PL393380A1 - Sposób płynnego przełączania pomiędzy sterowaniem wektorowym a skalarnym w falownikowych napędach asynchronicznych pracujących z niską częstotliwością przełączeń kluczy - Google Patents

Description

393380 <b

Sposób płynnego przełączania pomiędzy sterowaniem wektorowym a skalarnym w falownikowych napędach asynchronicznych pracujących z niską częstotliwością przełączeń kluczy Przedmiotem wynalazku jest sposób płynnego przełączania pomiędzy sterowaniem wektorowym a skalarnym w falownikowych napędach asynchronicznych pracujących z niską częstotliwością przełączeń kluczy, znajdujący zastosowanie przy napędach pojazdów szynowych, korzystnie w kolejowej sieci trakcyjnej. W napędach asynchronicznych z klatkowymi silnikami indukcyjnymi na napięcia znamionowe kilku kV, zasilanymi z falowników napięcia, konieczne jest stosowanie obniżonej częstotliwości przełączeń kluczy falownika, w celu obniżenia strat komutacyjnych. Przy wysokich prędkościach obrotowych silnika ta obniżona częstotliwość pracy falownika powoduje znaczne odkształcenia przebiegów prądów stojana. Nie jest wówczas możliwe stosowanie wektorowych algorytmów sterowania takimi silnikami. Tradycyjnie stosuje się zwykłe zadawanie fal napięcia przykładanego do uzwojeń stojana w układzie otwartym, bez stosowania sprzężenia od prądów stojana. Modulacji napięcia dokonuje się w ten sposób, aby regulacja prędkości obrotowej silnika odbywała się wtedy poprzez zadawanie częstotliwości pierwszej harmonicznej zmodulowanego napięcia wyjściowego falownika, zachowując przy tym stały stosunek jej amplitudy do tej częstotliwości. Tego rodzaju sposoby sterowania znane są między innymi z literatury 1 patentowej. Z polskiego zgłoszenia patentowego P-291695 znany jest układ elektryczny sterowania falownikiem regulującym prędkość obrotową silnika asynchronicznego klatkowego, który ma zadajnik prędkości, połączony z wejściami sterującymi układów liniowo narastającego napięcia i z analogowym członem liczącym . Wyjście członu liczącego połączone jest z wejściami nieodwracającymi członów porównujących i formujących impulsy Wejścia odwracające tych członów połączone są z wyjściami układów liniowo narastającego napięcia. Natomiast z opisu patentowego PL 163825 znany jest układ sterowania falownikiem napięcia z modulacją szerokości impulsów, zasilającym silnik klatkowy, zawierający zadajnik prędkości, blok wartości bezwzględnej, węzły sumacyjne , zadajnik liniowy obrotów , układ ograniczenia prądu , układ ograniczenia napięcia obwodu pośredniczącego , układ korekty częstotliwości i napięcia , generator funkcji , generatory przestrajane napięciem oraz modulator szerokości impulsów , którego wyjścia podłączone są do układu sterowania prądami baz tranzystorów falownika. Stanowi on prosty układ sterowania, zapewniający płynną zmianę częstotliwości i amplitudy pierwszej harmonicznej napięcia wyjściowego. Kształt prądu zbliżony jest do sinusoidalnego, a strumień w stojanie jest w przybliżeniu stały. Wadą tego rodzaju sterowania jest brak dokładnej kontroli nad momentem obrotowym silnika.

Celem wynalazku było zapewnienie ciągłej kontroli nad momentem obrotowym silnika, w całym zakresie zmian prędkości obrotowej, realizowane poprzez sterowanie falownika z wykorzystaniem stymulatora elektromagnetycznego stanu silnika i służącego do zadawania odpowiedniego wektora prądu stojana, wymuszanego w silniku przez wektorowy regulator tego prądu, przy niskich prędkościach obrotowych silnika, oraz służącego do zadawania odpowiedniego wektora pierwszej harmonicznej napięcia stojana, bezpośrednio w układzie sterowania skalarnego, z pominięciem wektorowego regulatora 2 prądu, przy wysokich prędkościach obrotowych silnika. Zadaniem technicznym postawionym do rozwiązania było opracowanie sposobu płynnego przełączania pomiędzy sterowaniem wektorowym a skalarnym silnika indukcyjnego, korzystnie w falownikowych napędach asynchronicznych pracujących z niską częstotliwością przełączeń.

Sposób płynnego przełączania pomiędzy sterowaniem wektorowym a skalarnym, w falownikowych napędach asynchronicznych pracujących z niską częstotliwością przełączeń kluczy, odznacza się tym, że stosuje się dwa odrębne tory kompensacji składowych wektora napięcia stojana, stanowiące odpowiednie sprzężenia „w przód” (feedforward), poprowadzone od wejść i wyjść integratorów, w stymulatorze stanu elektromagnetycznego silnika i dodające się korzystnie do wyjść obu regulatorów wchodzących w skład wektorowego regulatora prądu stojana silnika, sterującego falownikiem napięciowym zasilającym ten silnik.

Zaletą wynalazku jest zachowanie możliwości dokładnej kontroli wartości momentu obrotowego silnika, przy niskich prędkościach obrotowych jego wału, co wynika z zastosowania wektorowej regulacji prądu stojana silnika i płynne przejście do regulacji prędkości obrotowej wału silnika, odbywającej się poprzez bezpośrednie sterowanie napięciem stojana, przy wyższych prędkościach obrotowych. Przy tych wyższych prędkościach obrotowych niska częstotliwość przełączeń kluczy falownika powoduje słabe zmodulowanie fali napięciowej, co pociąga za sobą duże odkształcenia w przebiegu fal prądu stojana, uniemożliwiając tym samym jego regulację i dokładną kontrolę momentu obrotowego, metodami sterowania wektorowego.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie stosowania sposobu płynnego przełączania pomiędzy sterowaniem wektorowym a skalarnym, w falownikowych napędach asynchronicznych, pracujących z niską częstotliwością przełączeń kluczy, natomiast przykładowy układ wykorzystujący ten sposób jest pokazany 3 na rysunku. W sposobie płynnego przełączania pomiędzy sterowaniem wektorowym a skalarnym w falownikowych napędach asynchronicznych pracujących z niską częstotliwością przełączeń kluczy, w przykładowym stosowaniu według wynalazku, stosuje się dwa odrębne tory kompensacji, wyliczające dwie składowe wektora napięcia stojana Usp , Usv*, wyrażone w układzie współrzędnych prostokątnych, związanym z zadawanym wektorem prądu stojana 7/, stanowiące odpowiednie sprzężenia „w przód” (feedforward), w wektorowym regulatorze prądu stojana, poprowadzone od wejść i wyjść integratorów w stymulatorze stanu i dodające się do wyjść obu regulatorów prądu, wchodzących w skład regulatora wektorowego, co przedstawiono na rysunku. Przy wyższych prędkościach obrotowych silnika obie składowe błędu regulacji prądu mogą zostać trwale wyzerowane, co powoduje wyłączenie wektorowego regulatora prądu i płynne przejście do sterowania skalarnego silnika, realizowanego przez oba tory kompensacji składowych wektora napięcia stojana. Przy niższych prędkościach obrotowych silnika obie składowe błędu regulacji prądu mogą być odblokowane, co powoduje ponowne włączenie wektorowego regulatora prądu i płynny powrót do sterowania wektorowego silnika.

Istotą wynalazku jest odpowiednie wykorzystanie, do realizacji takiego płynnego przełączania, sposobu sterowania pośredniego klatkowego silnika indukcyjnego, zasilanego z falownika napięciowego, wykorzystujący odpowiedni model dynamiczny obwodu wirnika tego silnika, zwanego stymulatorem elektromagnetycznego stanu silnika . Stymulator ten, wraz z matematycznym modelem obwodu stojana, służy do wyznaczania zadawanych wartości modułu wektora prądu stojana 1' i wartości pulsacji poślizgu, oraz dwóch składowych wektora napięcia stojana Usp, Usv \ odpowiadających zakładanej wartości momentu obrotowego na wale silnika i wartości strumienia magnetycznego wirnika. Zewnętrznymi sygnałami sterującymi w tym stymulatorze są wartości 4 pochodnych kąta obciążenia i modułu wektora strumienia wirnika Sę, Sy. W układach napędowych prądu przemiennego, sterowanych metodami wektorowymi, moment rozwijany na wale klatkowego silnika indukcyjnego zależy od długości wektora prądu stojana i wektora strumienia magnetycznego wirnika, oraz od ich wzajemnego położenia kątowego. Kąt pomiędzy tymi wektorami nazywany jest kątem obciążenia. W sposobie sterowania pośredniego, wykorzystującym koncepcję stymulatora stanu, wektory napięcia stojana, prądu stojana i strumienia magnetycznego wirnika, służące do opisu modelu tego silnika, przedstawia się w układzie współrzędnych związanych z zadawanym wektorem prądu stojana Układ ten obraca się względem nieruchomych uzwojeń stojana z prędkością będącą sumą prędkości mechanicznej wirnika i przeliczonej na ruch obrotowy pulsacji poślizgu, będącej jednym z dwóch sygnałów wyjściowych stymulatora Drugim sygnałem wyjściowym stymulatora jest wartość modułu wektora prądu stojana, stanowiąca składową rzeczywistą tego wektora. Składowa urojona zadawanego wektora prądu jest zawsze równa zeru. Stymulator zadaje moduł wektora prądu 1' i kąt & położenia tego wektora w nieruchomym układzie współrzędnych. Kąt ten wylicza się w odpowiednim układzie syntezy kąta, na podstawie zadawanej wartości poślizgu i pomierzonej prędkości obrotowej wirnika silnika.

Przy bardzo niskich częstotliwościach przełączeń falownika i wysokiej prędkości obrotowej wału silnika pogarsza się zdecydowanie jakość wektorowej regulacji prądu stojana. Wtedy stosuje się sterowanie napięciowe, z pominięciem kontroli kształtu fal prądowych, w przewodach zasilających silnik. Jednocześnie dla zachowania dobrych właściwości ruchowych napędu, przy niskich prędkościach obrotowych silnika, korzysta się z regulacji prądu, która pozwala na zachowanie dużego momentu rozruchowego i jego pełną kontrolę w stanach dynamicznych. Żeby uzyskać możliwość płynnego włączania i wyłączania wektorowego regulatora 5 prądu stojana, składającego się z dwóch regulatorów wypracowujących składowe napięcia stojana, w prostokątnym układzie współrzędnych, związanym z zadawanym wektorem prądu stojana, w układzie płynnego przełączania rodzaju sterowania (wektorowe -skalarne), wartości zadane składowych napięcia stojana ϋ,μ , Usv*, wyliczone na podstawie stanu dynamicznego stymulatora, doprowadza się odpowiednio do wyjść obu regulatorów prądu. Przy uwzględnieniu w układzie sterowania aktualnych parametrów modelu silnika, regulatory prądu, z tak wprowadzoną kompensacją napięcia stojana, pracują z uchybami regulacji obu składowych wektora prądu stojana zbliżonymi do zera oraz z sygnałami wyjściowymi także zbliżonymi do zera, a więc w dowolnie wybranym momencie mogą być włączane i wyłączane, poprzez odpowiednie przełączanie sygnałów doprowadzanych do wejść regulatorów prądu, korzystnie astatycznych. Wyzerowanie tych sygnałów błędów powoduje wyłączenie obu regulatorów prądu. Tory sygnałów kompensacji, doprowadzone do wyjść tych regulatorów, dostarczają wtedy informacji o składowych zadanego wektora napięcia stojana i pozwalają na skalarne sterowanie silnika i stosowanie w falowniku obniżonej częstotliwości jego pracy. Ponowne załączenie na wejścia regulatorów sygnałów uchybu poszczególnych składowych prądu, pozwala włączenie ich do pracy i na płynny powrót do sterowania wektorowego napędu. Takie przełączanie sposobu sterowania falownikiem odbywa się w funkcji prędkości obrotowej wału silnika.

Przykładowy układ, w którym wykorzystano sposób płynnego przełączania pomiędzy sterowaniem wektorowym a skalarnym w falownikowych napędach asynchronicznych pracujących z niską częstotliwością przełączeń, zawiera: układ i zadawania momentu silnika i modułu wektora strumienia wirnika, stymulator 2 elektromagnetycznego stanu silnika, regulator 3 składowej rzeczywistej wektora prądu stojana, regulator 4 składowej urojonej wektora prądu stojana, układ 5 płynnego przełączania rodzaju sterowania (wektorowe-skalame), wektorowy modulator 6 napięcia 6 wyjściowego falownika, falownik 7 napięciowy, klatkowy silnik 8 indukcyjny. Podczas pracy układu stosuje się pomiar 9 trójfazowych prądów stojana silnika i przeliczenie ich do wirującego układu współrzędnych, związanego z zadawanym wektorem prądu, oraz pomiar 10 prędkości obrotowej wału silnika.

RZECZIMK ĄmŁnTOW^ tnL Bronisław Bule

Zakład Elektroniki Przemysłowej ΕΝΙΚΑ Sp.zo.o. 0\ 91-223 Łódź. ul. Morgowa 11 tel.42 652-15-55 fax 42-652-16-11 NIP: 9471927681 7

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe Sposób płynnego przełączania pomiędzy sterowaniem wektorowym a skalarnym, w falownikowych napędach asynchronicznych pracujących z niską częstotliwością przełączeń kluczy, znamienny tym, że stosuje się dwa odrębne tory kompensacji składowych wektora napięcia stojana, stanowiące odpowiednie sprzężenia „w przód” (feedforward), poprowadzone od wejść i wyjść integratorów w stymulatorze stanu elektromagnetycznego silnika i dodające się korzystnie do wyjść obu regulatorów, wchodzących w skład wektorowego regulatora prądu stojana silnika, sterującego falownikiem napięciowym zasilającym ten silnik.

   Zakład Elektroniki Przemysłowej

   91-223 Łódź. ul. Morgowa 11 tel. 42 652-15-55 fax 42-652-16-11 NIP: 9471927681 PREZES