UNIVERZITET U KRAGUJEVCUTEHNIČKI FAKULTET ČAČAK

DIPLOMSKI RAD

Realizacija Realizacija frekventnfrekventnogog regulator regulatoraa sa mikrokontrolerom MC3PHACsa mikrokontrolerom MC3PHAC

i invertorom STGIPS10K60Ai invertorom STGIPS10K60A

Student: Mentor:Petar Kolarski 256/2005 dr Miroslav Bjekić

Čačak, oktobar 2011.

1. UVOD

TEORIJSKI DEO:

• Istorijski razvoj (istorijski osvrt na razvoj emp),

• Asinhroni elektromotori (kratak prikaz teorije asinhronog elektromotora),

• Frekventna regulacija (vrste, podela).

PRAKTIČNI DEO:

• Frekventni regulator (glavni deo diplomskog; konkretan regulator).

ZAVRŠNE NAPOMENE (primena i problemi).

ZAKLJUČAK

DODATAK (laboratorijska vežba).

PRILOG (kataloški podaci).

2. ISTORIJSKI RAZVOJ

Akademik Boris Semjonovič Jakobi (Moritz Hermann von Jacobi) je 13. septembra 1838 godine, na reci Nevi, uspešno testirao barku koju je pokretao elektromotor jednosmerne struje. Barka dužine oko 9 metara sa 14 putnika se kretala uzvodno, brzinom od oko 4,5 km/h.

Učešće emp u ukupnoj instalisanoj snazi svih pogona:

• 1890-te: oko 5% ,• krajem 20-tih godina XX-og veka oko 75%, • danas preko 90%.

Izvor energije je bila baterija elektrohemijskih elemenata, koja je napajala motor jednosmerne struje.

B. S. JakobiJakobijev motor iz 1838 g.

• sa namotanim rotorom (klizno-kolutni),

• sa kaveznim (kratkospojenim) rotorom.

3. ASINHRONI ELEKTROMOTORI

Ekvivalentna šema asinhronog elektromotora

Stator:

Rotor:

Veza između momenta na osovini, snage i obrtaja je data izrazom:

Snaga koja se sa statora prenosi na rotor se naziva elektromagnetna snaga:

Izraz za struju rotora svedenu na stator glasi:

Uvrštavanjem izraza za I2’ u izraz za Pem , a zatim tog izraza u izraz za Mem , dobija se:

Generatorsko

kočenje kočenje

Protivstrujno

Motorni rad

Elektromehanička karakteristika elektromotora

Vrednost maksimalnog (prevalnog) momenta za motorski režim rada se dobija iz uslova da je (dM/ds)=0:

Količnik M/Mmax se naziva Klosova formula:

pri čemu je:

i:

Kod motora srednjih i velikih snaga je R1<<X1 , pa je ε ≈ 0. Rezultat je uprošćena Klosova jednačina:

Proizvođači elektromotora u katalozima obično navode vrednosti za ns , nn , Mn , kao i podatak o preopteretivosti motora:

Uvrštavanjem , i

u uprošćenu Klosovu jednačinu, dobija se vrednost momenta pri zadatoj brzini obrtanja rotora.

Promenu klizanja (odnosno brzine obrtanja rotora) pri konstantnom momentu moguće realizovati pomoću:

1.upravljanja sa strane rotora:• promenom otpora R2,• uvođenjem dodatne ems u kolo rotora.

2.upravljanja sa strane statora:• promenom impendanse u kolu statora (R1 i X1),

• promenom napona U1,

• promenom frekvencije f1.

Ovim diplomskim radom obuhvaćeno je upravljanje trofaznim asinhronim motorom promenom frekvencije napona napajanja.

4. FREKVENTNA REGULACIJA ELEKTROMOTORNOG POGONA

Danas postoji desetak različitih metoda regulacije, koje se mogu svrstati u dve grupe:

1.skalarna, i2.vektorska.

Klasifikacija metoda frekventne regulacije asinhronih elektromotora

4.1. Vektorska regulacija

• Početkom 70-tih godina XX-og veka nastaju teorijske osnove vektorske regulacije: Karl Hase (K. Hasse) za indirektnu i Ferdinand Blaške (F. Blaschke) za direktnu metodu kontrole fluksa rotora (Field Oriented Control-FOC).

• Polovinom 80-tih godina Takahaši (Takahashi) i Dependbrok (Dependbrok) kreiraju matematičke modele za usavršene tipove vektorske kontrole: direktna kontrola momenta (Direct Torque Control-DTC), odnosno direktna samokontrola (Direct Self Control-DSC). Ovi modeli su osnov svakog savremenog regulatora kada je reč o rešenjima zahtevnim u pogledu dinamike.

• Znatno preciznije upravljanje i bolje dinamičke performanse (brži odziv na promene i širi opseg brzine rotora) od regulatora sa skalarnom regulacijom.

4.2. Skalarna regulacija

• Najstariji (i najjednostavniji) tip frekventne regulacije.

• Zasniva se na kontroli odnosa amplitude i frekvencije napona napajanja elektromotora, čime se kontroliše moment.

• Vrste: sa otvorenom i sa zatvorenom petljom (povratnom spregom).

• Promena frekvencije uzrokuje promenu brzine obrtanja rotora i utiče na struju motora. Niža frekvencija => veća struja, veći fluks, veće zagrevanje motora.

• Neophodno je kontrolisati fluks:

• Naponska ograničenja:Uboost > U1 > U1n => oblast konstantnog fluksa.

Naponsko-frekventna karakteristika

Naponsko-frekventna karakteristika skalarnog regulatora

U1 > U1n => oblast slabljenja fluksa.

Mehaničke karakteristike za sinhrone brzine više od prirodne

Mehaničke karakteristike za sinhrone brzine niže od prirodne

Ustart > U1 > Uboost => kompenzacija pada napona na otporu R1.

4.3 Energetska blok-šema frekventnog regulatora

• Mostni ispravljački blok

Diodni ispravljač, monofazni ili trofazni.

• Blok jednosmerne struje

Filterski elektrolitski kondenzator, sklop za zaštitu filterskog kondenzatora, otpornik za pražnjenje filterskog kondenzatora i sklop za otporno kočenje.

• Regulator

Mikrokontroler (specijalizovani ili univerzalni), sa pomoćnim sklopovima (oscilator, PWM generator, sklopovi za zaštitu, za merenje napona, struje faza i td).

Najčešće se koristi PWM modulacija sa nosećom učestanošću (Carrier Based-CBPWM), tj. sinusoidalna (SPWM).

Blok-šema SPWM generatora

Generisanje PWM signala

Napon PWM T1 pobuđuje gornji tranzistor u polumostu jedne faze invertora, a napon PWM T2 donji tranzistor u istom polumostu iste faze.

Najveći nedostatak ovakvog PWM signala je ograničenje amplitude linijskog napona na izlazu iz invertora na 86% od vrednosti jednosmernog napona.

Talasni oblici napona na izlazu iz invertora

x napon između izlaza jedne faze i negativnog pola jednosmernog napona,+ napon između izlaza jedne faze invertora i neutralne tačke,* napon između dva izlaza invertora, tj. linijski napon.

Najjednostavnije rešenje je superpozicija napona čija se frekvencija podudara sa frekvencijom trećeg harmonika modulišućeg napona. To je PWM sa trećim harmonikom (Third Harmonic PWM - THIPWM).

Ovaj napon sadrži treći harmonik, pa je upotreba ovakvih regulatora ograničena na motore čiji su namotaji vezani u trougao.

Napon na ulazu u PWM generator u slučaju THIPWM

• Invertor

Sklop koji jednosmernu struju pretvara u naizmeničnu. Sastavljen je od više tranzistora u mostnom (monofazni) ili u polumostnom spoju (trofazni), tipa MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) ili IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Trofazni polumostni invertorski stepen

Tokom rada motora, tranzistori jednog polumosta rade naizmenično: kada je gornji u zasićenju (provodi), donji mora biti u stanju zakočenja i obrnuto. U slučaju da oba tranzistora istovremeno provode, to bi za jednosmerni napon napajanja bio kratak spoj. Problem se onemogućava: hardverski i softverski.

1. Hardverska blokada tranzistora (Interlocking Function).

Talasni oblici napona na ulazima i izlazima pobudnog stepena

2. Vreme mirovanja izlaznih tranzistora (Dead Time-TD).

Vreme isključenja (toff) invertorskih tranzistora je duže od vremena uključenja (ton). Otkaz IGBT se sprečava primenom kašnjenja trenutka uključenja svakog tranzistora u invertoru .

5. FREKVENTNI REGULATOR

U okviru ovog rada realizovan je frekventni regulator sa skalarnom regulacijom sa otvorenom petljom, pomoću specijalizovanog mikrokontrolera MC3PHAC (Freescale Semiconductor) i inteligentnog invertorskog modula STGIPS10K60A (ST Microelectronics).

5.1. Mikrokontroler MC3PHAC

Mikrokontroler visokih performansi, posebno konstruisan za regulaciju trofaznih motora u pogonima koji pretežno rade u stacionarnim režimima, pri različitim obrtajima rotora. MC3 u sebi sadrži:

1.8-bitni mikrokontroler (HC08, Motorola),2.6-kanalni PWM modulator,3.4-kanalni analogno/digitalni konvertor,4.24-kanalni digitalni filter,5.PLL oscilator,6.sklop za podnaponsku zaštitu,7.sklop za blokadu rada izlaza,8.sklop za otporno kočenje,9.sklop za serijsku komunikaciju.

Modul regulatora

Režimi rada

Samostalni i kontolisani režimu (pomoću serijske komunikacije i softvera Free Master).

Generisanje trofaznih talasnih oblika

MC3PHAC generiše šest PWM signala, tipa THIPWM. Noseću frekvenciju (fPWM) je moguće birati između 4 ponuđene vrednosti: 5,291[kHz], 10,582[kHz], 15,873[kHz] i 21,164[kHz].

Kontrola brzine rotora

Brzina obrtanja rotora se može menjati u bilo kom trenutku, od 1 do 128[Hz] ako je postavljen most JP1, odnosno do 64[Hz] ako nije postavljen.

Kontrola ubrzanja i usporavanja

Ubrzanje se može menjati od 0,5 [Hz/s] do 128[Hz/s]. Vrednost ubrzanja rotora je istovremeno i vrednost usporavanja.

Pobuda gornjih IGB tranzistora

Mikrokontroler pre svakog pokretanja motora najpre generiše povorku PWM impulsa samo za donje IGBT, kako bi omogućio rad butstrep kola.

Naponsko/frekventna karakteristika

U slučaju MC3 napon porasta (Uboost) se definiše kao napon napajanja motora pri brzini obrtanja rotora od 0[Hz].

Naponsko-frekventna karakteristika MC3

Promenljivi polaritet PWM napona

Polaritet se određuje tokom inicijalizacije, zajedno sa sinhronom frekvencijom napona napajanja motora (fs).

Kombinacije polariteta i osnovne frekvencije

Vreme mirovanja IGB tranzistora (TD)

Minimalna vrednost vremena mirovanja je 0,5[μs]. Za promenu ovog vremena neophodan je reset.

Zaštita

1. Spoljašnja

a) zaštita od previsokog napona UDC ,b) zaštita od prevelike struje IDC ,c) zaštita od previsoke temperature izlaznih tranzistora invertora.

2. Unutrašnja

a) zaštita od nestanka takt-signala,b) zaštita od niskog napona napajanja mikrokontrolera (UDD < 4,5[V]),c) zaštita od niskog i visokog jednosmernog napona (0,5 UDCn < UDC < 1,28 UDCn).

Dinamička kontrola bruma jednosmernog napona sabirnice (UDC)

MC3 stalno meri UDC i vrši korekciju PWM napona na svojim izlazima.

Kontrola rekuperacije

Pri rekuperativnom kočenju višak energije za posledicu ima povišenje napona na elektrolitskom kondenzatoru. Problem se rešava na dva načina:

1. Automatska kontrola kočenja

Ako prilikom naglog usporavanja napon na filterskom kondenzatoru (UDC) ipak poraste preko 110% od UDCn , MC3 će smanjiti usporavanje.

2. Otporno kočenje

Ako prilikom naglog usporavanja napon na filterskom kondenzatoru (UDC) poraste preko 110% od UDCn biće aktiviran sklop za otporno kočenje.

Šeme

Kontroler

Zaštita

Komunikacija

Napajanje

5.2. Invertor STGIPS10K60A

STGIPS10K60A je invertorski modul nove generacije (SLLIMM - Small Low-Loss Intelligent Molded Module), namenjen za pobudu trofaznih indukcionih elektromotora male snage (do oko 2[kW]). Odabrani hladnjak omogućava trajan rad modula sa motorom do 1[kW].

STGIPS10K60A

Idealno je za primenu u aparatima za domaćinstvo kao što su veš - mašine, frižideri i klima - uređaji.

Integrisano kolo sadrži u sebi:

1.6 IGBT, po dva u svakom polumostu,2.3 pobudna stepena sa kontrolnom logikom,3.NTC otpornik.

IGB tranzistori

Po dva snažna IGBT u polumostnom spoju čine izlazni stepen svake faze invertora. IGBT-i mogu da izdrže kratak spoj u trajanju do najviše 5[μs].

Pobudni stepen

Napaja se naponom UCC =15[V] i sadrži kontrolna logička kola za:

1. podnaponsku zaštitu napona UCC i napona na butstrep kondenzatoru (UCb),

2. blokadu izlaznih tranzistora.

Butstrep kolo

Butstrep dioda je brza ispravljačka dioda i deo je integrisanog kola. Kondenzator se dodaje kao diskretna komponenta (keramički ili metal-film kondenzator). Treba gasmestiti što bliže integrisanom kolu.

NTC otpornik

Služi za određivanje trenutne temperature izlaznog stepena invertora, u cilju zaštite modula od pregrevanja. Zavisnost otpora NTC otpornika od temperature je data izrazom: R(T) = R25 x ℮ B x (1/T – 1/298)

Invertorski modul

2

7

543

8

6

910

1Na štampanoj ploči invertora se nalaze:

1.butstrep kondenzatori,2.invertor STGIPS10K60A,3.sklop za zaštitu i pražnjenje mrežnog kondenzatora,4.mrežni elektrolitski kondenzator,5.mrežni mostni ispravljač,6.izlazni MOSFET kočnice,7.mrežni osigurač,8.stepen za napajanje mikrokontrolera i invertora (UCC ),9.sklop za otporno kočenje,10.otporni delitelj za NTC otpornik.

Šema

6. ZAVRŠNE NAPOMENE

Savremeni industrijski pogoni postaju sve zahtevniji u pogledu mogućnosti regulacije elektromotora. U ovom trenutku, najbolje rešenje su frekventni regulatori.

Regulisani elektromotorni pogoni se uvode zbog:

1.Automatizacije elektromotornog pogona Prilagođavanje brzine i momenta tehnološkom procesu i uslovima pogona.

2.Smanjenja potrošnje električne energijeNajveće uštede energije se postižu kod ventilatora, kompresora i centrifugalnih

pumpi.

3.Zaštite mreže, motora i radne mašineSmanjenjem polazne struje omogućeno je pokretanje znatno snažnijih

elektromotora iz iste mreže. Zaštite motora: prenaponska, podnaponska, od preopterećenja, od asimetrije

napona, ispada jedne faze...Smanjenjem polazne struje smanjena su dinamička naprezanja motora i radne

mašine tokom prelaznih stanja.

Primena frekventnih regulatora u elektromotornim pogonima donosi i neke probleme kojih nema u neregulisanim pogonima:

1.Smanjenjem brzine obrtanja rotora smanjuje se hlađenje, odnosno raste temperatura motora. 2.Frekventni regulator može izazvati pojavu napona viših harmonika u mreži iz koje se napaja, što može izazvati smetnje u radu drugih uređaja.3.Usled prisustva viših harmonika dolazi do dodatnog zagrevanja površine rotora i osovine motora, kao i namotaja statora i rotora.4.Velika brzina porasta napona (du/dt ≈ 50V/[ns]) izaziva dodatna naponska naprezanja izolacije elektromotora.5.Zbog nesimetrije napona zvezdišta, brzih promena napona (du/dt) i visoke frekvencije na kojoj radi invertor, javljaju se ležajne struje. Problem se rešava primenom posebnih filtera na izlazu iz regulatora, upotrebom simetričnih energetskih kablova i izolacijom ležajeva.

Unutrašnji prsten ležaja rotora

7. ZAKLJUČAK

U ovom diplomskom radu je opisan i realizovan konkretan frekventni regulator kojim je moguće ostvariti frekventnu regulaciju trofaznog asinhronog elektromotora. Pored teorijskog dela dat je i opis konkretne konstrukcije invertorskog sklopa i prikazane su detaljne elektronske šeme sa opisom rada svih funkcionalnih celina.Frekventni regulator je realizovan pomoću dva modula: mikrokontrolerskog i invertorskog (izlaznog).

Frekventni regulator sa MC3PHAC i STGIPS10K60A

Mikrokontrolerski modul je konstruisan kao prototip i pruža mogućnost projektantnu da eksperimentalnim putem proveri teorijske postavke i izvrši korekcije konstrukcije pre realizacije komercijalnog rešenja frekventnog regulatora. Na samom sklopu je izvedeno 16 priključnih mernih tačaka (TP1 – TP16).

Za potrebe univerzitetske nastave ovakav sklop je višestruko koristan. Omogućava studentima da snime sve bitne signale frekventnog regulatora u različitim režimima rada i da ih uporede sa graficima i karakteristikama koje su upoznali na predavanjima, a otvara i mogućnosti daljeg rada na realizovanom elektronskom sklopu, u vidu osmišljavanja novih seminarskih ili diplomskih radova.

8. DODATAK

Sastavni deo ovog rada je laboratorijska vežba pod nazivom “Snimanje karakteristika skalarnog frekventnog regulatora i trofaznog asinhronog elektromotora u stacionarnim režimima”. Predviđeno je snimanje dve najznačajnije karakteristike, pri različitim opterećenjima:

1.naponsko – frekventne, i2.momentno – frekventne.

Šema povezivanja