Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów ElektrycznychNr 64 Politechniki Wrocławskiej Nr 64

Studia i Materiały Nr 30 2010

Silnik indukcyjny, sterowanie wektorowe, DFOC, DTC, DSC, DTC SVM, napęd trakcyjny

Mateusz DYBKOWSKI*, Teresa ORŁOWSKA-KOWALSKA*, Marian P. KAŹMIERKOWSKI**, Dariusz STANDO1*

STEROWANIE UKŁADU NAPĘDOWEGO Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM W ZASTOSOWANIACH TRAKCYJNYCH

W niniejszej pracy przedstawiono przegląd metod wektorowego sterowania momentem i prędkością kątową silnika indukcyjnego. Zwrócono szczególną uwagę na właściwości dynamiczne omawianych struktur sterowania oraz możliwości ich wykorzystania w napędach elektrycznych pojazdów trakcyjnych. Ze względu na fakt, że napędy takie coraz częściej pracują bez czujników prędkości, dokonano analizy możliwości pracy każdej ze struktur w układzie bezczujnikowym. Ponadto przedstawiono wyniki badań symulacyjnych wybranych struktur sterowania.

1. WSTĘP

Rozwój techniki mikroprocesorowej i energoelektroniki spowodował w ostatniej dekadzie intensywny rozwój układów napędowych z silnikami indukcyjnymi (SI). Coraz częściej znajdują one zastosowanie w tych gałęziach przemysłu, w których dominowały do niedawna silniki prądu stałego [1]. Dotyczy to w szczególności napędów pojazdów trakcyjnych [2], w których silniki te, dzięki swojej prostej konstrukcji i bardzo dużej niezawodności są obecnie chętnie stosowane. W celu osiągnięcia przez układy napędowe z silnikami indukcyjnymi takich samych właściwości dynamicznych jak w układach napędowych z silnikami prądu stałego, konieczne jest zastosowanie odpowiednich metod sterowania wektorowego [1]–[5].

W zależności od typu aplikacji, możliwe jest wykorzystanie różnych metod sterowania wektorowego: metody pośredniego sterowania * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul

Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław, mateusz.dybkowski@pwr.wroc.pl, teresa.orlowska-kowalska@pwr.wroc.pl.

1 * Politechnika Warszawska, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, ul Koszykowa 75, 00-662 Warszawa, mpk@isep.pw.edu.pl.

*

wektorowego (ang. Indirect Flux Control – IFOC), metody bezpośredniego sterowania polowo zorientowanego (ang. Direct Flux Control – DFOC) [4], [5], metody DSC (ang. Direct Self Control) [7], oraz różnych modyfikacji metod bezpośredniego sterowania momentem (ang. Direct Torque Control – DTC) [6]. Wszystkie te sposoby sterowania SI charakteryzują się określonymi cechami, które wyróżniają je spośród innych metod i pozwalają na zastosowanie w konkretnych rozwiązaniach przemysłowych, również w trakcji. Bardzo istotny jest prawidłowy wybór metody sterowania, łączącej w sobie wymagane właściwości regulacyjne, dynamiczne oraz prostotę realizacji cyfrowej przy wykorzystaniu procesora sygnałowego.

W artykule przedstawiono analizę możliwości wykorzystania różnych struktur wektorowego sterowania silnikami indukcyjnymi w napędach trakcyjnych, ze szczególnym uwzględnieniem realizacji bezczujnikowych [3].

2. PRZEGLĄD STRUKTUR WEKTOROWEGO STEROWANIA SILNIKAMI INDUKCYJNYMI

Już na początku lat 70 ubiegłego wieku opracowano teoretyczne podstawy regulacji wektorowej silników indukcyjnych [4], [5], jednakże dopiero koniec dwudziestego wieku wraz z rozwojem układów mikroprocesorowych pozwolił na ich pełną weryfikację.

Podstawy metody pośredniego sterowania polowo zorientowanego IFOC opracował K. Hasse w 1972 roku [4]. Metoda ta charakteryzuje się pośrednim sposobem wyznaczania informacji o aktualnym położeniu wektora przestrzennego strumienia wirnika, na podstawie zmierzonej wartości prędkości kątowej i obliczonej wartości pulsacji poślizgu wirnika. Dokładność wyznaczenia tej pulsacji istotnie zależy od zmian stałej czasowej uzwojenia wirnika, co powoduje pogorszenie właściwości dynamicznych układu w przypadku częstych zmian prędkości napędu jak również w zakresie małych wartości prędkości zadanej napędu.

Tak więc, pomimo stosunkowo prostej realizacji oraz braku estymatora strumienia wirnika [1], struktura ta nie znajduje obecnie szerokiego zastosowania w przemysłowych układach napędowych o dużych wymaganiach dynamicznych.

Alternatywą dla tej metody jest układ bezpośredniego sterowania polowo zorientowanego DFOC, zaproponowany po raz pierwszy przez F. Blaschke w 1972 roku [5]. W odróżnieniu od poprzedniej metody, w układzie tym konieczne jest posiadanie informacji o aktualnej wartości strumienia wirnika. Informacja ta może być uzyskiwana za pomocą różnego rodzaju estymatorów, wykorzystujących właściwości fizykalne maszyn elektrycznych lub opartych na metodach algorytmicznych, takich jak: symulatory, obserwatory zmiennych stanu i filtry

2

Kalmana [1]-[3]. Podstawową zaletą tej struktury sterowania są bardzo dobre właściwości dynamiczne. Metoda ta umożliwia stabilną pracę napędu zarówno w zakresie bardzo małych wartości prędkości kątowych jak i dla prędkości większych od wartości znamionowej. Pewną wadą tej metody jest stosunkowo skomplikowana struktura sterowania (konieczność transformacji układów współrzędnych, realizacja estymatora strumienia wirnika) oraz zależność od parametrów silnika indukcyjnego, co czyni ją wrażliwą na zmiany parametrów maszyny. Struktura ta daje jednak szerokie możliwości zastosowania jej w napędach bezczujnikowych, gdyż informacja o wartości i położeniu wektora strumienia wirnika może być również wykorzystana do estymacji prędkości kątowej wirnika. Do dnia dzisiejszego jest ona powszechnie rozwijana i często wykorzystywana w różnych aplikacjach przemysłowych.

Schemat ideowy układu IFOC i DFOC w wersji z czujnikiem prędkości kątowej wirnika przedstawiono odpowiednio na rys. 1 i rys. 2.

Rys. 1. Schemat struktury pośredniego sterowania polowo zorientowanego napędem indukcyjnym

3

(IFOC) Fig.1. Scheme of the indirect field oriented control structure of the induction motor drive (IFOC)

Rys. 2. Schemat struktury bezpośredniego sterowania polowo zorientowanego napędem indukcyjnym (DFOC)

Fig.2. Scheme of the direct field oriented control structure of the induction motor drive (DFOC)

Innym podejściem do sterowania silnikami indukcyjnymi jest metoda DTC zaproponowana po raz pierwszy przez I. Takahashi [6]. Opiera się ona na bezpośrednim powiązaniu momentu elektromagnetycznego i strumienia stojana SI z napięciem stojana generowanym przez przemiennik częstotliwości z falownikiem napięcia MSI. Dzięki temu możliwe jest bezpośrednie, bardzo szybkie sterowanie momentem elektromagnetycznym maszyny. Schemat podstawowej struktury DTC przedstawiono na rys. 3. Szczegółowy opis tej metody sterowania można znaleźć w wielu dostępnych pozycjach książkowych, m.in. w [1], [2], [9].

Dzięki bardzo prostej konstrukcji, niewielkim wymaganiom sprzętowym struktura DTC znalazła istotne miejsce w przemysłowych układach napędowych z silnikami

4

indukcyjnymi. Możliwość bardzo szybkiego sterowanie momentem elektromagnetycznym spowodowała, że przez długi czas metoda ta pod względem właściwości dynamicznych była praktycznie bezkonkurencyjna.

Rys. 3. Schemat struktury bezpośredniego sterowania momentem DTCFig.3. Direct torque control scheme (DTC)

Niestety podstawowa struktura, mimo swojej stosunkowo prostej konstrukcji, posiada wadę, jaką jest zmienna częstotliwość łączeń tranzystorów falownika napięcia i w związku z tym straty w układzie zależne są od specyfiki pracy napędu (zakres regulacji, zmienność obciążenia, rodzaj pracy). Spowodowało to, że w ostatnim dziesięcioleciu poszukiwano takiej metody, która zachowując wszystkie pozytywne cechy DTC, będzie pozbawiona tej wady.

Dedykowana dla napędów dużych mocy metoda DSC zaproponowana przez M. Depenbrocka [7] wykorzystuje ideę sterowania momentem elektromagnetycznym poprzez bezpośrednie sterowanie napięciem stojana. Schemat tej struktury przedstawiono na rys. 4.

Pomimo bardzo dobrych właściwości dynamicznych układu napędowego sterowanego metodą DSC, nie nadaje się ona do stosowania w napędach bezczujnikowych. Niska częstotliwość łączeń zaworów falownika powoduje bardzo duże

5

odkształcenia prądu stojana, które z kolei są powodem błędnej lub nawet niestabilnej estymacji prędkości kątowej w zakresie bardzo małych i dużych prędkości kątowych. Podobne zjawisko występuje w klasycznych układach DTC.

Rys. 4. Schemat struktury DSCFig. 4. DSC scheme

Bardzo dobre właściwości dynamiczne oraz stała częstotliwość łączeń falownika i niewielkie zniekształcenia prądu stojana są możliwe do uzyskania przy wykorzystaniu zmodyfikowanych algorytmów bezpośredniego sterowania momentem z modulacją wektorową - w tzw. metodach DTC–SVM (ang. Direct Torque Control – Space Vector Modulation) [8]. Schemat jednej z takich metod przedstawiono na rys. 5.

Wraz z rozwojem metod sterowania opartych o koncepcję DTC układy te stają się coraz bardziej złożone i zależne od parametrów schematu zastępczego silnika indukcyjnego. Można powiedzieć, że najnowsze metody sterowania DTC–SVM coraz bardziej przypominają klasyczną metodę DFOC. Do ich prawidłowego działania niezbędna staje się transformacja układu współrzędnych, bloki estymacji strumienia wirnika i/lub stojana, a ich wewnętrzna struktura często wykorzystuje model matematyczny maszyny do wyliczania odpowiednich wielkości amplitudy lub kąta położenia wektora strumienia. Metoda ta z powodzeniem może być wykorzystywana w

6

złożonych bezczujnikowych aplikacjach przemysłowych – przede wszystkim w napędach wymagających szybkich zmian momentu elektromagnetycznego.

Rys. 5. Schemat struktury DTC–SVMFig. 5. Scheme of the DTC–SVM structure

Na podstawie analizy literatury oraz własnych doświadczeń autorów przeprowadzono analizę opisanych metod sterowania momentem i prędkością silnika indukcyjnego oraz możliwości realizacji tego sterowania bez czujnika prędkości kątowej wirnika. Wyniki tej analizy zebrano w Tabeli 1.

Na podstawie przeprowadzonej analizy (Tabela 1) można jednoznacznie stwierdzić, że metody DTC –SVM i DFOC najlepiej nadają się do stosowania w strukturach bezczujnikowego [1], [3], [9] sterowania silnikiem indukcyjnym. Obie, pomimo skomplikowanej struktury i dość wysokich wymagań sprzętowych charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami dynamicznymi, niskimi stratami łączeniowymi, mogą być z powodzeniem stosowane w różnego rodzaju układach napędowych.

Niezależnie od tego, która z metod sterowania zostanie wykorzystana w trakcyjnych układach napędowych nie powinna ona wpływać w sposób znaczący na działanie algorytmu estymacji prędkości kątowej. Zmiana struktury sterowania skutkuje zmianą rzędu obiektu, wobec czego konieczne jest ponowne strojenie

7

wybranego układu odtwarzającego prędkość i/lub strumień wirnika.

Tabela 1. Porównanie metod sterowania wektorowego silnikiem indukcyjnymTable 1. Comparative analysis of the vector control methods for the induction motor

IFOC DFOC DTC DSC DTC–SVM

Właściwości dynamiczne Słabe Dobre Bardzo

dobreBardzo dobre

Bardzo dobre

Właściwości statyczne Dobre Bardzo

dobre Dobre Przeciętne Dobre

Stratyłączeniowe Małe Małe Duże Duże Małe

THD Małe Małe Duże Bardzo duże Małe

Złożoność obliczeniowa Przeciętna Duża Mała Mała Duża

Zależność od parametrów SI

Bardzo duża

Bardzo duża Mała Mała Bardzo

duża

Właściwości przy niskich prędkościach

Słabe Bardzo dobre Przeciętne Słabe Dobre

Właściwości przy wysokich prędkościach

Dobre Bardzo dobre Dobre Dobre Bardzo

dobre

Modulator Występuje Występuje Brak Brak Wys-tępuje

Uniwersalność Mała Duża Duża Mała Duża

Stopień trudności

w dostrojeniuŚredni Średni Prosty Bardzo

prosty Średni

Jakość pracy w trybie

bezczujnikowymSłaba Bardzo

dobra Przeciętna Słaba Bardzo dobra

W związku z tym, że od trakcyjnych układów napędowych wymaga się bardzo dobrych właściwości dynamicznych oraz prostoty realizacji, wydaje się, że idealnym

8

rozwiązaniem w tym przypadku jest struktura DFOC (rys. 2) lub DTC–SVM przedstawiona na rys. 6. Ten ostatni układ może być z powodzeniem wykorzystywany w strukturze regulacji momentu (rys. 6) – jak ma to miejsce w napędach pojazdów trakcyjnych, lub w strukturze z dodatkowym sprzężeniem zwrotnym od prędkości kątowej.

Rys. 6. Schemat struktury DTC – SVM przyjętej do realizacji napędu trakcyjnegoFig. 6. Scheme of the DTC – SVM structure used in the traction drive system

Niezależnie od tego, w jakiej strukturze pracuje napęd trakcyjny, konieczna jest informacja o aktualnej wartości prędkości kątowej (kontrola ruchu, diagnostyka, bezpieczeństwo). Przedstawiona metoda sterowania doskonale nadaje się do zastosowania w realizacji bezczujnikowej.

3. ANALIZA PRACY NAPĘDU STEROWANEGO METODĄ DFOC I DTC–SVM

W niniejszej części pracy przedstawiono wybrane wyniki badań symulacyjnych układów napędowych sterowanych metodami DFOC i DTC–SVM. W związku z tym, że w napędach trakcyjnych niezbędna jest informacja o aktualnej wartości prędkości kątowej, sprawdzono jakość odtwarzania prędkości kątowej przy wykorzystaniu obserwatora ślizgoweg SMO (ang. Sliding Mode Observer) [10]. Na rys. 7 przedstawiono przebiegi prędkości mierzonej i estymowanej w obu strukturach sterowania.

Na podstawie analizy przebiegów na rys. 7 wynika, że niezależnie od tego czy układ estymacji pracuje w strukturze sterowania z

9

regulacją prędkości kątowej (rys. 7a), czy też w strukturze regulacji momentu (rys. 7b) – estymator działa w sposób prawidłowy i prędkość estymowana praktycznie idealnie pokrywa się z wartością mierzoną prędkości silnika indukcyjnego.

Na kolejnych rysunkach przedstawiono wybrane przebiegi uzyskane w układzie napędowym sterowanym metodą DTC–SVM z silnikiem indukcyjnym dużej mocy (silnik trakcyjny STDA 200LU, o parametrach podanych na końcu artykułu), również w zakresie osłabiania pola. a) b)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35-0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

t [s]

, m

[p.u

.]

memr

m

e

Rys. 7. Estymacja prędkości w strukturze DFOC (a) oraz DTC–SVM (b) i obserwatorem ślizgowymFig. 7. Speed estimation in DFOC (a) and DTC–SVM structures (b) using Sliding Mode Observer

10

Rys. 8. Odpowiedź układu DTC–SVM przy skokowej zmianie momentu Fig. 8. Torque step response of the DTC–SVM structure

Widać, że możliwe jest bardzo szybkie sterowanie momentem elektromagnetycznym silnika indukcyjnego (rys. 8). Układ dokładnie śledzi wartość momentu zadanego (na poziomie wartości znamionowej). Prędkość kątowa narasta aż do zmiany kierunku momentu zadanego. Strumień stojana utrzymywany jest na stałej wartości, a prąd stojana osiąga wartości znamionowe. Podczas przejścia prędkości przez zero widoczna jest zmiana biegunowości prądu i strumienia oraz niewielkie oscylacje momentu estymowanego.

Napęd działa w sposób prawidłowy także przy prędkościach większych od wartości znamionowej, co przedstawiono na rys. 9. Widać, że po przejściu prędkości ponad wartość znamionową następuje osłabianie pola, co skutkuje zmniejszeniem wartości momentu zadanego, zgodnie z algorytmem sterowania napędu.

11

Rys. 9. Odpowiedź układu DTC–SVM przy skokowej zmianie momentu podczas osłabiania polaFig. 9. Torque step response of the DTC–SVM structure during field weakening region

4. PODSUMOWANIE

Celem niniejszej pracy było wykazanie, że zarówno metoda DFOC jak i DTC–SVM nadaje się do zastosowań w złożonych układach trakcyjnych. Dobre właściwości regulacyjne i stosunkowo prosta budowa struktury DTC–SVM sprawia, że jest ona idealnym rozwiązaniem także do napędów trakcyjnych, w których prędkość kątowa jest estymowana. Wykazano, że niezależnie od tego, w jakiej strukturze pracuje napęd, możliwa jest skuteczna i stabilna estymacja prędkości także w zakresie bardzo niskich wartości prędkości kątowych.

LITERATURA

[1] KAZMIERKOWSKI M. P., BLAABJERG F., KRISHNAN R., Control in Power Electronic – Se-lected Problems, Academic Press, USA, 2002

[2] ORŁOWSKA-KOWALSKA T., Bezczujnikowe układy napędowe z silnikami indukcyjnymi, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2003

[3] DYBKOWSKI M., Analiza układu wektorowego sterowania silnikiem indukcyjnym z adaptacyjnymi estymatorami prędkości kątowej, Rozprawa doktorska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2008

[4] HASSE K., Dreizahlgelverfahren für schnelle Umkehrantriebe mit stromrichtergespeistem Ansynchron-Kurzchlusslaufer-motoren, Reglungstechnik, No. 20, 1972, pp. 60-66

12

[5] BLASCHKE F., The principle of field orientation as applied to the new TRANSVECTOR closed-loop control system for rotating field machines, Siemens Review, No. 34, 1972, pp. 217-220

[6] TAKAHASHI I., NOGUCHI T., A new quick response and high efficiency control strategy of an induction motor, IEEE Trans. Industry Applications, vol. IA-22, no. 5, Sep/Oct 1986, s. 820-827.

[7] DEPENBROCK M., Direct Self Control (DSC) of inverter Fed Induction Machine, IEEE Trans. Power Electronics, vol. 3, No. 4, 1988, pp. 420-429

[8] WÓJCIK P., Direct Torque and Flux Control of Inverter-Fed Induction Motor Drive Including Field Weakening Region, Rozprawa doktorska, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Politechnika Warszawska, Warszawa 2009

[9] VAS P., Sensorless vector and direct torque control, Oxford University Press, New York, 1998[10] UTKIN V., Sliding Mode Observers for Electric Machines – An Overview, 28th IECON Annual

Conf. of the Industrial Electronics Society, vol.3, no.2, November 2002, pp. 1842-1847

Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2009-2011 jako projekt rozwojowy N R01 0001 06/2009

PARAMETRY SILNIKA INDUKCYJNEGO

Typ: STDA 200LU PN = 50kW; IN = 88A; fN = 65Hz; nmN = 1917obr/min; MeN = 249Nm; MeK = 390Nm; UN = 380V; pb = 2, J = 5kgm2 RS = 64,5mΩ; RR = 46,3mΩ; LS = 25,217mH; LR = 25,137mH; LM = 24,75mH

INDUCTION MOTOR DRIVE CONTROL IN THE TRACTION APPLICATIONS

In the paper the comparative analysis of the vector control methods of the induction motor drive system are presented. Dynamical properties and possibility of the stable speed-sensorless work in the traction drive system are investigated and compared. Direct Field Oriented Control and Direct Torque Control – Space Vector Modulation methods were tested in simulations for different conditions, in -cluding speed-sensorless operation.

13