Regulisani elektromotorni

pogoni sa asinhronim

mašinama –

Direktna kontrola momenta Istorijski pregled

Opis metode

Način realizacije

Podešavanje parametara regulatora brine

Pregled karakteristika

Prevazilaženje nedostataka

Direktna kontrola momenta

DTC (Direct Torque Control)

Jedna metoda upravljanja trenutnim

vrednostima momenta i fluksa.

Pruža određene prednosti u odnosu na

vektorsko upravljanje.

Metoda je bazirana na topologiji

naponskog invertora.

Može se prilagoditi i pogonima sa strujnim

invertorima.

Istorijski pregled

Kompanija ABB je 1995. ponudila na

tržište prvi industrijski pretvarač sa

direktnom kontrolom momenta – ACS 600.

IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS,

VOL. IA-22, NO. 5. SEPTEMBER/OCTOBER 1986

A New Quick-Response and High-Efficiency

Control Strategy of an Induction Motor ISAO TAKAHASHI, MEMBER, IEEE, AND TOSHIHIKO NOGUCHI

Šta je cilj?

Struktura regulisanog pogona koju

želimo da ostvarimo:

Reg. momenta

+

-

Reg. brzine

+

-

*em

*

6

M

Model motora (adap-tivni)

abcsi

3

ˆem Izb

or

vekt

ora

dcU

dcU

1 6R RT T-

Reg. fluksa

+

-

*s

ˆs

mS

S

S

S

ˆem

E

Stacionarni referentni sistem

qs s qs qs

du R i

dt + (1)

ds s ds ds

du R i p

dt + (2)

0 r qr qr dr

dR i

dt + - (3)

0 r dr dr qr

dR i

dt + + (4)

qs s qs qrL i M i + (5)

ds s ds drL i M i + (6)

qr r qr qsL i M i + (7)

dr r dr dsL i M i + (8)

3( )

2e qs ds ds qsm P i i - (9)

0rs

Statorske jednačine

Rotorske jednačine

Jednačina momenta

Jednačina momenta u vektorskoj formi

3 3sin

2 2e s s s sm P i P i

si

s

em

em

Fazorski

dijagram

statorskih

veličina

Uvek nam je potreban

stalan fluks.

Struja, odnosno

moment motora se

može podešavati

podešavanjem

trenutne vrednosti

vektora napona.

q

d

sU

sE

sI

s

s sR I

s s s s sj X I j I

0

T

T

0 0

qd s s abcs

abcs as bs cs

qd s qs ds s

f f

f f f f

f f f f

K

Transformacije statorskih

veličina

rs=0, rs (0) = 0

as

bs

cs

asbs

ascs

bs

cs

q

d

rs0

Stacionarni koordinatni sistem Matrice transformacije statorskih veličina

1 0,5 0,5

2 3 30

3 2 2

0,5 0,5 0,5

s

- - -

K

1

1 0 1

30,5 1

2

30,5 1

2

s-

- - -

K

au

Šema energetskog pretvarača

pogona sa asinhronim motorom

Pontencijal u odnosu na

negativnu šinu

jednosmernog međukola

3~

TR1 TR3

C

TR5

TR2 TR4 TR6

ab

cua ub

3~AM

uc

Vdc

+

−TR

RR

diodni

ispravljač

kolo za

kočenje

filter u

međukolu

PWM

invertor

Vrednosti potencijala ua u funkciji stanja

prekidača u grani a

ua

Tranzistor

TR1

Tranzistor

TR2

Stanje

Sa

Vdc uključen isključen 1

0 isključen uključen 0

T1

1 1

3 3

qs as

ds cs bs cb

u u

u u u u

-

3

3

3

ab caas

bc abbs

ca bccs

u uu

u uu

u uu

-

-

-

ab a b

bc b c

ca c a

u u u

u u u

u u u

-

-

-

Definicije napona i struja motora u

stacionarnom koordinatnom sistemu

1

3

qs as

ds cs bs

i i

i i i

-

Međufazni naponi računati pomoću

potencijala prema negativnoj šini

jednosmernog međukola:

Uvažen je koeficijent 2/3

u transformaciji.

Fazni naponi u odnosu na

zvezdište motora:

Naponi motora u stacionarnom

koordinatnom sistemu:

Struje motora u stacionarnom

koordinatnom sistemu:

Izlazni naponi invertora u skladu sa

odgovarajućim stanjima prekidača

V1

V2V3

V4

V5 V6

d

q=a

(0,0)(V7,V8) 2

3dcV

(1,0,0)

(1,0,1) (0,0,1)

(0,1,1)

(0,1,0) (1,1,0)

Prikaz napona i struja u stacionarnom

koordinatnom sistemu

Mala efektivna vrednost

napona Velika

efektivna vrednost napona

Napon

Struja

Stanje

inver-

tora

Stanje

grana

Potencijal

priključka

motora

Linijski naponi Fazni naponi qd

komponente

Sa Sb Sc ua ub uc uab ubc uca uas ubs ucs uqs uds

V1 1 0 0 Vdc 0 0 Vdc 0 -Vdc 2

3dcV

1

3dcV-

1

3dcV-

2

3dcV 0

V2 1 0 1 Vdc 0 Vdc Vdc -Vdc 0 1

3dcV

2

3dcV-

1

3dcV

1

3dcV

3

dcV

V3 0 0 1 0 0 Vdc 0 -Vdc Vdc 1

3dcV-

1

3dcV-

2

3dcV

1

3dcV-

3

dcV

V4 0 1 1 0 Vdc Vdc -Vdc 0 Vdc 2

3dcV-

1

3dcV

1

3dcV

2

3dcV- 0

V5 0 1 0 0 Vdc 0 -Vdc Vdc 0 1

3dcV-

2

3dcV

1

3dcV-

1

3dcV-

3

dcV-

V6 1 1 0 Vdc Vdc 0 0 Vdc -Vdc 1

3dcV

1

3dcV

2

3dcV-

1

3dcV

3

dcV-

V7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

V8 1 1 1 Vdc Vdc Vdc 0 0 0 0 0 0 0 0

Prekidačka stanja invertora i naponi mašine T2

Izračunavanje vektora fluksa

(intenziteta i ugla)

qs qs s qs qsu R i dt e dt -

ds ds s ds dsu R i dt e dt -

2 2s qs ds +

cos dss

s

sin

qss

s

1

0ds

qss

ds

tg

-

Integracija naponskih jednačina

Podela na sektore za identifikaciju položaja

statorskog fluksa

S1

S2S3

S4

S5S6

V1

V2V3

V4

V5 V6

q

d

s

ds

qs

s

60

3s

2

3s

2

1

6

5

4

3

03

s

2

3 3s

2

3s

4

3s

4 5

3 3s

52

3s

Ugao s S

Ugao θφs definisan u odnosu na d-osu

Drugi način određivanja sektora

u kom se nalazi statorski fluks

Sθ

2

3

1

4

6

5

1

2ds s

0qs

0qs

1 1

2 2s ds s -

0qs

0qs

1

2ds s -

0qs

0qs

T3

qsds

φs uvek ima pozitivnu vrednost

Prekidačke logike za fluks i moment

Odnos fluksa prema

zadatoj vrednosti

Prekidačka fun.

Sφ

1

0

*s s

*s s

Odnos momenta prema

zadatoj vrednosti

Prekidačka fun.

Sm

1

0

-1

*e e em m m-

*e e e em m m m- -

*e e em m m- -

T5

T6

Sφ

1

1

-1

Sm

2 em

*em

em

*s

s

Komparatori fluksa i momenta

Efekat uključenja naponskih vektora na fluks

1 1V t

0sR

2 2V t

3 3V t

4 4V t

V1

si

s

1

6

4

3

V2

6V

q

d 2

3V

4V

sd

edt

5V

6 6V t

Prekidačke

funkcije

Sθ – Sektor

u kom se nalazi fluks

Sφ Sm S1 S2 S3 S4 S5 S6

1

1 V6 V1 V2 V3 V4 V5

0 V8 V7 V8 V7 V8 V7

-1 V2 V3 V4 V5 V6 V1

0

1 V5 V6 V1 V2 V3 V4

0 V7 V8 V7 V8 V7 V8

-1 V3 V4 V5 V6 V1 V2

Tabela upravljanja invertorom T7

Implementacija DTC upravljanja

ТR1 ТR2 ТR4 ТR5 ТR6

Sa Sb Sc

T3

T5

T6

T7

T1

T2

T1 T1

ТR3

invertor+

bsi csi

ssK

Vdc

absu bcsu

AM

ssK

a

c

b

−

+

−

+

sR

sR

−

+

−

+

−

3~

2 2s ds qs +

qsfs

ds

arctg

fs

s

*s

qsds

qsi dsi

em

*emem

S

S

mS

Vi

3

2P

dsu qsu

Regulisani elektromotorni pogon sa

direktnom kontrolom momenta

Reg. momenta

+

-

Reg. brzine

+

-

*em

*

6

M

Model motora (adap-tivni)

abcsi

3

ˆem Izb

or

vekt

ora

dcU

dcU

1 6R RT T-

Reg. fluksa

+

-

*s

ˆs

mS

S

S

S

ˆem

E

Rad u proširenom opsegu brzina

(slabljenje polja)

Reg. momenta

+

-

Reg. brzine

+

-

*em

*

6

M

Model motora (adap-tivni)

abcsi

3

ˆem Izb

or

vekt

ora

dcU

dcU

1 6R RT T-

Reg. fluksa

+

-

*s

ˆs

mS

S

S

S

ˆem

E

Podešavanje parametara regulatora brzine

Reg. brzine

+

-

*

Regulacija momenta

K T

1 eT

p pK T

Filter merene brzine

+

-em

mm

*em

1

mp T

Te – Vreme uspona momenta na zadatu naglu poromenu

referentne vrednosti (step komandu) – od 1 do 5 ms

Podešavanje parametara regulatora brzine

Može se primeniti simetrični optimum.

Parametre regulatora brzine diktira aplikacija.

Reg. brzine

+

-

*

Regulacija momenta

K T

p pK T

Filter merene brzine

+

-em

mm*em

1

mp T

1

1 ep T+

Karakteristike

• Direktno upravljanje fluksom i momentom.

• Indirektno upravljanje strujom motora (nema

regulatora struje).

• Približno sinusne statorske struje i statorski fluks.

• Vrlo brz odziv momenta.

• Učestanost komutacije invertora zavisi od širine

histerezisa u komparatorima.

Prednosti

• Koristi se stacionarni referentni sistem, nema

obrtne transformacije.

• Ne koristi se IŠM (PWM) blok, direktno se

zadaju stanja prekidača u invertoru.

• Minimalno vreme odziva momenta.

• Jednostavni regulatori (histerezisni) sa

tabelarnim implementacijama.

• Manji broj izračunavanja u odnosu na vektorsko

upravljanje.

• Manji broj parametara motora se koristi u

algoritmu.

Nedostaci klasične implementacije

DTC algoritma

• Odsustvo regulatora struje može dovesti do

problema sa velikim trenutnim vrednostima

struje.

• Tokom uspostavljanja fluksa u mašini

(magnetizacije) se mora koristiti drugi algoritam.

• Potrebni estimatori fluksa i momenta, koji zavise

od parametara (samo od Rs) motora.

• Promenljiva učestanost komutacije invertora.

• Veće odstupanje momenta od zadate vrednosti

(veći ripl).

Prevazilaženje nedostataka Nedostaci:

• Problemi sa velikim

trenutnim vrednostima

struje.

• Tokom magnetizacije se

mora koristiti drugi

algoritam.

• Potrebno poznavanje

parametara motora

(Rs).

• Promenljiva učestanost

komutacije invertora.

• Veći ripl momenta.

Struja se može ograničiti primenom nultog vektora –

u algoritam se ugrađuje zaštitna funkcija koja

ograničava struju.

Malom modifikacijom tabele se može postići da isti

algoritam radi i tokom uspostavljanja fluksa. Tokom

magnetizacije ne dozvoljava se komanda momenta,

nema rotacije motora.

Parametri motora se određuju veoma precizno

prilikom puštanja pogona u rad. Otpor statora je

veličina koja se može odrediti i u toku rada pogona.

U digitalnim implementacijama algoritam se

izvršava periodično, pa se i promena stanja

invertora dešava periodično. Manji broj komutacija

(promena stanja) nego sa IŠM (PWM) modulacijom.

Ripl zavisi od širine histerezisa i od učestanosti

izvršavanja algoritma. Radi se na modifikacijama

algoritma koje će smanjiti ovaj problem.