Sisteme de actionare electrica cu control vectorial pentru motoarele de inductie - schema placii de achizitie

Introducere

Lucrarea are ca scop adoptarea unei solutii privind implementarea controlului vectorial direct in cuplu si flux a masinii de inductie cu rotorul in colivie pentru sistemele de actionare electrica a mecanismelor navale. Prin aceasta se doreste inlocuirea variantei tehnice actuale, la care pentru actionarea instalatiilor de incarcare se utilizeaza motoarele asincrone cu rotor in scurtcircuit cu trei trepte de viteza, obtinute cu ajutorul a trei infasurari statorice distincte in conexiunea stea. Principalele dezavantaje ale actuale variante sunt: gabarit mare si constructie complicata a masinii de actionare, modificarea vitezei se poate realiza numai in trepte.

in vederea eliminarii acestor dezavantaje se propune o solutie tehnica care pastreaza masina de inductie ca element de executie, dar la care controlul miscarii, care presupune controlul vitezei si/sau controlul pozitiei respectiv controlul cuplului, se face prin control vectorial direct in cuplu si flux. Principalele avantaje care se obtin sunt:

un raspuns rapid in cuplu si o functionare intr-o plaja larga de viteze;

controlul vectorial este robust si relativ simplu de implementat;

nu se necesita regulatoare de curent si transformari de coordonate;

nu se necesita circuit de decuplare a ecuatiilor de tensiune statorica si nici modulator vectorial separat pentru comanda invertorului PWM;

se asigura o rejectare eficienta a perturbatii lor;

se pliaza foarte bine pe controlul numeric;

se poate utiliza un motor asincron cu rotorul in scurtcircuit normal, cu o singura infasurare pe stator, modificarea vitezei realizandu-se prin control vectorial;

se elimina tabloul de comanda in componenta caruia intra contactoarele de sens, accelerare, franare si releele de timp.

Prezentarea solutiilor tehnice actuale

Mecanismele de incarcare-descarcare se caracterizeaza prin existenta unui numar mare de regimuri de lucru si functioneaza cu sarcini si viteze care se repeta ciclic. Durata unui ciclu consta din perioadele in care mecanismul functioneaza si din pauze. Durata pauzelor depinde de rapiditatea prinderii si desprinderii incarcaturii si variaza in limite foarte largi. Gama de viteze a acestor mecanisme trebuie sa fie foarte mare intrucat, pe de o parte, vitezele mari scurteaza durata ciclului iar vitezele mici permit asezarea fara socuri a incarcaturii.

Pe baza datelor referitoare la regimurile de functionare ale mecanismelor de incarcare-descarcare se pot determina caracteristicile optime de viteza si parametrii regimurilor carora trebuie sa le corespunda actionarea electrica.

Instalatia de incarcare, plasata in prova navei, consta din urmatoarele elemente principale: bigiile, coloana, gurile de magazie, parama si carligul de sarcina, vinciurile de incarcare si macaralele.

Mecanismelor navale moderne, destinate pentru operatiunile de incarcare-descarcare, li se cere sa asigure: productivitate mare, economicitate, greutate si gabarite mici, simplitatea montarii.

In prezent, sistemele de actionari electrice pentru instalatiile de incarcare se realizeaza atat cu masini de curent continuu cat si cu masini de curent alternativ.

Actionarea cu masina de curent continuu cu excitatie in derivatie sau separata se utilizeaza mult in practica datorita posibilitatilor sale bune de modificare si reglare a vitezei, de pornire, reversare si franare electrica economica si conducere automata. Cu toate avantajele certe pe care aceste tipuri de motoare le prezinta, folosirea lor in sistemele de actionari este intrucatva limitata de unele neajunsuri. Astfel la motoarele de curent continuu puterea este transmisa rotorului prin contacte alunecatoare de tip perii colector, ceea ce limiteaza (superior) puterea lor nominala la valori mai reduse. Tensiunea nominala si prin aceasta si turatia, este limitata de catre tensiunea maxima admisa intre doua lamele de colector care nu poate depasi [V] (din considerente de comutatie). Prezenta colectorului conduce totodata si la marirea pretului de cost al motorului, micsorand fiabilitatea acestuia in comparatie cu motoarele asincrone cu rotorul in scurtcircuit. De asemenea, datorita existentei contactului mobil perii colector, are loc o uzura in timp atat a colectorului cat si a periilor.

Motoarele asincrone au cunoscut o raspandire rapida in actionarile electrice pentru instalatiile navale de ridicat, motivele fiind urmatoarele:

a. distributia energiei electrice pe navele moderne se face in sistem alternativ
trifazat, acesta fiind cel mai economic sistem;

b. motoarele asincrone, in special cele cu rotorul in scurtcircuit, sunt caracterizate
printr-o constructie simpla si robusta, fiind recunoscute, ca fiind cele mai fiabile motoare
electrice.

Comparativ cu motoarele de curent continuu, motoarele asincrone in colivie prezinta numeroase avantaje care fac ca utilizarea lor in sistemele de actionari sa fie tentanta. Asfel, prin eliminarea componentelor sensibile (sistemul colector perii), motoarele asincrone cu rotorul in scurtcircuit sunt sigure in functionare, avand o viteza de rotatie practic constanta la sarcina data, avand totodata momente de inertie inferioare celor de curent continuu. Ele pot functiona la viteze inalte perioade lungi de timp, fara intretinere, necesitand numai surse de curent alternativ. Valoarea tensiunii statorice nu este limitata de fenomenul de comutatie.

Avantajul motoarelor de inductie fata de cele de curent continuu apare si din punct de vedere al consideratiilor de ordin economic. Pretul motoarelor asincrone cu rotorul in scurtcircuit este mult mai mic (raportul putere/kg este practic dublu fata de cel al motoarelor de curent continuu).

Datorita avantajelor tehnico economice sus amintite, motorul asincron este folosit in prezent in marea majoritate a sistemelor de actionari electrice pentru instalatiile moderne de incarcare descarcare ale navelor.

La ora actuala, atat in cazul vinciurilor cu bigi de marfa cat si a macaralelor se utilizeaza in cea mai mare masura motoarele asincrone cu rotor in scurtcircuit cu trei trepte de viteza obtinute cu ajutorul a trei infasurari statorice distincte in conexiune stea.

Treapta de baza este treapta a treia. Schema electrica de comanda automata existenta nu permite trecerea directa de pe pozitia direct pe pozitia de baza De asemenea, releele de timp din aceasta schema impun trecerea pe treapta a III a de viteza succesiv prin treptele inferioare I si II printr-un regim de franare cu recuperare de energie.

Dezavantajele solutiei sunt date de gabaritul mare si constructia mai complicata a masinii, la care se adauga si faptul ca se poate obtine numai o modificare de viteza in trepte.

Analiza: Straturi rutiere din agregate naturale nestabilizate - conditii tehnice pentru straturi rutiere de fundatie Referat: Le Tour Eiffel - le projet d'une tour de 300 mètres

Prezentarea solutiei propuse

In vederea eliminarii acestor dezavantaje, in cadrul grantului se propune o solutie tehnica care pastreaza masina de inductie ca element de executie, datorita considerentelor prezentate mai sus, dar la care controlul miscarii, care presupune controlul vitezei si/sau controlul pozitiei respectiv controlul cuplului, se face prin control vectorial direct in cuplu si flux. Controlul vectorial este fundamentat pe modelul dinamic al masinii de inductie, bazandu-se pe caracterul vectorial al marimilor functionale ale acesteia. A fost dezvoltat ca o metoda de control in bucla inchisa a vitezei/cuplului si se utilizeaza atunci cand raspunsul dinamic al sistemului si precizia controlului miscarii sunt importante. Controlul vectorial restabileste unul din avantajele actionarilor de curent continuu, separarea buclelor de viteza si cuplu.

Controlul vectorial direct in cuplu si flux clasic implementat in cadrul grantului la sistemele de actionare a mecanismelor navale, asigura controlul direct al fluxului statoric si al cuplului electromagnetic prin selectarea modului optim de comutare al tranzistoarelor IGBT al invertorului PWM. Comutatia este astfel realizata incat eroarea de flux si cuplu sa se incadreze intr-o banda de histerezis cu scopul bine determinat de-a obtine un raspuns rapid in cuplu si totodata de-a reduce frecventa de comutare a invertorului.

Se obtin astfel urmatoarele avantaje:

se asigura un raspuns rapid in cuplu si o functionare intr-o plaja larga de viteze;

solutia este robusta, relativ simplu de implementat si nu necesita regulatoare de curent si transformari de coordonate;

nu se necesita circuit de decuplare a ecuatiilor de tensiune statorica si nici modulator vectorial separat pentru comanda invertorului PWM;

se asigura o rejectare eficienta a perturbatii lor si se pliaza foarte bine pe controlul numeric.

Structura de baza a sistemului de control vectorial direct in cuplu si flux cuprinde urmatoarele elemente: masina de inductie cu rotorul in colivie, invertorul PWM, regulatoarele de cuplu si flux, estimatorul de flux statoric si cuplu, detectorul sector flux statoric si blocul de selectie a vectorului de tensiune statorica (tabelul de comutatii optime). Solutia propusa asigura conducerea directa a masinii asincrone dupa cele doua marimi esentiale: cuplul electromagnetic si fluxul statoric. Se obtin astfel doua bucle de reglare independente, una pentru cuplu, cealalalta pentru flux. bucle care lucreaza in paralel.

Trebuie subliniat faptul, ca prin implementarea controlului vectorial direct in cuplu si flux pentru sistemele de actionare electrica cu motoare asincrone a mecanismelor navale, la avantajele caracteristice acestui tip de strategie de control enumerate mai sus, se mai adauga urmatoarele doua:

prin solutia propusa se poate utiliza un motor asincron cu rotorul in scurtcircuit normal, cu o singura infasurare pe stator, modificarea vitezei realizandu-se prin control vectorial. Se elimina astfel varianta existenta care utilizeaza ca elemente de executie motoarele asincrone cu rotor in scurtcircuit cu trei trepte de viteza obtinute cu ajutorul a trei infasurari statorice distincte in conexiune stea;

de asemenea prin solutia propusa se elimina tabloul de comanda in componenta caruia intra contactoarele de sens, accelerare, franare si releele de timp.

Implementarea controlului vectorial direct in cuplu si flux pentru sistemele de actionare electrica cu motoare asincrone a mecanismelor navale, a fost implementat in cadrul proiectului, mai intai pe un model de laborator realizat la Facultatea de Electrotehnica si Electroenergetica din Timisoara, apoi si pe un stand experimental pus la dispozitie de Academia Navala din Constanta. Principalele rezultate experimentale obtinute in urma masuratorilor efectuate pe acest stand sunt prezentate in cele ce urmeaza.

Pe standurile de proba proiectate si realizate, au fost implementate cele doua invertoare ABB. achizitionate in cadrul grantului. Astfel in cadrul experimentelor efectuate la Facultatea de Electrotehnica si Electroenergetica din Timisoara, a fost folosit invertorul ACS800, de 4kW, iar in cadrul masuratorilor efectuate pe standul de la Academia Navala din Constanta a fost utilizat convertorul de frecventa ACS800 de lkW, executat dupa standarde navale.

Achizitii de date

Extinderea masurarilor numerice este strans legata de cresterea preciziei de masurare, cat si de posibilitatile de prelucrare numerica a semnalelor si a fost posibila ca urmare a progreselor inregistrate in tehnica de realizare a circuitelor integrate care ofera:

cresterea complexitatii si fiabilitatii circuitelor;

realizarea unor componente cu parametri foarte apropiati (pentru rezistente, diferente mai mici de pentru condensatoare, diferente mai mici de

masurarea timpului (a frecventei).

Pentru a evidentia procesele de conversie si de comanda in actionarea de fata, s-au achizitionat trei semnale: tensiunea de alimentare a motorului (de iesire din invertor), curentul de alimentare al motorului (curentul la iesirea din invertor) si turatia. Pentru aceasta s-au folosit doua placi de achizitie inseriate conform schemei din figura

A01 +

A01-

200 ohm

CH:6

R 100 ohm

Iesire'

Tens alimentare motor

Curent alimentare motor

CHO

R44K

iesire i.

LEM

NI

6009 USB

Iesire

Fig. 1. Schema de achizitie.

De pe bornele de iesire a invertorului se ia una din faze si se trece prin LEM. Rolul acestuia este de traductor de curent, la iesire din placa de achizitie existand o tensiune proportionala cu curentul. Pe oricare doua faze ale iesirii tensiunii din invertor, se conecteaza cele doua fire care achizitioneaza semnalul de tensiune. Aceasta este in paralel cu o rezistenta de KX2, la iesire tensiunea fiind proportionala cu cea de la intrare dar de valoare mult mai mica ca sa poata fii suportata de cea de a doua placa de achizitie. Convertorul are doua iesiri in curent proportionale cu turatia si cuplul. Intervalul la ambele fiind de pana la mA, corespunzator turatiei de pana la din turatia nominala inscrisa ca si parametru in echipamentul ABB. Deoarece placa de achizitie nu masoara curenti atat de mici, se pune in paralel cu iesirile o rezistenta de mare precizie, de Q. Astfel, tensiunea se aplica la intrarea in placa de achizitie pe o rezistenta de K Q.. La iesirea din prima placa de achizitie rezulta o tensiune proportionala cu turatia.

Fig. 2. Placa de conversie a semnalelor primite de la invertor: 1-LEM, traductor de current; 2-faza folosita pentru achizitia curentului de la iesirea invertorului; 3-intrari folosite pentru achizitia tensiunilor; rezistenta de KD, corespunzatoare tensiunii de alimentare a motorului; 5-rezistenta de KQ, corespunzatoare semnalului turatiei.

Din schema placii de achizitie prezentata in figura se observa ce canal corespunde fiecarei marimi achizitionate. Astfel, curentul de alimentare a motorului intra pe canalul si semnalul de iesire se achizitioneaza pe pinii Tensiunea de alimentare a motorului intra pe canalul avand semnalul de iesire pe pinii Turatia intra sub forma unei tensiunii pe canalul iesirea din placa de achizitii realizandu-se pe pinii

Fig. 3. Schema placii de achizitie.

Cea de a doua placa de achizitie (v. figura este produsa de National Instruments. Este o placa de precizie slaba, cost redus, gandita mai mult pentru aplicatii de laborator in scop didactic. Beneficiul acestei placi este ca se conecteaza prin port USB la calculator, are intrari digitale. Conectorii se pot schimba foarte usor. Viteza de transfer poate sa fie pana la Kbiti/sec. Intervalul tensiunilor de la intrare este de ± pana la V, iar al tensiuni la iesire intre si V

Pentru a procesa datele trimise de cea de a doua placa se foloseste un program Matlab, conceput de colectivul de cercetare, pentru vizualizarea semnalelor. Se obtine afisajul simultan al celor trei semnale in timp real. Maximul intervalului de timp in care se poate face achizitia e de s. Aceasta restrictie este data de constructia placii de achizitie NI Pentru semnalul turatiei in regim normal de functionare se face o filtrare. in regim dinamic s-a renuntat la filtrare pentr a se observa mai bine cresterea si descresterea turatiei. in continuare se prezinta formele de unda obtinute.

I 1 1 1 1 1 1 1

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Fig. 5. Regim normal de functionare la 20 % din turatia prescrisa.

Pe cel de al treilea grafic se poate observa frecventa semnalului de tensiunii a motorului. Tot la acest semnal se observa cum rezulta dupa 'taiere' tensiunea continua din circuitul intermediar Semnalul corespunzator turatie, graficul din mijloc, este filtrat prin programul din matlab realizat. Se face o medie aritmetica a tuturor valorilor achizitionate pe semnalul turatiei astfel obinandu-se o dreapta paralela cu axa timpului. in primul grafic apare semnalul corespunzator curentului pe o faza de alimentare a motorului.

Figurile si prezinta: regimul normal de functionare la din turatia prescrisa, oprirea de la din turatia prescrisa, un regim de pornire pana la din turatia prescrisa respectiv o schimbare de sens.