippumaton staattorijännitteestä ja näin ollen virtasäätäjästä.

Estimointivirhe

Roottorivuokoordinaatistossa linearisoitu malli (7a) tulee muotoon [11] i .·. 20 e = Uo-£0Ck+ . 0 (10a) U¥w\ t. Tässä tasapainopistesuureet on merkitty alaindeksillä 0, ja järjes- telmämatriisi ja havaitsijan vahvistus ovat 25 1 1 »!, , J^sO , Γ/ A = T$ Ts Za = ~i0 M Ob) do ι_σ l ,Lo i UUDj —r —;-Jwr 0 L-r0j L Tr Tr ] ;·’ vastaavasti.

· Siirtofunktio nopeuden estimointivirheestä com -com virran estimointi- : ‘ ·. * 30 virheeseen i_s - [s on 114420 g G(5) = C(5/-^0+Z0c)_1 0 U^«°J (11a) _ -jytRo s + jas Q L\ A(s) + jB(S) [Ί ol missä /= on yksikkömatriisi. Polynomit yhtälössä (11a) on määritelty seuraavasti 5 ΛΜ = J2 + /-U -f + 'ΛΤ '"01 - ωΜωΛ + U. Tr LS J j11bj

, a>s0^rq0~6}r0^sq0 , Ofa/Q

L\ r\L\ B(s) = / ωΜ + ωΛ + + V, ^ £* J r‘f' (11c) ! COrohdd ~ ω3θΚάΟ j °^<?0 10 missä havaitsijan vahvistuksen merkinnät on jaettu reaali- ja imaginaarikom-ponentteihin: [s0 =lsd0 + jlsq0 ja l_r0 =lrd0 + jl Q. Koska havaitsijan vahvistuksen I * t sallitaan olevan estimoidun roottorin nopeuden funktio, käytetään alaindeksiä 0. Tulee myös havaita, että G(s) on riippumaton nopeusadaptaatiolaista.

Suljetun silmukan järjestelmä : '.: 15 Tunnetun tekniikan adaptaatiolaki Γ\· Perustuen perinteiseen adaptaatiolakiin (8), linearisoitu siirtofunktio virran virheestä isq-i_sq nopeusestimaattiin ώηχ on tl» 0 = -?> + —K-*o (12) \ S ) V.: 20 ,,· missä vahvistukset voivat olla nopeusestimaation funktioita. Ainoastaan esti- mointivirheen imaginaarikomponentti isq -isq on kiinnostava. Eli ainoastaan yh- 1 ’ -, \ tälön (11a) imaginaarikomponenttia käytetään I · 10 114420

Gq (5) = Im{G(.v)} = - Ψκο SA[S)- ^°f(‘y) (13) 9 1 J L\ A\s) + B\s) Käyttäen yhtälöitä (12) ja (13), kuviossa 3(a) esitetty suljetun silmukan järjestelmä on muodostettu. Suljetun silmukan järjestelmän siirtofunktio, 5 joka vastaa mitä hyvänsä toimintapistettä, voidaan laskea helposti käyttäen sopivaa tietokoneohjelmaa (esimerkiksi MATLAB Control System Toolbox).

Kuvio 4(a) esittää linearisoidun suljetun silmukan järjestelmän regeneroivan käyttötavan juuriuraa. Jättämätaajuus on nimellinen ja negatiivinen. Ainoastaan määräävät navat on esitetty. Kuten oletetaan, järjestelmä on epä-10 stabiili pienillä staattorin taajuuksilla (reaalinen napa sijaitsee oikeassa puoli-tasossa).

Keksinnön mukainen adaptaatiolaki

Estimoidussa roottorivuokoordinaatistossa keksinnön mukaiseksi 15 adaptaatiolaiksi (6) tulee

= ~Yp - isq )C0SW - ta - L )sillWK

- Yt jtta “ ^ )C0SW - ta - L )sin(0)KÄ . , Linearisoitu järjestelmä on esitetty kuviossa 3(b), missä siirtofunktio J 20 nopeuden estimointivirheestä com -cbm virran estimointivirheeseen isd - i_sd on

S I I

> ! » 05) ;·: Ls a2(s) + B2(s) i * I * » # : Kuvio 4(b) esittää linearisoidun suljetun silmukan järjestelmän re- 25 generoivan käyttötavan juuriuraa. Tässä tapauksessa järjestelmä on stabiili i. myös pienillä staattorin taajuuksilla (marginaalisesti stabiili staattorin taajuuden ·*. ollessa nolla).

:' Kuviot 4(a) ja 4(b) esittävät juuriuran osan esittäen määräävät navat regeneroivassa käyttötavassa. Jättämätaajuus on nimellinen ja negatiivinen.

30 Symmetrian vuoksi ainoastaan ylempi puolitaso on esitetty kuvioissa 4(a) ja ;· 4(b).

11442C

11 SÄÄTÖJÄRJESTELMÄ

Nopeusadaptiivisen havaitsijan regeneroivaa käyttötapaa pienillä nopeuksilla tutkittiin simulaatioilla ja kokeellisesti. Simulaatioissa käytettiin MATLAB/Simulink ympäristöä. Koejärjestely on esitetty kuviossa 5. Nelinapais-5 ta 2.2 kW oikosulkumoottoria (Taulukko I) syötettiin taajuusmuuttajalla, jota ohjattiin dSpace DS1103 PPC/DSP -kortilla. Kestomagnetoitua servomoottoria käytettiin kuormakoneena.

Säätöjärjestelmä perustui roottorivuo-orientaatioon. Yksinkertaistettu järjestelmän lohkokaavio on esitetty kuviossa 6, missä sähköiset muuttujat 10 on esitetty koordinaatistomuutosten vasemmalla puolella estimoidussa rootto-rivuokoordinaatistossa ja muuttujat oikealla puolella ovat staattorikoordinaatis-tossa. Havaitsijan digitaalista, viitteessä [10] esitettyä toteutusta käytettiin.

Vuon ohjearvo oli 0.9 Wb.

Pl-tyyppistä synkronikoordinaatistossa toimivaa virtasäätäjää käytet-15 tiin [12]. Virtasäätäjän kaistanleveys oli 8 p.u. Nopeusestimaattia suodatettiin käyttäen ensimmäisen kertaluvun alipäästösuodatinta, jonka kaistanleveys oli 0.8 p.u, ja nopeussäätäjä oli perinteinen Pl-säätäjä, jonka kaistanleveys oli 0.16 p.u. Vuosäätäjä oli Pl-tyyppinen säätäjä, jonka kaistanleveys oli 0.016 p.u.

20 Näytteenotto oli synkronoitu modulointiin ja sekä kytkentätaajuus et tä näytteenottotaajuus olivat 5 kHz. Tasajännitevälipiirin jännitettä mitattiin, ja : : ·* referenssijännitettä, joka saatiin virtasäätäjältä, käytettiin vuohavaitsijalle. Yk- ;: sinkertaista myötäkytkentäkompensaatiota käytettiin kuolleita aikoja ja teholait- v teen jännitepudotuksia varten [13].

25 On ymmärrettävä, että koejärjestely on esitetty tässä ainoastaan esimerkin vuoksi. Keksinnön menetelmää käyttävä säätöjärjestelmä voi olla * » mikä hyvänsä tunnettu järjestelmä ja sitä ei ole rajoitettu mainittuun roottori- ♦»» vuo-orientoituneeseen järjestelmään.

TULOKSET

30 Seuraavissa kuvioissa käytetyt perusarvot ovat: virta V2-5.0 Aja : Y: vuo 1.0 Wb. Kokeelliset tulokset käyttäen tunnetun tekniikan mukaista adap- taatiolakia on esitetty kuviossa 7(a). Nopeusohje asetettiin arvoon 0.08 p.u. ja ; < » negatiivinen nimellinen kuormitusaskel kohdistettiin hetkellä t = 1 s. Negatiivi- ; sen kuorman kohdistamisen jälkeen käytön tulisi toimia regeneroivalla käyttö- 1 » 35 tavalla. Järjestelmästä tulee kuitenkin epästabiili pian momenttiaskeleen jäi-

11442C

12 keen. Kuvion 4(a) juuriuran mukaisesti toimintapiste on epästabiili, sillä staatto-ritaajuus on noin 0.05 p.u. Kuvio 7(b) kuvaa kokeellisia tuloksia, jotka on saatu käyttäen keksinnön mukaista adaptaatiolakia. Kuten kuvion 4(b) juuriuran perusteella voi ennustaa, järjestelmä käyttäytyy stabiilisti.

5 Ensimmäinen kuvioiden 7(a) ja 7(b) alikuva esittää mitattua nopeut ta (yhtenäinen viiva) ja estimoitua nopeutta (pisteviiva). Toinen alikuva esittää staattorivirran q-komponenttia estimoidussa vuokoordinaatistossa. Kolmas alikuva esittää estimoidun roottorivuon reaali- ja imaginäärikomponentteja staat-torikoordinaatistossa.

10 Kuvio 8 esittää kokeellisia tuloksia, jotka on saatu käyttäen keksin nön mukaista adaptaatiolakia. Nopeusohje oli nyt asetettu arvoon 0.04 p.u. ja negatiivinen nimellinen kuormamomentti kohdistettiin hetkellä t = 5 s. Vaikka staattoritaajuus on vain noin 0.0085 p.u., sekä vuo ja nopeus havaitaan oikein. Käyrien selitys on kuten kuviossa 7.

15 Simulointituloksia, joissa esitetään pieninopeuksisia suunnanmuu toksia, on esitetty kuviossa 9(a). Keksinnön mukainen adaptaatiolaki oli käytössä. Nimellinen kuormamomenttiaskel kohdistettiin hetkellä t = 1 s. Nopeus-ohjetta muutettiin hitaasti ramppimaisesti arvosta 0.06 p.u. (t = 5 s) arvoon -0.06 p.u. (t = 20 s) ja sitten takaisin arvoon 0.06 p.u. (t = 35 s). Käyttö toimii 20 ensin moottoritoimintatavalla, sitten regeneroivalla toimintatavalla, ja lopuksi taas moottoritoimintatavalla.

:, i ! Vastaavat kokeelliset tulokset on esitetty kuviossa 9(b). Kohina vir- ran ja nopeuden estimaateissa saa alkunsa pääasiallisesti epätäydellisestä :Y: kuolleen ajan kompensoinnista. Tietyllä nopeudella kuolleen ajan kompen- ·:··· 25 soinnin suhteellinen vaikutus on merkittävämpi regeneroivalla käyttötavalla , , : kuin moottoritoimintatavalla sillä staattorijännitteen amplitudi on pienempi. Tä- .···,’ män kaltaiset nopeudenmuutokset vaativat erittäin tarkkaa staattoriresistanssin estimaattia, sillä staattoritaajuus säilyy nollan läheisyydessä pitkän ajan. Jos . niin halutaan, niin havaitsijaan voidaan lisätä staattoriresistanssin adaptaa- *;;; 30 tiolaki, kuten esimerkiksi viitteessä [1]. Kokeelliset tulokset saman nopeus- adaptiivisen havaitsijan moottoritoimintatavan käytöstä (esittäen esimerkiksi :Y: toimintaa nollanopeudella) voi löytää viitteestä [11]. Käyrien selitykset ovat ku- : ’ ": ten kuvion 7 yhteydessä.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin- I I » 35 nöllinen ajatus voidaan toteuttaa useilla tavoilla. Keksintö ja sen suoritusmuo- t »*

11442C

13 dot eivät siten rajoitu yllä esitettyihin esimerkkeihin, vaan voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

» » » • > * » i i ·

I t · t I

M < * * * > ( 14 114420

VIITTEET

[1] H. Kubota, K. Matsuse, and T. Nakano, "DSP-based speed adaptive flux observer of induction motor," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 29, no. 2, pp. 344-348, Mar./Apr. 1993.

5 [2] G. Yang and T. H. Chin, "Adaptive-speed identification scheme for a vector-controlled speed sensorless inverter-induction motor drive," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 29, no. 4, pp. 820-825, July/Aug.

1993.

[3] S. Suwankawin and S. Sangwongwanich, "A speed-sensorless 10 IM drive with decoupling control and stability analysis of speed estimation," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, no. 2, pp. 444-455, Apr. 2002.

[4] H. Tajima, G. Guidi, and H. Umida, "Consideration about problems and solutions of speed estimation method and parameter tuning for 15 speed sensorless vector control of induction motor drives," in Conference Record of the IEEE Industry Applications Conference, Thirty-Fifth IAS Annual Meeting, Rome, Italy, Oct. 2000, vol. 3, pp. 1787-1793.

[5] H. Kubota, I. Sato, Y Tamura, K. Matsuse, H. Ohta, and Y. Hori, "Regenerating-mode low-speed operation of sensorless induction motor drive 20 with adaptive observer," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 38, no. 4, pp. 1081-1086, 2002.

[6] R. Ottersten and L. Harnefors, "Design and analysis of inherently , sensorless rotor-flux-oriented vector control system," in Nordic Workshop on

Power and Industrial Electronics (NORPIE/2002), Stockholm, Sweden, Aug.

, 25 2002.

: [7] C. Nitayotan and S. Sangwongwanich, "A filtered back EMF ba sed speed-sensorless induction motor drive," in Conference Record of the IEEE Industry Applications Conference, Thirty-Sixth IAS Annual Meeting, Chi-cago, IL, Sept./Oct. 2001, vol. 2, pp. 1224-1231.

,,,: 30 [8] J. Maes and J.A. Melkebeek, "Speed-sensorless direct torque •, control of induction motors using an adaptive flux observer," IEEE Transac tions on Industry Applications, vol. 36, no. 3, pp. 778-785, May/June 2000.

[9] B. Peterson, Induction machine speed estimation - observations , ‘ on observers, Ph.D. thesis, Department of Industrial Electrical Engineering and I 35 Automation, Lund University, Lund, Sweden, Feb. 1996.

[10] M. Hinkkanen and J. Luomi, "Digital implementation of full-order 15 114420 flux observers for induction motors," in 10th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE-PEMC'02), Cavtat & Dubrovnik, Croatia, Sept. 2002.

[11] M. Hinkkanen, "Analysis and design of full-order flux observers 5 for sensorless induction motors," in The 28th Annual Conference of the IEEE

Industrial Electronics Society (IECONO2), Sevilla, Spain, Nov. 2002, in press.

[12] F. Briz, M.W. Degner, and R.D. Lorenz, "Analysis and design of current regulators using complex vectors," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 36, no. 3, pp. 817-825, May/June 2000.

10 [13] J.K. Pedersen, F. Blaabjerg, J.W. Jensen, and P Thogersen, "An ideal PWM-VSI inverter with feedforward and feedback compensation," in Fifth European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'93), Brighton, U.K., Sept. 1993, vol. 4, pp. 312-318.

f » * I I · 16 114420

TAULUKKO I

NELINAPAISEN 2.2 KW 400 V 50 Hz MOOTTORIN PARAMETRIT.

Staattoriresistanssi Rs 3.67 Ω

Roottoriresistanssi Rr 2.10 Ω

Magnetointi-induktanssi LM 0.224 H

Staattorin transientti-induktanssi L's 0.0209 H Hitausmomentti Jtot 0.0155 kgm2

Nimellinen nopeus 1430 rpm

Nimellinen virta 5.0 A

Nimellinen vääntömomentti_14.6 Nm 5 i · »

Claims

1. Menetelmä täyden kertaluvun vuohavaitsijoiden stabiloimiseksi nopeusanturittomia oikosulkumoottoreita varten regeneroivassa käyttötilassa, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa 5 määritetään oikosulkumoottorin virtavektori, määritetään oikosulkumoottorin staattorijännitevektori, muodostetaan täyden kertaluvun vuohavaitsija, jolla on järjestelmä-matriisi (A) ja vahvistusmatriisi (L), tilahavaitsijan ollessa varustettu nopeusadaptaatiolailla ja tuottaen estimoidun roottorikäämivuovektorin ja esti-10 moidun staattorivirtavektorin, määritetään staattorivirtavektorin estimointivirhe, määritetään korjauskulma, ja muodostetaan nopeusadaptaatiolaki perustuen staattorivirtavektorin estimointivirheen ja estimoidun roottorikäämivuovektorin väliseen ristituloon, 15 missä korjauskulmaa käytetään kääntämään estimoitua roottorikäämivuovekto-ria tai staattorivirtavektorin estimointivirhettä havaitsijan pitämiseksi stabiilina.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, joissa ohjataan nopeusanturitonta oikosulkumoottoria täyden kertaluvun 20 vuohavaitsijalta saadulla informaatiolla, informaation sisältäessä staattori- tai !,· j roottorikäämivuovektorin ja moottorin kulmanopeuden. » * I 11442C 18