PL199613B1 - Sposób i układ sterowania wielofazowej maszyny elektrycznej zasilanej z przekształtnika energoelektronicznego - Google Patents

Abstract

Sposób polega na tym, że za pośrednictwem napięcia wyjściowego falownika (Uf) reguluje się wielofazowe prądy (Im) maszyny według zadanej amplitudy tak, że w sposób ciągły zrównuje się, na zasadzie sprzężenia zwrotnego, fazy prądów do fazy wewnętrznego napięcia indukowanego maszyny przez wyliczenie w bloku obliczeniowym (BWF) fazy wewnętrznego napięcia indukowanego maszyny na podstawie jej zależności od napięcia wyjściowego falownika (Uf) i prądów maszyny(Im). Układ sterowania zawiera regulator prądu (RI), na którego pierwsze wejście jest podawany prąd zadany (I') i którego drugie wejście połączone jest z wyjściem bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego (BWE) maszyny. Trzecie wejścia regulatora prądu (RI) połączone są z wyjściami układu pomiarowego prądu przekształtnika (UPI), a wyjścia regulatora prądu (RI) połączone są z wejściami przekształtnika energoelektronicznego (FN). Pierwsze wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego (BWF) maszyny połączone są z wyjściami przekształtnika energoelektronicznego (FN) poprzez układ pomiarowy prądu przekształtnika (UPI), a drugie wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego (BWF) maszyny połączone są z przekształtnikiem energoelektronicznym (FN).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania wielofazowej maszyny elektrycznej zasilanej z przekształ tnika energoelektronicznego i ukł ad sterowania wielofazowej maszyny elektrycznej zasilanej z przekształtnika energoelektronicznego stosowane zwłaszcza do wielofazowych elektrycznych silników indukcyjnych i synchronicznych, zasilanych z półprzewodnikowych przetwornic częstotliwości.

Znany jest sposób sterowania maszyn indukcyjnych zasilanych z falowników zwany metodą skalarną, który polega na zasilaniu maszyny napięciem o zmiennej amplitudzie i częstotliwości, przy czym wielkości te pozostają w stałym stosunku.

Wadą takiego sposobu sterowania jest brak kontroli momentu silnika, niewykorzystanie możliwości dynamicznych, długie stany przejściowe z oscylacjami momentu i prędkości.

Znany jest sposób sterowania maszyn zasilanych z falowników zwany metodą wektorową, który polega na transformacji trójfazowych wielkości prądów i strumieni magnetycznych maszyny do dwufazowych wielkości wektorowych i oddzielnym sterowaniu w wirującym układzie odniesienia poszczególnych składowych wektora prądu lub strumienia magnetycznego odpowiedzialnych za wzbudzenie i moment maszyny.

Znany jest układ sterowania maszyny elektrycznej zasilanej z falownika realizujący metodę sterowania zwaną wektorową, który posiada blok regulatora prędkości, na którego wejście podawany jest sygnał różnicy między sygnałem wartości zadanej prędkości a sygnałem wartości rzeczywistej prędkości maszyny, i którego wyjście stanowi sygnał zadany momentu. Różnica między sygnałem momentu zadanego i rzeczywistego podawana jest na wejście bloku regulatora momentu, którego wyjście jest sygnałem zadanym jednej składowej wektora prądu w wirującym układzie odniesienia. Sygnał o wartości zadanej prędkości jest podawany także na blok wyznaczania wartości amplitudy strumienia zadanego maszyny. Sygnał wyjściowy z tego bloku po odjęciu wartości rzeczywistej strumienia jest podawany na blok_regulatora strumienia, z którego wyjście jest sygnałem zadanym drugiej składowej wektora prądu w wirującym układzie odniesienia. Zadane sygnały składowych prądu oraz sygnał aktualnego położenia strumienia podawane są na blok transformacji współrzędnych do stacjonarnego układu odniesienia a następnie do bloku transformacji do trójfazowych składowych naturalnych, które to wartości porównywane z wartościami prądów fazowych maszyny poprzez bloki histerezowych regulatorów prądu sterują półprzewodnikami falownika zasilającego maszynę. W układzie sterowania znajduje się jeszcze blok pomiaru lub estymacji strumienia i momentu, który na podstawie pomiarów bieżących prądów i prędkości wyznacza sygnały rzeczywistego momentu maszyny, rzeczywistej amplitudy strumienia i aktualnego położenia strumienia wykorzystywane przez inne bloki układu sterowania.

Wadą takiego sposobu jak i układu sterowania jest konieczność wykonywania wielu transformacji wielkości wektorowych oraz konieczność zastosowania skomplikowanego pomiaru lub uzależnionego od parametrów i modelu matematycznego maszyny obliczania aktualnych wartości momentu i strumienia.

Znany jest także sposób sterowania maszyn zasilanych z falowników zwany metodą bezpośredniego sterowania momentem (DTC), który polega na zadawaniu wartości amplitudy strumienia magnetycznego maszyny oraz wartości momentu maszyny i regulacji tych wielkości za pomocą napięcia wyjściowego falownika w wirującym układzie odniesienia.

Znany układ sterowania maszyn zasilanych z falowników realizujący metodę sterowania zwaną metodą bezpośredniego sterowania momentem (DTC) posiada blok regulatora_prędkości, na którego wejście podawany jest sygnał różnicy między sygnałem wartości zadanej prędkości a sygnałem wartości rzeczywistej prędkości maszyny, i którego wyjście stanowi sygnał zadany momentu. Różnica między sygnałem momentu zadanego i rzeczywistego podawana jest na wejście bloku trójpoziomowego histerezowego regulatora momentu. Sygnał o wartości zadanej prędkości jest podawany także na_blok wyznaczania wartości amplitudy strumienia zadanego maszyny. Sygnał wyjściowy z tego bloku po odjęciu wartości rzeczywistej strumienia jest podawany na blok dwupoziomowego histerezowego regulatora strumienia. W układzie sterowania znajduje się jeszcze blok pomiaru lub estymacji strumienia i momentu, który na podstawie pomiarów bieżących prądów i prędkości wyznacza sygnały rzeczywistego momentu maszyny, rzeczywistej amplitudy strumienia i aktualnego położenia strumienia wykorzystywane przez inne bloki układu sterowania. Na podstawie aktualnego położenia strumienia w bloku detektora sektora wyznaczany jest sektor, w którym aktualnie znajduje się wektor strumienia. Informacje z regulatora strumienia, regulatora momentu i detektora sektora wykorzystuje blok

PL 199 613 B1 selekcji wektorów napięć wyjściowych z falownika zasilającego maszynę, sterując elementy półprzewodnikowe falownika.

Wadą takiego sposobu jak i układu sterowania jest zastosowanie estymacji strumienia elektromagnetycznego oraz momentu elektromechanicznego silnika, która to czynność wymaga wielu operacji obliczeniowych o dokładności uzależnionej od zmieniających się parametrów maszyny.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że za pośrednictwem napięcia wyjściowego falownika reguluje się wielofazowe prądy maszyny według zadanej amplitudy tak, że w sposób ciągły zrównuje się, na zasadzie sprzężenia zwrotnego, fazy prądów do fazy wewnętrznego napięcia indukowanego maszyny przez wyliczenie w bloku obliczeniowym fazy wewnętrznego napięcia indukowanego maszyny na podstawie jej zależności od napięcia wyjściowego falownika i prądów maszyny.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że zawiera regulator prądu, na którego pierwsze wejście jest podawany prąd zadany i którego drugie wejście połączone jest z wyjściem bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego maszyny, zaś trzecie wejścia regulatora prądu połączone są z wyjściami układu pomiarowego prądu przekształtnika, a wyjścia regulatora prądu połączone są z wejściami przekształtnika energoelektronicznego. Pierwsze wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego maszyny połączone są z wyjściami przekształtnika energoelektronicznego poprzez układ pomiarowy prądu przekształtnika, a drugie wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego maszyny połączone są z przekształtnikiem energoelektronicznym. Drugie wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego maszyny połączone są z wyjściami przekształtnika energoelektronicznego poprzez układ pomiarowego napięcia przekształtnika. Drugie wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego maszyny połączone są z wejściami przekształtnika energoelektronicznego. Prąd zadany podawany jest na pierwsze wejście regulatora prądu z wyjścia regulatora prędkości obrotowej maszyny, którego drugie wejście połączone jest z wyjściem układu wyznaczania aktualnej prędkości obrotowej maszyny.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala uzyskać stabilizację momentu elektromechanicznego wytwarzanego przez silnik na maksymalnym poziomie wynikającym z aktualnej wartości amplitudy prądu silnika, przez co skrócone zostają procesy przejściowe stabilizacji prędkości obrotowej w układzie napędowym przy minimalnym nakładzie energetycznym, a dokładność sterowania w małym stopniu zależy od zmiennych parametrów maszyny.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony przykładowo w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia układ sterowania wielofazowej maszyny elektrycznej zasilanej z falownika z układem pomiarowym napięcia przekształtnika, a fig. 2 - układ sterowania wielofazowej maszyny elektrycznej zasilanej z falownika bez układu pomiarowego napięcia przekształtnika.

Zgodnie ze sposobem sterowania za pośrednictwem napięcia wyjściowego falownika Uf reguluje się wielofazowe prądy Im maszyny według zadanej amplitudy, przy ciągłym zrównywaniu, na zasadzie sprzężenia zwrotnego, fazy prądów do fazy wewnętrznego napięcia indukowanego maszyny. W tym celu wylicza się w bloku obliczeniowym BWF fazy wewnę trznego napięcia indukowanego maszyny na podstawie jej zależności od napięcia wyjściowego falownika Uf i prądów maszyny Im.

Układ sterowania według fig. 1 zawiera regulator prądu RI, na którego pierwsze wejście jest podawany prąd zadany I' z wyjścia regulatora prędkości obrotowej Reg. ω maszyny, którego drugie wejście połączone jest z wyjściem układu wyznaczania aktualnej prędkości obrotowej PT maszyny. Drugie wejście regulatora prądu RI połączone jest z wyjściem bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego BWF maszyny, zaś trzecie wejścia regulatora prądu RI połączone są z wyjściami układu pomiarowego prądu przekształtnika UPI. Wyjścia regulatora prądu RI połączone są z wejściami przekształtnika energoelektronicznego FN, przy czym pierwsze wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego BWF maszyny połączone są z wyjściami przekształtnika energoelektronicznego FN poprzez układ pomiarowy prądu przekształtnika UPI, a drugie wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego BWF maszyny połączone są z przekształtnikiem energoelektronicznym FN poprzez układ pomiarowy napięcia przekształtnika UPU.

Wielofazowa maszyna elektryczna M zasilana jest za pomocą półprzewodnikowego falownika FN. Falownik za pomocą napięć wyjściowych wymusza w uzwojeniach maszyny przepływ wielofazowych prądów o określonych parametrach amplitudy, częstotliwości i fazy. Na przewodach między falownikiem i maszyną znajdują się układy pomiaru prądów maszyny UPI oraz układy pomiaru napięć wyjściowych falownika UPU. Podczas pracy maszyny w jej uzwojeniach indukują się napięcia spowodowane zjawiskami elektromagnetycznymi oraz obrotem wirnika. Na podstawie mierzonych prądów Im i napięć zasilają cych maszynę Uf w bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego BWF następuje

PL 199 613 B1 wyliczanie aktualnej wartości kąta fazowego wewnętrznego napięcia indukowanego φ'. Sygnał o takiej wartości jest podawany na wejście bloku wielofazowego regulatora prądu RI. Sygnał ten φ' stanowi informację o fazie zadanego prądu dla regulatora. Na inne wejście bloku regulatora prądu podawany jest sygnał o zadanej amplitudzie prądu I'. Do bloku regulatora prądu RI podawane są również informacje o aktualnych wartościach prądów w fazach maszyny Im. Po porównaniu wartości prądów rzeczywistych Im z wartościami wyliczonymi na podstawie zadanej amplitudy I i fazy prądów φ', regulator prądu RI steruje elementami półprzewodnikowymi przetwornicy FN za pomocą sygnałów sterujących ISF. Sterowanie przekształtnika zmienia napięcie zasilania maszyny wpływając na prądy maszyny. Zmieniająca się pod wpływem zasilania maszyny aktualna wartość fazy napięcia indukowanego będzie powodowała ciągłą zmianę fazy regulowanego prądu i ciągłe, automatyczne nadążanie fazy prądu za fazą napięcia. Dzięki wymuszaniu prądu zsynchronizowanego poprzez kąt φ z napięciem indukowanym maszyny można uzyskać maksymalny moment wytwarzany przez maszynę przy danej wartości amplitudy prądu.

Sygnał zadanej amplitudy prądu I' może być sygnałem wyjściowym bloku regulatora prędkości obrotowej maszyny Ρω, na którego wejścia podawane są sygnały zadanej prędkości obrotowej ω' i sygnał rzeczywistej prędkości obrotowej ω, uzyskany z elementu pomiarowego lub bloku jej wyznaczania PT. Porównując prędkość zadaną z rzeczywistą regulator prędkości decyduje o zwiększeniu lub zmniejszeniu amplitudy prądu, którego częstotliwość jest związana z prędkością obrotową, a faza ma zapewnić maksymalny moment maszyny.

Blok wyznaczania fazy napięcia indukowanego BWF wylicza fazę uwzględniając sygnały sterujące pracą falownika ISF oraz kompensuje niedokładność wyznaczania fazy a także uwzględnia stany pracy maszyny wprowadzając korektę zadanego kąta φ' na podstawie wartości prądów, prędkości lub parametrów maszyny.

Układ sterowania według fig. 2 zawiera regulator prądu RI, na którego pierwsze wejście jest podawany prąd zadany I' z wyjścia regulatora prędkości obrotowej Ro maszyny, którego drugie wejście połączone jest z wyjściem układu wyznaczania aktualnej prędkości obrotowej PT maszyny. Drugie wejście regulatora prądu RI połączone jest z wyjściem bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego BWF maszyny, zaś trzecie wejścia regulatora prądu RI połączone są z wyjściami układu pomiarowego prądu przekształtnika UPI. Wyjścia regulatora prądu Reg I połączone są z wejściami przekształtnika energoelektronicznego FN, przy czym pierwsze wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego BWF maszyny połączone są z wyjściami przekształtnika energoelektronicznego FN poprzez układ pomiarowy prądu przekształtnika UPI, a drugie wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego BWF maszyny połączone są z wyjściami regulatora prądu RI.

Wielofazowa maszyna elektryczna M zasilana jest za pomocą półprzewodnikowego falownika FN. Falownik za pomocą napięć wyjściowych wymusza w uzwojeniach maszyny przepływ wielofazowych prądów o określonych parametrach amplitudy, częstotliwości i fazy. Na przewodach między falownikiem i maszyną znajdują się układy pomiaru prądów maszyny UPI. Podczas pracy maszyny w jej uzwojeniach indukują się napięcia spowodowane zjawiskami elektromagnetycznymi oraz obrotem wirnika. Na podstawie mierzonych prądów Im i sygnałów sterujących pracą falownika ISF w bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego BWF następuje wyliczanie aktualnej wartości kąta fazowego wewnętrznego napięcia indukowanego φ'. Sygnał o takiej wartości jest podawany na wejście bloku wielofazowego regulatora prądu Reg I. Sygnał ten φ' stanowi informację o fazie zadanego prądu dla regulatora. Na inne wejście bloku regulatora prądu podawany jest sygnał o zadanej amplitudzie prądu I'. Do bloku regulatora prądu RI podawane są również informacje o aktualnych wartościach prądów w fazach maszyny Im. Po porównaniu wartości prądów rzeczywistych Im z wartościami wyliczonymi na podstawie zadanej amplitudy I' i fazy prądów φ', regulator prądu RI steruje elementami półprzewodnikowymi przetwornicy FN za pomocą sygnałów sterujących ISF. Sterowanie przekształtnika zmienia napięcie zasilania maszyny wpływając na prądy maszyny. Zmieniająca się pod wpływem zasilania maszyny aktualna wartość fazy napięcia indukowanego będzie powodowała ciągłą zmianę fazy regulowanego prądu i ciągłe, automatyczne nadążanie fazy prądu za fazą napięcia. Dzięki wymuszaniu prądu zsynchronizowanego poprzez kąt φ z napięciem indukowanym maszyny można uzyskać maksymalny moment wytwarzany przez maszynę przy danej wartości amplitudy prądu.

Sygnał zadanej amplitudy prądu I' może być sygnałem wyjściowym bloku regulatora prędkości obrotowej maszyny Ro, na którego wejścia podawane są sygnały zadanej prędkości obrotowej ω' i sygnał rzeczywistej prędkości obrotowej ω, uzyskany z elementu pomiarowego lub bloku jej wyznaczania PT. Porównując prędkość zadaną z rzeczywistą regulator prędkości decyduje o zwiększeniu

PL 199 613 B1 lub zmniejszeniu amplitudy prądu, którego częstotliwość jest związana z prędkością obrotową, a faza ma zapewnić maksymalny moment maszyny.

Blok wyznaczania fazy napięcia indukowanego BWF wylicza fazę uwzględniając napięcie zasilania falownika oraz kompensuje niedokładność wyznaczania fazy a także uwzględnia stany pracy maszyny wprowadzając korektę zadanego kąta φ' na podstawie wartości prądów, prędkości lub parametrów maszyny.

Claims (5)

1. Sposób sterowania wielofazowej maszyny elektrycznej zasilanej z przekształtnika energoelektronicznego, znamienny tym, że za pośrednictwem napięcia wyjściowego falownika (Uf) reguluje się wielofazowe prądy (Im) maszyny według zadanej amplitudy tak, że w sposób ciągły zrównuje się, na zasadzie sprzężenia zwrotnego, fazy prądów do fazy wewnętrznego napięcia indukowanego maszyny przez wyliczenie w bloku obliczeniowym (BWF) fazy wewnętrznego napięcia indukowanego maszyny na podstawie jej zależności od napięcia wyjściowego falownika (Uf) i prądów maszyny (Im).

2. Układ sterowania wielofazowej maszyny elektrycznej zasilanej z przekształtnika energoelektronicznego, znamienny tym, że zawiera regulator prądu (RI), na którego pierwsze wejście jest podawany prąd zadany (I') i którego drugie wejście połączone jest z wyjściem bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego (BWF) maszyny, zaś trzecie wejścia regulatora prądu (RI) połączone są z wyjściami układu pomiarowego prądu przekształtnika (UPI), a wyjścia regulatora prądu (RI) połączone są z wejściami przekształtnika energoelektronicznego (FN), przy czym pierwsze wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego (BWF) maszyny połączone są z wyjściami przekształtnika energoelektronicznego (FN) poprzez układ pomiarowy prądu przekształtnika (UPI), a drugie wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego (BWF) maszyny połączone są z przekształtnikiem energoelektronicznym(FN).

3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że drugie wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego (BWF) maszyny połączone są z wyjściami przekształtnika energoelektronicznego (FN) poprzez układ pomiarowego napięcia przekształtnika (UPU).

4. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że drugie wejścia bloku wyznaczania fazy napięcia indukowanego (BWF) maszyny połączone są z wejściami przekształtnika energoelektronicznego (FN).

5. Układ według zastrz. 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że prąd zadany (I') podawany jest na pierwsze wejście regulatora prądu (RI) z wyjścia regulatora prędkości obrotowej (Rm) maszyny, którego drugie wejście połączone jest z wyjściem układu wyznaczania aktualnej prędkości obrotowej (PT) maszyny.