Osnovne komponente REMP i principi rada

Osnovne komponente REMP i principi rada

Regulisani elektromotorni pogoni (REMP)

– Mehatronika

predavanje 1 , 2, 3

(Feb 2021)

Osnovne komponente i princip rada REMP 2/30

Predavanjadr Darko Marčetić, 304, [email protected](konsultacije: posle predavanja)

Knjiga: „Digitalno regulisani elektromotorni pogoni” , Darko Marčetić, Petar Matić, Akademska misao, Beograd 2020

Vežbe na tabli i laboratoriji Vladimir Popović , 304, [email protected](konsultacije: svako doba dana i noći)- prvih 6 termina tabla onda lab vezbe

Praktikum: „Primena mikroprocesora u elektroenergetici – Praktikum laboratorijskih vežbi” , Darko Marčetić, Vlado Porobić, FTN Izdavaštvo , Novi Sad , 2012. (368)

Ko će šta raditi ?


„Digitalno regulisani elektromotorni pogoni” , Darko Marčetić, Petar Matić, Akademska misao, Beograd 2020

Literatura za predavanja

Plan i program predmeta, kao i ove prezentacije, idu po ovom udžbeniku. On pokriva 100% gradiva plus 150 dodatnih strana kao bonus.

Preporuka je ovaj udžbenik.


Naziv udžbenika: 460 „Mikroprocesorsko upravljanje energetskim pretvaračima” , Darko P. Marčetić, FTN Izdavaštvo , Novi Sad , 2014 .

Literatura za predavanja

886

Jeftiniji FTN udžbenik je samo alternativa za one sa jeftinijim ulaznicama za predmet. Kod njega su fokus mikroprocesori a ne REMP, ali i on pokriva 60% gradiva, plus 150 dodatnih strana kao bonus.


Naziv pomoćnog udžbenika : 368„Primena mikroprocesora u elektroenergetici – Praktikum laboratorijskih vežbi” , Darko Marčetić, Vlado Porobić, FTN Izdavaštvo , Novi Sad , 2012.

Literatura za lab vežbe

Laboratorijske vežbe na predmetu idu 85% po ovom pomoćnom udžbeniku. Ima se i 30 dodatnih strana kao bonus.


1 Šta su REMP ?2 Osnovna šema REMP sa najvažnijim elementima 3 Na kom principu REMP rade - jednačina kretanja ?4 Momentne karakteristike motora i opterećenja 5 Šta regulišemo u REMP ?

5.1 Regulacija momenta 5.2 Regulacija brzine5.3 Regulacija položaja5.4. Kaskadna regulacija

6. Motor kao objekat upravljanja 7. Linearni regulatori u REMP8. Primeri sinteze parametara linearnih regulatora pogodne i za REMP9. Prednost kaskadne regulacije u REMP10. Pretvarači energetske elektronike u REMP11. Primer prekidačkog izvora jednosmernog napona12. Osnovni princip PWM modulacije 13. Naponsko i strujno upravljanje pretvaračima14. Prazno poglavlje, čisto da ih ne bude baš trinaest …

Sadržaj uvoda u REMP

REMP su izrazito multidisciplinarna oblast, pre nego što počnemo mnogo toga moramo da se uverimo da znate, a mnogo toga moramo da vam po prvi put objasnimo šta je ...

Zato je ovo jedno od najdužih uvodnih predavanja u neki predmet, planiramo da kontaktiramo Ginisovu knjigu rekorda ...

1. Uvod u REMP


Uvod u REMP

Elektromotorni pogon (EMP) je elektromehanički sistem koji električnu energiju iz primarnog izvora na kontrolisan način pretvara u mehanički rad, i time služi za pokretanje opreme ili opterećenja.


Uvod u REMP

Regulisani elektromotorni pogon (REMP) je EMP u kome je moguće kontrolisati ostvaren moment, brzinu ili položaj motora .


Uvod u REMP

Regulisani elektromotorni pogon (REMP) je EMP u kome je moguće kontrolisati ostvaren moment, brzinu ili položaj motora .

Digitalno regulisani elektromotorni pogon(DREMP) je REMP u kome je upravljački skloprealizovan digitalno

2. Osnovna šema i delovi REMP


2. Šema i osnovni elementi REMP

Regulisani elektromotorni pogon (REMP) može biti podešen tako da motor ostvari zadatu vrednost momenta, brzine ili položaja.

1 Izvor daje električnu energiju pogonu

2 Pretvarač prilagođava oblik te energije motoru

3 Motor razvija moment i vrši rad pokretanjem tereta sa kojim je spregnut

4 Upravljački deo sve to kontroliše


2. Jedna tipična šema modernog REMP

13

1 Izvor daje energiju

2 Ee prilagođava napon motoru

3 Motor vrši rad pokretanjem tereta

4 Upravljački deo je digitalan

1 Čita merenja i komande

2 Izvršava upravljački program

3 Generiše upravljačke signale ka Ee


2. Električni motor u REMP

Motor pretvara električnu energiju u mehaničku tako što generiše obrtni moment i pokreće teret sa kojim je mehanički povezan.


Energetska elektronika (pretvarači) u REMP

Razni tipovi motora traže različite oblike napona/struje. Energetska elektronika uzima električnu energiju iz izvora i prilagođava oblik napona i/ili struje motoru.

‚

C

T1

T2

T3

T4

D1 D2

D3 D4

T5

T6T2

Invertor DC/AC

Energetska elektronika

IspravljačAC/DC


Mikrokontroler i digitalno upravljanje u REMP

Razni mikrokontroleri i digitalni signalni kontroleri su namenjeniupraljanju EMP. Karakterišu ih periferije za generisanje upravljačkih impulsa, ADC i brojački moduli kao i rad u realnom vremenu.

3. Na kom principu rade elektromotorni pogoni ?


Mehaničke jednačine kretanja

Drugi Njutnov zakon (1687. godine)

gde je:

fe - pokretačka-motorna sila ,

fm - otporna, sila koja se suprotstavlja kretanju,

M – masa,

v - brzina kretanja

II Njutnov zakon za pravolinijsko kretanje:

Ubrzanje koje pri kretanju dobija jedno telo srazmerno je jačini sile koja na njega deluje, a obrnuto srazmerno masi tog tela



gde je: me – elektromagnetni momenat motora; mm – momenat opterećenja, otporni moment pogona,J – ukupan momenat inercije pogona;

– ugaona brzina,

II Njutnov zakon za rotaciono kretanje:

Ugaono ubrzanje koje pri kretanju dobija jedno telo srazmerno je jačini momenta koji na njega deluje, a obrnuto srazmerno inerciji tog tela

– ugaono ubrzanje; – trenutni ugao vratila, položaj

w

q



II Njutnov zakon za rotaciono kretanje:

Momenat opterećenja !!!Momenat opterećenja !!!Moment koji razvija motorMoment koji razvija motor

Znak promene brzine zavisi od odnosa me i mm



Odnos sile i momenta sile

DA BI TELO OBRTNE MASE INERCIJE J DOBILO UBRZANJE , NEOPHODNO JE PRIMENITI OBRTNI MOMENAT, ILI MOMENAT SILEDA BI TELO OBRTNE MASE INERCIJE J DOBILO UBRZANJE , NEOPHODNO JE PRIMENITI OBRTNI MOMENAT, ILI MOMENAT SILE

dt

dJJme

w

rFme

amF

ROTACIONI EKVIVALENTROTACIONI EKVIVALENT

dVrJV 2

II NJUTNOV ZAKONII NJUTNOV ZAKON

MOMENAT INERCIJE MASE

MOMENAT SILE

MOMENAT INERCIJE MASE

MOMENAT SILE


Kako se od sile dobija moment sile ?

Tangencijalna sila dovodi do tangencijalnog ubrzanja tela maseM

Moment sile koji se razvija iznosi

Ako se uvaži veza tangencijalne brzine i ugaone brzine

Konačno se dobija


Moment inercije tela

Element momenta ubrzanja dm (dinamička komponenta) koji deluje na element mase dM (krutog tela ukupne mase M), prouzrokuje pri rotacionom kretanju ugaono ubrzanje dw/dt

gde je: r - poluprečnik rotacije; dfd - element tangentne sile koja deluje na element mase; v - tangentna brzina.

Ukupan moment ubrzanja je

Što dovodi do definicije inercije tela

Moment inercije (J) je mera inertnosti tela pri rotacionom kretanju. Analogan je masi pri pravolinijskom kretanju Ako je masa = sila/ubrzanje , onda je moment inercije = moment/(ugaono ubrzanje)

Važi i

4. Momentne karakteristike u EMP

- Momenat opterećenja- Prirodna momentna karakteristika motora- Radna oblast i stacionarna radna tačka EMP


Momente karakteristike

Momentna karakteristika opterećenja se opisuje mehaničkom karakteristikom u M-w ravni. Ta karakteristika opisuje zavisnost momenta opterećanja od brzine.


Momenat opterećenja !!!Momenat opterećenja !!!Moment koji razvija motorMoment koji razvija motor




Momente karakteristike

U EMP električna mašina generiše moment kojem se na vratilu suprotstavljamoment opterećenja


Momente karakteristike motora

Prirodna mehanička karakteristika motora je ona koju motor razvija u neregulisanom pogonu pri nominalnom napajanju. Prirodna mehanička karakteristika motora je ona koju motor razvija u neregulisanom pogonu pri nominalnom napajanju.

Primer za DC motor pri konstantnom naponu napajanjaPrimer za DC motor pri konstantnom naponu napajanja


Momente karakteristike motora

Četiri tipične mehaničke karakteristike elektromotora: sinhrona (1), MJS sa nezavisnom pobudom (2), asinhrona (3) i MJS sa rednom pobudom (4) karakteristika. Mehaničkakarakteristika SM se odlikuje potpunom nezavisnošću brzine od momenta motora, dokmehanička karakteristika otočnog motora neznatno opada sa porastom opterećenja. Slično važi i za karakt AM, dok se u slučaju rednog MJS brzina značajno menja

Mehaničke karakteristike elektromotora možemo podeliti prema stepenu tvrdoće na: apsolutno tvrde (1), tvrde (2) i meke (4) karakteristike

M-ww-M


Veštačke momentne karakteristike

Veštačke mehaničke karakteristike motora nastaju promenomparametara napajanja motora. Ovo može da se ostvari samo u REMP sa pretvaračem energetske elektronike koji menja napon na motoru.

U REMPpretvarač na osnovu komandi regulatora menja parametrenapona na motoru i time mu po potrebi menja mehaničkukarakteristiku pa ona postaje veštačka.

Veštačke mehaničke karakteristike motora nastaju promenomparametara napajanja motora. Ovo može da se ostvari samo u REMP sa pretvaračem energetske elektronike koji menja napon na motoru.

U REMPpretvarač na osnovu komandi regulatora menja parametrenapona na motoru i time mu po potrebi menja mehaničkukarakteristiku pa ona postaje veštačka.

Primer pomeranja veštačkih mementnih karakteristika za asinhroni motor pri promeni frekvencije. Pri tome, napon ili raste sa frekvencijom (levo), ili je napon konstantan (desno)

Primer pomeranja veštačkih mementnih karakteristika za asinhroni motor pri promeni frekvencije. Pri tome, napon ili raste sa frekvencijom (levo), ili je napon konstantan (desno)

a) v/f = const, b) V = const a) v/f = const, b) V = const

Suština svega ovoga je promena brzine motora – regulisan pogon !Suština svega ovoga je promena brzine motora – regulisan pogon !


Momente karakteristike opterećenja



1) Kranska (gravitaciona) M = const2) Trenje (linearna) M = k w3) Ventilatorska (kvadratna) M = k w2

1) Kranska (gravitaciona) M = const2) Trenje (linearna) M = k w3) Ventilatorska (kvadratna) M = k w2

Tipične momente karakteristike opterećenja:Tipične momente karakteristike opterećenja:



Momentne karakteristike reaktivnih opterećenjaMomentne karakteristike reaktivnih opterećenjaKod reaktivnih opterećenja radna mašina uvek prima mehaničku snaguod električnog motora i ne može da je vraća ka motoru (osim kodusporavanja, kada oslobađa akumulisanu energiju obrtnih masa). Ovo je najčešća vrsta električnih opterećenja, a jedan primer je pumpa iliventilator, čija se momentna karakteristika, zavisno od smera obrtanja, nalazi u prvom i trećem kvadrantu,

Kod reaktivnih opterećenja radna mašina uvek prima mehaničku snaguod električnog motora i ne može da je vraća ka motoru (osim kodusporavanja, kada oslobađa akumulisanu energiju obrtnih masa). Ovo je najčešća vrsta električnih opterećenja, a jedan primer je pumpa iliventilator, čija se momentna karakteristika, zavisno od smera obrtanja, nalazi u prvom i trećem kvadrantu,



Momentne karakteristike potencijalnih opterećenjaMomentne karakteristike potencijalnih opterećenja

Kada radna mašina (opterećenje) može da vraća mehaničku energijuelektričnoj mašini (da je prevede iz motorskog u generatorski režimrada ne samo pri usporavanju), tada je ta karakteristika potencijalna. Potencijalna karakteristika opterećenja tipično se javlja kroz dva oblika, u zavisnosti od toga u kojim kvadrantima se nalazi ,

Kada radna mašina (opterećenje) može da vraća mehaničku energijuelektričnoj mašini (da je prevede iz motorskog u generatorski režimrada ne samo pri usporavanju), tada je ta karakteristika potencijalna. Potencijalna karakteristika opterećenja tipično se javlja kroz dva oblika, u zavisnosti od toga u kojim kvadrantima se nalazi ,



Momentne karakteristike potencijalnih opterećenjaMomentne karakteristike potencijalnih opterećenja

Kada radna mašina (opterećenje) može da vraća mehaničku energijuelektričnoj mašini (da je prevede iz motorskog u generatorski režimrada ne samo pri usporavanju), tada je ta karakteristika potencijalna. Potencijalna karakteristika opterećenja tipično se javlja kroz dva oblika, u zavisnosti od toga u kojim kvadrantima se nalazi.

Kada radna mašina (opterećenje) može da vraća mehaničku energijuelektričnoj mašini (da je prevede iz motorskog u generatorski režimrada ne samo pri usporavanju), tada je ta karakteristika potencijalna. Potencijalna karakteristika opterećenja tipično se javlja kroz dva oblika, u zavisnosti od toga u kojim kvadrantima se nalazi.


Radna tačka i stabilnost EMP

Radna tačka EMP se nalazi u preseku karakteristike motora i karakteristike opterećenja. Tačka može biti stabilna (A) i nestabilna (B). Radna tačka EMP se nalazi u preseku karakteristike motora i karakteristike opterećenja. Tačka može biti stabilna (A) i nestabilna (B).

Da bi radna tačka bila stabilna, potrebno je da je promena momenta opterećanja sa porastom brzine veća od primene momenta motora


Sigurna oblast rada EMP

• Oblast rada pogona se opisuje u M-w ravni . • Sigurna oblast rada (SOA- Safe Operation Area)

predstavlja oblast u M-w ravni koja nastaje kombinacijom maks. momenta i snage

• SOA može biti ekploataciona ili tranzijenta

• Oblast rada pogona se opisuje u M-w ravni . • Sigurna oblast rada (SOA- Safe Operation Area)

predstavlja oblast u M-w ravni koja nastaje kombinacijom maks. momenta i snage

• SOA može biti ekploataciona ili tranzijenta

Tranzijentna karakteristika je šira od eksploatacionekarakteristike i obuhvata sve radne tačke u kojima se pogon uopštemože naći. Ona je u prvoj zoni definisana maksimalnom(kratkotrajnom) strujom motora ili pretvarača pomoću koje se kratkotrajno dozvoljava maskimalni moment (veći od nominalnog). U drugoj zoni ona je ograničena sa maksimalnom snagom koja je takođe veća od nominalne snage (S2)

Eksploataciona karakteristika obuhvata sve dozvoljeneradne tačke u kojima motor u trajnom radu nije ugrožen ni nakoji način (S1). U prvoj zoni ograničena je nominalnimmomentom, a u drugoj zoni se zbog nominalne snage ali i opadanja fluksa sužava sa rastom brzine sve do maksimalnebrzine.


Sigurna oblast rada EMP

• Tranzijenta SOA je šira od trajno ekploatacione SOA• Radna tačka može da se kreće trajno po eksplotacionoj SOA, a

priveremeno može da se kreće i po tranzijetnoj SOA

• Tranzijenta SOA je šira od trajno ekploatacione SOA• Radna tačka može da se kreće trajno po eksplotacionoj SOA, a

priveremeno može da se kreće i po tranzijetnoj SOA

Primer • Kada eV ubrzava, razvija ogroman moment i motor se brzo greje. On

tada može preći i u tranzijentu SOA • Kada eV dostigne brzinu, moment pada i motor može trajno da radi, tj.

vraća se u eksplotacionu SOA

Primer • Kada eV ubrzava, razvija ogroman moment i motor se brzo greje. On

tada može preći i u tranzijentu SOA • Kada eV dostigne brzinu, moment pada i motor može trajno da radi, tj.

vraća se u eksplotacionu SOA

5. Šta regulišemo u pogonima ?

Kako se reguliše momenat, kako brzina a kako položaj?


5. Regulacione petlje u pogonu

- U neregulisanom pogonu se motor napaja bez regulacije, i moment koji EMP razvija nije regulisan,

- U regulisanom EMP želimo da promenimo radnu tačku pogona a to je jedino moguće uticajem na jednačinu kretanja:

5.1 Pogon regulisan po momentu

Za REMP je idealno da motor ostvari potrebni moment tj da postane linearni konvertor momenta !!!Da bi se to ostvarilo neophodni su adekvatni pretvarač i upravljanje za dati motor

Momenat opterećenja ne možemo da menjamo !!!Momenat opterećenja ne možemo da menjamo !!!

Ostaje nam da menjamo moment koji razvija motorOstaje nam da menjamo moment koji razvija motor




Kako upravljati momentom motora ?

Motor konvertuje električnu snagu na ulazu u mehaničku snagu na izlazu

Pravilnim upravljanjem je moguće kontrolisati moment koji motor razvija. Princip se razlikuje od motora do motora ali uglavnom se svodi na kontrolu struje

N s

Rešenje: kontrolisati struju u odnosu na fluks, za svaki motor drugačije

Uvek 90 stepeni

i

i Ugao statora i rotora

stator

Struja rotora

stator

90

MJSPMSM

Struja statora kao

vektor

Fluks rotora kao vektor

Hoćemo da menjamo MHoćemo da menjamo M

Pri datoj brziniPri datoj brzini


MJS kao generator momenta

Princip nastanka momenta kod MJS je prost

• Magnet na statoru pravi polje normalno na provodnike rotora.

• Napon se dovede na provodnike rotora i uspostavi se struja u provodnicima rotora

• Na provodnik sa strujom u magnetnom kolu deluje Lorencova sila

Princip nastanka momenta kod MJS je prost

• Magnet na statoru pravi polje normalno na provodnike rotora.

• Napon se dovede na provodnike rotora i uspostavi se struja u provodnicima rotora

• Na provodnik sa strujom u magnetnom kolu deluje Lorencova sila

Pošto su flux (sa statora) i struja (kroz rotor) uvek normalni važi: Pošto su flux (sa statora) i struja (kroz rotor) uvek normalni važi:

Sila na provodnik generiše momenat sile Sila na provodnik generiše momenat sile

Momenat sile je vektorski proizvod vektora fluksa i vektora struje Momenat sile je vektorski proizvod vektora fluksa i vektora struje

Fluks već postoji (magnet) i normalan je na provodnike rotora

Moment: za konst. fluks će biti proporcionalan struji rotora

Znači strujom pravimo moment ! A kako uspostaviti struju rotora:

Nametnuti rotoru napon i čekati da se uspostavi struja

Nametnuti rotoru struju


-PWM


Regulaciona struktura momenta se koristi -Kao glavna u pogonima regulisanim po momentu -Kao podređena u pogonima regulisanim po brzini i položaju

- Da bi se ostvarilo upravljanje momentom neophodni su adekvatni pretvarač i upravljanje za dati motor

- Najprostije je upravljati momentom MJS jer je moment proporcionalan struji ! m=k iref

5.1 Pogon regulisan po momentu

mref

m=mref


--PWM

Petlja momentaPetlja brzine


5.2 Pogon regulisan po brzini

wrefmref

w=wref

- Pogon regulisan po brzini ima zadatak da ostvari zadati referentu brzinu

- Da bi to ostvari dodaje se regulator brzine koji na osnovu razlike referentne i merene brzine zadaje potrebni moment

- Na osnovu Newton-ove jednačine kretanja je jasno da se samo upravljanjem momentom može izregulisati brzina


---PWM

Petlja momentaPetlja brzinePetlja pozicije

dtwq


5.3 Pogon regulisan po položaju

- Pogon regulisan po položaju ima zadatak da rotor dovede u željeni (referentni) položaj

- Da bi to ostvario dodaje se regulator položaja koji na osnovu razlike referentne i merene brzine zadaje potrebnu brzinu,

Pošto je položaj integral brzine jasno je da se u novi položaj može doći upravljanjem brzinom motora

U ovom pogonu sve reg. petlje moraju da rade. Poziciona menja ref. Brzinu, ona se ostvaruje akcijom reg. brzine koji menja ref. moment. Taj moment se mora ostvari.

wref mrefqref

q=qref



Blok šema pogona regulisanog po brzini

Blok šema pogona regulisanog po položaju


5. Kaskadna regulacija u REMP

Regulaciona struktura kaskadnog tipa je pogodna za primenu u REMP.Ona se zasniva na kaskadnom nizu regulacionih petlji u kojima seregulišu sve dostupne (merljive) promenljive stanja motora. Kaskadnastruktura REMP-a tipično koristi tri regulacione petlje: petlju položaja(upravlja brzinom), petlju brzine (upravlja momentom) i petljumomenta/struje koja upravlja naponom na motoru).U bilo kojoj varijanti, na kraju moramo da menjamo napon na motoru.

6. Motor kao objekat upravljanja


6. El. motor kao objekat upravljanja

Nadamo se da u ovom trenutku znate konstrukciju motora, princip rada …Ali, za REMP nam je najvažnije da razumemo kako upravljatimotorom tako da od njega dobijemo ono što nam treba, potrebanmoment na vratilu, željena brzinu ili položaj vratila.

Ukratko, motoru nametnemo neki napon, na osnovu tog naponapojavi se struja motora, na osnovu te struje motor generiše nekimoment, na osnovu koga se razvija brzina i menja položaj vratila.

Za dublje razumevanje rada motora mora se znati šta je unutra,koje jednačine opisuju procese, konačno koji je model motora?- Modelu motora napon je ulaz.- Struja motora se tretira kao izlaz modela, nju model računa.- Logično, izlazi modela su i ostvarena brzina i položaj.

Trebaju nam jednačine koje opisuju procese u motoru !!!

motorumel

wr

qel

i

mopt

motoru mel

wr

qel

i

mopt



Svaki električni motor ima dva jasno razdvojena podsistema:Električni podsistem obuhvata izvor električne energije i

proces generisanja elektromagnetnog momenta �� u motoru, sa ciljemelektromehaničkog pretvaranja (konverzije) energije iz električnog umehanički oblik, ili obrnuto, posredstvom elektromagnetnog polja.

Mehanički podsistem obuhvata mehaničke procese u kojimase suprotstavljaju generisani moment motora, i moment potrebanopterećenju ��, čiji odnos definiše procese uspostavljanja i promenebrzine i položaja vratila.



Električni podsistemEkvivalentni namotaj motora se napaja naponom �(�) iz pogonskogpretvarača, i u njemu se uspostavlja struja �(�) sa dinamikom opisanomjednačinom naponske ravnoteže

gde su �(�),�(�) i �(�) trenutne vrednosti napona, struje i fluksnogobuhvata namotaja.Indukovana elektromotorna sila je uvek proporcionalna brzini iamplitudi fluksa,

Električni podsistem motora može se posmatrati kao redno kolootpornika, induktivnosti i elektromotorne sile (redno RLE kolo).

yR

Lu

i R L

u

i

+

e



Električni podsistem

Analiza kola u s-domenu

Gde god vidiš d/dt,ti operator s posadi !

Model električnog dela(sistem prvog reda)

R Li

+

e



Mehanički podsistem REMPje identičan za sve vrste pogona i opisuje se Njutnovom jednačinom

Prelazak u s –domen:

Model mehaničkog dela(sistem prvog reda)

Opterećenja kaoporemećaj!

A položaj jeintegral brzine



Funkcije prenosa električnog i mehaničkog podsistema motora se udovoljno dobroj aproksimaciji mogu opisati kao kola prvog reda

Znači motor je sistem II reda sa dva spregnuta kola I reda !!!!!



Funkcije prenosa električnog i mehaničkog podsistema motora se udovoljno dobroj aproksimaciji mogu opisati kao kola prvog reda

Električni i mehanički podsistemi motora su spregnuti na dvanačina

1. Moment koji je ulaz mehaničkog podsistema zavisi od strujekoja je izlaz električnog

2. Elektromotorna sila kao poremećaj u električnom podsistemuzavisi od brzine koja je izlaz mehaničkog dela

7. Linearni regulatori u REMP


7.1. Sistem automatskog upravljanja

Nadamo se da u ovom trenutku poznajete SAU, ali evo kratkoponavljanje o SAU, regulatorima …



Funkcija povratnog (tzv. otvorenog) prenosa kojom se greškavodi na izlaz glasi

Funkcija spregnutog prenosa koja daje vezu izlaza i reference u sistemu sa negativnom jediničnom povratnom vezom glasi



Za izlazni signal y(s) i signal greške e(s) se dobija

Osnovni zahtev SAU u stacionarnim režimima jeste nulta greškastacionarnog stanja,

i to će nama biti osnovni kriterijum za izbor tipa linearnog regulatora (ali nije i jedini).


7.2. Odabir tipa regulatora – P tip

Ako se za regulaciju struje i brzine , čiji se objekti opisuju sa

koristi regulator P tipa, tipa, sa upravljačkim signalom koji je proporcionalan signalu greške �(�) = �� *�(�), i funkcijom prenosa Kp

Veza između izlaza i referentog ulaza glasi

Izlaz će biti jednak referenci samo za Kp beskonačno.


7.3. Odabir tipa regulatora – I tip


koristi regulator I tipa, tipa. Kod ovog tipa regulatora upravljačkisignal se formira kao integralna suma signala greške a funkcija prenosa je 1/sTi gde je reakcije integralnog dejstva ��.

Veza između izlaza i referentog ulaza glasi

Pa je izlaz jednak referenci, čak i pri poremećaju

Ali, odziv sistema je oscilatoran !!!!


7.4. Odabir tipa regulatora – PI tip


koristi regulator PI tipa

Sa proporcionalno integralnom akcijama

I funkcijom prenosa


7.4. Odabir tipa regulatora – PI tip

Funkcija spregnutog prenosa sistema tipa filtra prvog reda sa PI regulatorom i njen moduo u stacionarnom stanju iznose, respektivno:

Greške nema, izlaz će u stacionarnom stanju biti jednak referenci, a pravilnim izborom Kp i Ki mogu da se eliminišu oscilacije !!!


7.5. Modifikavani PI regulator za REMP

Prvi problem PI regulatora je pojava preskoka za Kp u direktnoj grani

Drugi problem je namotavanjesume integratora kada je izlaz u limitu.

8. Primeri sinteze parametara linearnih regulatora pogodnih za REMP


Cilj je da se dobije željeni odziv, y(t), kako u stacionarnom stanju, tako i u prelaznom režimu

U stac. stanju želimo izlaz jednak ref.

8.1. Šta je cilj sinteze parametara PI reg.

0 0.05 0.1 0.15 0.20

0.5

Ulaz (REF)

1.5

vreme [s]

2.0

s1

A šta želimo u prelaznom režimu:Ulaz je odskočna referenca, treba da se ostvari na izlazu, šta želimo:

- Striktno aperiodičan odziv, bez imalo prebačaja

- što brži odziv sa malim prebačajem ?

- Još brži sa većim prebačajem?

Kada mora kompromis kada ne mora ?

presporo

sporo

idealno

prihvatljivo

Neprihvatljivo (nestabilno)


Ako je sistem prvog reda, sinteza parametara je relativno prosta. Jedan način za sintezu parametara PI regulatora koji reguliše izlaz sistemaprvog reda je kompenzacija dominantne vremenske konstante

Funkcija otvorenog prenosa

Postupkom kompenzacije se eliminiše pol tako što se vreme reakcijePI reg. izjednači sa vremenskom konstantom sistema prvog reda �1,

pa funkcija otvorenog prenosa postaje

8.2. Podešavanje PI reg. za sistem I reda



A kakav je novi odnos izlaz/referenca, tj. funkcija spregnutog prenosa

ha, vidi zareze, greška u knjizi

Ima novi pol koji se može podesiti sa pojačanjem PI regulatora Kp.Ako se želi propusni opseg wgr, tj. da važi,

Željeni propusni opseg wgr će se dobiti za sledeće pojačanje Kp

Znači sa jednim parametrom PI regulatora poništimo stari pol, a sa drugim parametrom postavimo novi, obično brži pol!!!


Funkcija spregnutog prenosa novonastalog sistema i dalje ima jedan pol, bez obzira na pojačanje odziv je aperiodičan bez oscilacija: idealno!Step odzivi za različita pojačanja. Za odabrano veće pojačanje Kp, dobija se širi propusni opseg (veće wgr), pol bliži Im osi, i sistem je brži.



Sistem drugog reda ima dva pola, pa nije moguće sa dva parametera PI regulatora poništiti oba pola i trećim parametrom (koga nema) podesiti novi pol, pa time i novu dinamiku sistema.

U većini sistema drugog reda, jedan pol ima mnogo veću vremensku konstantu pa je samim tim dominantan (praktično, jedino dominantan pol usporava uspostavljanje izlaza).Kod motora, struja se mnogo brže uspostavlja od brzine. T1 za električni podistem 100 us – 1ms (zavisi od veličine motora)T2 za mehanički podistem 1 ms– 1 s (zavisi od veličine motora)

8.3. Podešavanje PI reg. za sistem II reda

Sistem je sada drugog reda, sa dva prirodna pola


Sistem drugog reda ima dva pola, pa nije moguće sa dva parametera PI regulatora poništiti oba pola i trećim parametrom (koga nema) podesiti novi pol, pa time i novu dinamiku sistema.


Sa jednim PI regulatorom u ovom sistemu ne možemo dobiti aperiodičanodziv bilo kog propusnog opsega. Zato, za podešavanje PI regulatora neophodan je kompromis. Jedan od načina je opet kompenzacija, sada veće dominante vremenske konstante

A pojačanje PI regulatora se bira kao kompromis, da bude dovoljno veliko da sistem dovoljno brzo reaguje, a dovoljno malo da ne zaosciluje…



Ako je vremenom reakcije Ti poništen T2, funkcija spregnutog prenosa je

Dakle, zatvaranjem povrtane spreze se dobija sistem II reda, čija karakter.jednačina, pa i položaj polova, zavise od izabranog pojačanja ��



Za kvantitativnu predstavu uticaja položaja polova na odziv, u SAU se funkcija spregnutog prenosa drugog reda posmatra u formi filtraniskopropusnika drugog reda

Polovi ovog sistema su

Ako polovi ostanu realni, odziv ostane aperiodičan, a važi

Pri uvećanju faktora prigušenja � polovi se još više razdvajaju. U graničnom slučaju, � =1, polovi su realni ali i jednaki, ali sa daljim povećanjem pojačanja će da napuste Re osu

Kada polovi napuste Re osu postaju konjugovano kompleksni, �<1,

Tada se javljaju oscilacije na prirodnoj učestnosti para polova wn



Ilustracija uticaja povećanja pojačanja Kp na odziv i položaj polova

9. Prednost kaskadne strukture u REMP


8. Prednosti kaskadne regulacije u REMP

Rezultat regulacije sistema I reda PI regulatorom je aperiodičanodziv i željena brzina odziva (propusni opseg)

Rezultat regulacije sistema II je kompromis, ne može uvek željena brzina odziva i aperiodični odziv



Motor je objekat II reda, onda ne može željena brzina i aperiodičan odziva?

Kada se elektromotorna sila tretira kao zavisna od brzine, za funkcijuotvorenog prenosa brzine od napona se dobija

Ako se to zanemari, jer je brzina sporopromenljiva, tada važi,



Razdvajanjem dinamika, u obe regulacione konture Pi regulator upravlja sistemom I reda. Svaki regulator poništi po jedan pol, a svako pojačanje podešava dinamiku svoje petlje. O ovome mnogo više u nastavku …

Rešenje pod b), kaskadna regulacija

10. Pretvarači energetske elektronike kojima se napajaju motori


Neophodnost primene pretvarača u REMP

U REMP se tipično koriste tri regulacione petlje: petlju položaja(upravlja brzinom), petlju brzine (upravlja momentom) i petljumomenta/struje koja upravlja naponom na motoru).U bilo kojoj varijanti, u REMP jedino možemo da menjamonapon na motoru. Promenom napona promenimo struju motora,na osnovu te struje motor generiše moment, a taj moment utičena promenu brzine ili položaja vratila.

um

Pretvarači energetske elektronike menjaju oblik izlaznog napona.

Ništa bez promenljivog napona !


Četiri tipa pretvarača: AC/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC

U REMP se koriste razne vrste pretvarača što zavisi od tipa napona izvora, tipa konvertora kao i od oblika napona koji treba motoru (DC ili AC)

Za motore jednosmerne struje koriste se tri kombinacije

Dodatno, topologija AC/DC konvertora zavisi od broja faza mreže

DC motor napajan promenjivim DC naponom iz regulisanog ispravljača a pogon energiju dobija iz AC mreže

DC motor napajan promenjivim DC naponom a pogon energiju dobija iz DC izvora (npr. akumulator)

DC motor napajan promenjivim DC naponom iz regulisanog DC/DC konvertora koji napaja neregulisani ispravljač. Pogon energiju dobija iz AC mreže


Za motore naizmenične struje najčešće se koriste dve kombinacije

Topologija DC/AC pretvarača zavisi od broja faza motora

AC motor napajan promenjivim AC naponom a pogon energiju dobija iz DC izvora (npr. akumulator)

AC motor napajan promenjivim AC naponom a pogon energiju dobija iz AC mreže

Četiri tipa pretvarača: AC/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC

11. Prekidački izvori jednosmernog napona – primer DC/DC pretvarača (čoperi)

- Prost pretvarač dat kao primer u ovoj prezentaciji


11.1 Jednokvadrantni čoper

-Samo jedan prekidački element

-Pretvarač je prost ali podržava samo jedan smer napona i struje

-samim tim i samo jedan kvadrant motorski režim i jedan smer brzine!

brzina

moment


11.2 Četvorokvadrantni čoper (H - bridge)

-Četiri prekidačka elementa

-Četiri kvadranta – motorski/gen. režim i dva smera!

brzina

moment


11.2. Četiri kvadranta u radu pogona

brzina

moment

w 0 pozitivan smer

M 0 pozitivan momentP 0 motorski režim

w 0 pozitivan smer

M 0 pozitivan momentP 0 generatorski režim

Predaje energiju vratilu i ubrzava ga u pozitivnom smeru

Uzima energiju sa vratilu i usporava ga

w 0 negativan smer

M 0 pozitivan momentP 0 generatorski režim

w 0 negativan smer

M 0 negativan momentP 0 motorski režim

Predaje energiju vratilu i ubrzava u negativnom smeru

Uzima energiju sa vratilu i usporava ga


][32423022 VVV nfDC

][5642302323 VVV nfDC Trofazni ispravljač

Monofazni ispravljač

Tipična topologija AC/DC konvertora

Ispravljač ispravlja AC i daje neregulisani DC napon Neregulisani DC napon se uvodi u čoper koji ga

reguliše i nameće motoru regulisani DC napon

Napon u međukolu (na kondenzatoru) se ne može regulisati i zavisi od napona mreže

Napon na motoru zavisi od 1. napona na kondenzatoru i 2. faktora ispune prekidačkog DC/DC konvertora

12. Impulsno upravljanje pretvaračima-Impulsno širinska modulacija-

Rešenje, PWM – Pulse Width Modulation

Kako praktično ostvariti uout = uREF


Zašto impulsno (prekidačko) upravljanje?

150V

300V

Kontinualni režim karakterišu veliki gubici na prekidačuPg=U*I (u datom primeru Us1=150V, za ia=10A ogromnih Pg=1500W)

Impulsni režim karakterišu najmanji mogući gubici Pg=U*I 0U stacionarnom stanju je uvek neko blizak nuli, ili napon ili struja Pg = 0 *I ili Pg = V *0

Princip rada prekidačkog DC/DC konvertora

300V

ua

ua

150V

Impulsno (prekidačko)

Kontinualno


Pretpostavka je da je potrošač RL tipa (a većina jeste) koji seponaša kao filtar sa vremenskom konstantomLa/Ra >> Tpwm

Tada i pored prekidačkog napona izlazna struja neće imati značajnu spektralnu komponentu na prekidačkoj učestanosti.

Što manje talasnosti struje manja i talasnost momenta!


Predata snaga je praktično Usr * Isr

Uvek ostane bar malo rippla


a - faktor ispune (0,1) a=0 u=0a=1 u=Udc


Talasni oblik napona na izlazu 1kv čoper

Srednja vrednost izlaznog napona 1kv čopera

Promenom faktora ispune možemo da menjamo srednju vrednost izlaznog napona!!!!

Tpwm-PWM periodaTon-vreme uključenjaToff-vreme isključenjaUout(t)-trenutna vrednost naponaUsr-srednja vrednost napona



Talasni oblik napona na izlazu 4kv čoper

Srednja vrednost izlaznog napona 4kv čopera

Oba znaka napona moguća kod 4kv čopera

Tpwm-PWM periodaTon-vreme uključenjaToff-vreme isključenjaUout(t)-trenutna vrednost naponaUsr-srednja vrednost napona

a - faktor ispune (0,1) a=0 u=-UDC

a=0.5 u=0a=1 u=+UDC

13. Kako se naponskimpretvaračem dobije željeni naponna izlazu a kako željena struja ?


13.1. Pretvarač kao naponski izvor

Pretvarači energetske elektronike vrše pretvaranje električne energijeiz jednog oblika u drugi. Krajnji cilj je da se dobiju izlazni napon i/ilistruja odgovarajućeg oblika i parametara.

Pretvarača neko mora da zada referentni napon Uizl=UREF

U praksi, pretvaraču se šalju komandni impulse za sve njegove

pretvarače kojima će on da ostvariti referentni napon


13.1. Pretvarač kao naponski izvor

Većina impulsnih pretvarača su naponski izvori

Trenutna vrednost njihovog izlaznog napona je ili Vdc ili 0

Struja se ne kontroliše, ona zavisi od potrošača, i savremenskom konstantom L/R teži vrednosti Vdc/R ili 0

Srednja vrednost izlaznog napona se može kontrolisatipromenom faktora ispune

Reguliše se SREDNJA vrednost napona na izlazu u jednoj PWMperiodi

Ako je na ulazu napon Uin , a željeni napona Uref, da biUout=Uref za faktor ispune se dobija m

faktor_ispune = Uref/Uin

Voltage Source - VS

300V

100V

a=1/3 100V (srednje)


Po potrebi, na izlazu pretvarača je moguće regulisati struju, a ne napon. Koja je to potreba, pa , sve veća:1. U REMP treba struja, a ne napon 2. Za LED treba struja, ne napon3. Svi pretvarači u mrežu utiskuju struju, a ne napon

Pošto su strujni izvori nepraktični, željena izlazna struja se takođeostvaruje naponskim izvorom, ali strujno regulisanim. Strujno regulisannaponski izvor zadaje napon koji je potreban da se ukine greškaizmeđu zadate i merene izlazne struje.

Uizl=UREF Iizl=IREF

13.2 Pretvarač kao strujni izvor


13.2. Strujno regulisani naponski izvor

Na izlazu naponskog pretvarača je moguće regulisati struju.

Potreba za tim je velika , kao prvi primer moment JMS jeproporcionalan struji armature, a ne naponu

Pošto su strujni izvori nepraktični, željena izlazna struja setakođe ostvaruje naponskim izvorom, ali strujno regulisanim

Na izlazu se meri struja i poredi sa referentnom.

Razlika se uvodi u regulator struje

Regulator struje menja referentni napon tako da se izlaznastruja izjednači sa željenom

Ref. napon se dobija na isti način kao i kod naponskog izvora

Current Regulated Voltage Source - CRVS


Razlike između izvora napona i struje

1. Brža dinamika CRVS

- struja VS se sporo uspostavlja, zavisi od L/R

- Regulator CRVS poništi taj pol i ubrza sistem

2. Greška stac. Stanja

- Struja VS se menja sa promenom R

- Struja VS se kod REMP menja i sa promenom EMS

Ako je cilj I =Iref, CRVS je jedino rešenje

Documents

Osnovne komponente REMP i principi rada