identifikacija parametara algoritma upravljanja i ...emp.etf.rs/radovi/diplomski/zivanovic.pdf ·...
TRANSCRIPT
Elektrotehnički Fakultet Univerziteta u Beogradu
Diplomski rad
Identifikacija parametara algoritma
upravljanja i eksperimentalna verifikacija
pogona zasnovanog na trofaznom
asinhronom motoru
- Projekat miniDrive -
Kandidat
Miloš Živanović
Mentor
Prof. Dr Slobodan Vukosavić
Sadržaj
1. Uvod...........................................................................................................................2 1.1 IEEE konkurs .......................................................................................................3 1.2 Literatura..............................................................................................................4
2. Specifikacije pogona..................................................................................................5 3. Struktura miniDRIVE-a ..............................................................................................6 4. Elektromotori .............................................................................................................7
4.1 Trofazni asinhroni motor .....................................................................................8 4.1.1 Konstrukcija trofaznog asinhronog (Teslinog) motora.............................8 4.1.2 Jednačine koje opisuju rad trofaznog asinhronog motora.........................9
4.2 Odabir trofaznog asinhronog motora .................................................................14 4.2.1 Određivanje parametara trofaznog asinhronog motora...........................14 4.3.2 Upoređivanje karakteristika ....................................................................16
4.3 Literatura............................................................................................................20 8. Eksperimentalno podešavanje parametara kontrolnog algoritma ............................21
8.1 Eksperimentalni setup-i za određivanje parametara kontrolnog algoritma .......21 8.1.1 Eksperimentalni setup I...........................................................................22 8.1.2 Eksperimentalni setup II .........................................................................24
8.1.2.1 Komunikacija PC računara sa digitalnim osciloskopom .........30 8.2 Fino podešavanje parametara kontrolnog algoritma..........................................31 8.3 Literatura............................................................................................................33
9. Rezultati testiranja pogona.......................................................................................34 9.1 Rezultati testova rađenih u Laboratoriji za Mikroprocesorsko upravljanje elektromotornim pogonima......................................................................................35 9.2 Rezultati testova rađenih u finalu takmičenja International Future Energy Challenge .................................................................................................................41
10. Prilozi .....................................................................................................................46 10.1 Zahtevi konkursa..............................................................................................47 10.3 MatLab kod......................................................................................................50
1
1. Uvod
Ušteda energije trenutno je jedna od najzastupljenijih tema istraživanja u
oblasti elektrotehnike. Konstantan rast cene energenata, kao i ograničeni energetski
resursi na planeti Zemlji najveći su razlozi za ulaganje u navedena istraživanja.
Električna energija je jedan od najzastupljenijih oblika energije. Prema nekim
podacima, 60-70% proizvedene električne energije troši se za napajanje električnih
mašina i elektromotornih pogona [1.1, 1.2]. Rezultati istraživanja sprovedenih na
teritoriji SAD i Velike Britanije pokazuju da 90% svih motora proizvedenih u
poslednjoj deceniji 20. veka čine motori snage do 750W.
2
1.1 IEEE konkurs
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) [1.3], najveće svetsko
udruženje inžinjera elektrotehnike i elektronike, svake druge godine raspisuje konkurs
„Internacional Future Energy Challenge“ sa ciljem pospešivanja istraživanja na temu
uštede električne energije i unaprađenja elektromotornih pogona.
Teme IEEE konkursa „Internacional Future Energy Challenge 2005“ [1.4] su
bile:
• Tema A: Single-Phase Adjustable Speed Motor Drive
• Tema B: Utility Interactive Inverter System for Small Distributed Generation
Glavni zahtevi konkursa u okviru teme A, bili su da se projektuje
elektromotorni pogon sa stepenom iskorišćenja većim od 70%, sa mogućnošću
kontinualnog zadavanja brzine u opsegu od 150rpm do 5000rpm, kao i da njegova
cena na milionskom tiražu bude manja od 40 američkih dolara. Ovakav
elektromotorni pogon bi trebalo da zameni elektromotore odgovarajuće snage, jer bi
mu performanse bile superiorne u odnosu na do sad korišćena rešenja. Obzirom na
količinu električne energije utrošene za napajanje elektormotora, jasno je da bi
poboljšanje stepena iskorišćena za samo jedan procenat, značajno doprinelo uštedi
električne energije na globalnom nivou. Kompletna lista zahteva konkursa u okviru
teme A data je kao prilog u poglavlju 10.1 Zahtevi konkursa.
U okviru laboratorije za Digitalno upravljanje elektromotornim pogonima
Elektrotehničkog fakulteta Univerziteta u Beogradu realizovan je projekat na temu A.
Celokupna dokumetacija ovog projekta (miniDrive) predstavljena je u pet diplomskih
radova čiji su autori: Bora Novaković, Ivan Petruševski, Miloš Živanović, Ušćumlić
Blagoje i Aleksandar Živković .
3
1.2 Literatura
[1.1] V.R. Stefanović, “Present Trends in Variable Speed AC Drives”, in Conf. Rec. of IPEC 1983, pp. 438-449
[1.2] B.K. Bose, (Editor) “Adjustable Speed Drives”, IEEE Press 1981. [1.3] IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers - www.ieee.org [1.4] Future Energy Challenge 2005 - www.energychallenge.org/Default_2005
4
2. Specifikacije pogona
Dimenzije 220 x 120 x 250 mm
Težina 9.66kg
Napajanje Monofazno 220V~, 50/60Hz
Brzina 100-5000 ob/min
Rezolucija komande brzine 5 ob/min
Tolerancija regulacije brzine
1) Za brzine do 1000 ob/min tolerancija ±50 ob/min 2) Za brzine preko 1000 ob/min tolerancija ±5% reference
Tip upravljanja brzinom Bezsenzorski algoritam zasnovan na merenju struje jednosmernog međukola
Nominalna snaga 500W
Nominalna brzina 1500 ob/min
Nominalni momenat 3,18Nm
Displej 1) Četiri sedmosegmentna LED displeja sa decimalnom tačkom 2) MiniDrive Windows aplikacija za PocketPC
Domet IR komunikacije 1,5m
Radni opseg temperature Od -20° do +40°C
Maksimalna nadmorska visina 1000m
Standardi IEC 60335-1
5
3. Struktura miniDRIVE-a
U ovom poglavlju date su osnovne smernice i ideje potrebne za realizaciju
ovog projekta i ispunjenje što većeg broja zahteva konkursa. Kako bi se ispunio
zahtev po pitanju kontrole brzine obrtanja vratila elektromotornog pogona, potrebno
je razmotriti nekoliko mogućih rešenja koja mogu dati informaciju o brzini ili
promeni brzine. Jedno rešenje je da se pomoću nekog od senzora za merenje brzine
dobije informacija o brzini i da se ta informacija prosledi upravljačkom kolu. U ovom
projektu nije korišćen senzor za merenje brzine zbog njegove cene, već se brzina
procenjuje na osnovu merenja struje potrošnje. Struja potrošnje se može jednostavno
meriti pomoću rednog šant otpornika.
Trofazni asinhroni motor snage 550W pokazao se kao najpogodnije rešenje
obzirom na zahteve konkursa (pogledati diplomski rad Miloša Živanovića). Po uslovu
konkursa napajanje bi trebalo da bude monofazno, pa je za generisanje trofaznog
sistema napona neophodnog za napajanje ovakvog motora potrebno obezbediti
hardver koji će to omogućiti. Ovakav hardver bi se sastojao iz ispravljačkog kola i
invertora. Za upravljanje invertorom potrebno je posebno upravljačko kolo i
odgovarajuće pomoćno napajnje. Brzina se može zadavati analogno ili digitalno
(pogledati diplomski rad Bore Novakovića). Blok šema opisanog elektromotornog
pogona data je na slici 3.1.
Trofazni asinhroni
motor
Kontrola i napajanjemotora
(Invertor)
Digitalno i analognozadavanje brzine
Monofazno napajanje230V 50Hz
ref
PHASE_A
PHASE_B
PHASE_C
Informacija o brzini obrtanja vratila motora (LED, PDA)
KontrolaZaštite
DrajveriPomoćnonapajaje
Ispravlja ko kolo(DC LINK)
č
Slika 3.1 Blok šema elektromotornog pogona miniDrive
6
4. Elektromotori
Elektromotor je uređaj koji vrši konverziju električne energije u mehaničku
energiju. Prema vrsti napajanja elektromotori se dele na:
1. elektromotore jednosmerne struje
2. elektromotore naizmenične struje.
Elektromotori naizmenične struje imaju niz prednosti u odnosu na elektromotore
jednosmerne struje. Jedna od prednosti elektromotora naizmenične struje je odsustvo
kolektora i četkica, koji inače predstavljaju najveće ograničenje i nedostatak
elektromotora jednosmerne struje, i svih problema koji usled njih nastaju.
Elektromotore naizmenične struje karakterišu manje dimenzije i mase, pa sa tim i niža
cena. Grejanje rotora trofaznog asinhronog motora je, praktično, jedina njegova loša
osobina.
Za realizaciju Single phase adjustable motor drive-a naš tim je za izbor imao
tri trofazna asinhrona motora proizvođača Sever-Subotica, Siemens i ABB i jedan
monofazni prozvođača Chezet. Glavni razlozi za izbor trofaznog asinhronog motora
su niska nabavna cena, jednostavno održavanje, jeftina eksploatacija i mogućnosti
upotrebe u opasnim uslovima (nema varničenja) i industrijskim postrojenjima visoke
čistoće (farmacija).
U ovom poglavlju dat je opis trofaznog asinhronog elektromotora koji
predstavlja osnovnu jedinicu miniDRIVE-a.
7
4.1 Trofazni asinhroni motor
4.1.1 Konstrukcija trofaznog asinhronog (Teslinog) motora
Trofazni asinhroni Teslin motor na svom statoru ima trofazne namotaje koji su
uzrok indukovanja elektromotornih sila u rotoru, tj, imaju ulogu induktora. Svaki
fazni namotaj se sastoji iz redno vezanih namotaja sinusno raspoređenih po obimu
motora. Kod trofaznog asinhronog motora prostorno i vremensko pomeranje namotaja
i struja kroz namotaje je 3
2π . Rotor izrađen od feromagnetskog materijala (gvožđa), u
kome se indukuje elektromotorna sila, tj, indukt, je cilindričnog oblika sa rupama
aksijalno probušenim po obimu cilindra. U rupe se smeštaju provodnici koji se sa
bočnih strana kratko spajaju. Takva jednostavna i jeftina izrada rotora trofaznog
asinhronog motora jeste jedna od njegovih prednosti. Na slici 4.1 prikazan je izgled
trofaznog asinhronog motora.
Slika 4.1: Izgled trofaznog asinhronog motora
8
4.1.2 Jednačine koje opisuju rad trofaznog asinhronog motora
Kada se statorski namotaji trofaznog asinhronog motora priključe na izvor
trofaznog naizmeničnog napona kružne učestanosti Sω , dobija se obrtno polje statora
koje se obrće istom tom kružnom učestanošću. Rotor se tada obrće ugaonom brzinom
Rω , a kroz rotorske namotaje tada protiče naizmenična struja kružne učestanosti Kω ,
pa se fluks rotora obrće u odnosu na rotor kružnom učestanošću Kω .
Da bi se lakše analizirao rad trofaznog asinhronog motora u stacionarnom
stanju potrebno je odrediti zamensku šemu. Da bi se odredila zamenska šema
potrebno je uvesti neke transformacije koje će olakšati analizu sistema, odnosno,
neophodno je prvo sistem predstaviti kao sistem sa dva nezavisna napona. To se može
postići Clarque-ovom transformacijom [4.1, 4.2] koja je grafički prikazana na slici
4.2. Ovakva transformacija trofazne mašine u dvofaznu je opravdana iz razloga što je
svaka struja kod trofazne mašine linearna kombinacija druge dve. Dakle dobili smo
mašinu koja ima dva statorska i dva rotorska namotaja, odnosno, sistem sa dva para
namotaja pomerena za 2π .
Slika 4.2: Princip Carque-ove transformacije
9
Jednačinama (4.1) i (4.2) definisan je princip Clarque-ove transformacije:
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡⋅
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
−
−−⋅=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡
c
b
a
K
iii
Kii
23
230
21
211
β
α …………….............….(4.1)
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡⋅
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
−
−−⋅=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡
c
b
a
K
uuu
Kuu
23
230
21
211
β
α ……………................(4.2)
gde je koeficijent Clarque-ove transformacije. KK
Međutim, data dvofazna mašina jeste jednostavnija za analizu od trofazne, ali
nije dovoljno dobra za pravljenje zamenske šeme motora koja nam je potrebna da bi
mogli da pravimo simulaciju. Kada se sprovede analiza dvofazne mašine u αβ
koordinatnom sistemu, dobija se varijabilna matrica induktivnosti L. Kako bi se dobili
konstantni koeficijenti matrice L, na dati sistem se primenjuje takva transformacija
koja će obezbediti da mašina bude modelovana sa dva para virtuelnih rotorskih i
statorskih namotaja koji u realnosti ne postoje, ali nam omogućuju da imamo
konstantan relativni položaj između dva para namotaja, a samim tim i konstantne
koeficijente u matrici induktivnosti. Ovakva transformacija je opravdana iz razloga
što za ponašanje mašine nije bitno koji par namotaja postoji na statoru i rotoru ukoliko
različiti parovi namotaja rezultuju istim magnetopobudnim silama i poljem u
vazdušnom zazoru. Dakle, za ponašanje mašine nisu bitni namotaji α i β , nije bitno
koliko imaju provodnika, niti kolika im je struja, bitno je samo kolika im je
magnetopobudna sila (proizvod broja zavojaka i struje kroz njih). Iz uslova za istom
magnetopobudnom silom dobija se relacija (4.3):
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡−
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
S
S
TT
TT
q
d
ii
ii
β
α
θθθθ
cossinsincos
...........................................(4.3)
gde je Tθ ugao za koji je pomeren koordinatni sistem dq u odnosu na αβ . Opisana
transformacija je poznata kao Park-ova transformacija [4.1, 4.2].
10
U transformaciji statorskih namotaja na dq koordinatni sistem ugao
transformacije je Sθ , a koordinatni sistem dq rotira u odnosu na fizičke namotaje
brzinom Sω . Kad transformišemo rotorske veličine na dq sistem, on u odnosu na ose
Rα i Rβ napreduje brzinom Kω , pa će se ova brzina pojaviti u jednačinama
naponskog balansa za rotorske namotaje. Kompletan oblik jednačina naponskog
balansa je sledeći:
qSddSd dtdiRu Ψ−Ψ+= ω ...................................................(4.4)
dSqqSq dtdiRu Ψ+Ψ+= ω ....................................................(4.5)
QKDDRD dtdiRu Ψ−Ψ+== ω0 ............................................(4.6)
DKQQRQ dtdiRu Ψ+Ψ+== ω0 ...........................................(4.7)
odakle se dobija:
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⋅
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
=
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
ΨΨΨΨ
Q
D
q
d
R
R
S
S
Q
D
q
d
iiii
LMLM
MLML
0000
0000
.......................................(4.8)
Kako bi sada konačno došli do neke RL mreže, odnosno, do zamenske šeme,
posmatrajmo dati model u stacionarnom stanju, gde jednačine naponskog balansa
glase:
qSdSd iRu Ψ−= ω ................................................................(4.9)
dSqSq iRu Ψ+= ω ...............................................................(4.10)
QKDRD iRu Ψ−== ω0 .......................................................(4.11)
DKQRQ iRu Ψ+== ω0 .......................................................(4.12)
11
odnosno jednačine za fluks:
( )DddSDdSd iiMiLMiiL ++=+=Ψ γ .............................(4.13)
( )QqqSQqSq iiMiLMiiL ++=+=Ψ γ ...............................(4.14)
( )DdDRdDRD iiMiLMiiL ++=+=Ψ γ ............................(4.15)
( )QqQRqQRQ iiMiLMiiL ++=+=Ψ γ ..............................(4.16)
Neka su:
Ddmd iii += .........................................................................(4.17)
Qqmq iii += ..........................................................................(4.18)
(imd i imq su struje magnetizacije),
sređivanjem gornjih jednačina dobijaju se statorski naponi po dq osama dati
jednačinama (4.19 – 4.20):
mqSqSSdSd MiiLiRu ωγω −−= .........................................(4.19)
mdSdSSqSq MiiLiRu ωγω ++= ..........................................(4.20)
Množenjem donje jednačine sa imaginarnom jedinicom “ j ” i njihovim sabiranje
dobija se (4.21):
( ) ( ) ( )mqmdSqdSSqdSqd jiiMjjiiLjjiiRjuu +++++=+ ωγω ........(4.21)
odnosno (4.22),
mdqSdqSSdqSdq iMjiLjiRu ωγω ++= ................................(4.22)
na isti način se rotorske jednačine svode na (4.23):
mDQkDQRkDQR iMjiLjiR ωγω ++=0 ................................(4.23)
12
Na ovaj način se dalja analiza nastavlja u kompleksnom s domenu, gde se sve
kompleksne veličine sastoje iz realne d i imaginarne q komponente. Za dobijanje
zamenske šeme je potrebno još samo rešiti problem postojanja dve različite brzine Sω
i kω , što se jednostavno rešava uvođenjem nove veličine S
kSωω
= , koja se zove
relativno klizanje. Deljenjem rotorske jednačine sa S konačno se dobijaju jednačine
koje daju zamensku šemu za stacionarno stanje:
mDQSDQRSDQR iMjiLji
SR
ωγω ++=0 …………………...(4.24)
mdqSdqSSdqSdq iMjiLjiRu ωγω ++= ……………………(4.25)
Zamenska šema trofaznog asinhronog motora za stacionarno stanje je prikazana na
slici 4.3.
Slika 4. 1: Zamenska šema asinhronog motora
Na bazi date zamenske šeme trofaznog asinhronog motora razvijen je
Simulink model pogona miniDRIVE (videti diplomski rad Blagoja Ušćumlića).
13
4.2 Odabir trofaznog asinhronog motora
4.2.1 Određivanje parametara trofaznog asinhronog motora
U cilju utvrđivanja parametara upravljačkog kola u okviru projekta
miniDRIVE napravljen je Simulink model pogona. Kako bi bilo moguće dobiti bilo
kakve rezultate na osnovu simulacije, neophodno je prethodno odrediti parametre
motora za koji se simulacija vrši. Ti parametri su ustvari parametri zamenske šeme
trofaznog asinhronog motora. Potrebni parametri su određeni eksperimentalnim putem
na način opisan u daljem tekstu.
Prvi deo ispitivanja asinhronih motora je određivanje pomenutih parametara i
upoređivanje sa kataloškim vrednostima. Određivanje parametara je obavljeno na
klasičan način, ogledima praznog hoda i kratkog spoja [4.3]. Ovi ogledi su urađeni po
dva puta na svakom motoru, jedan u hladnom stanju, a drugi kada je motor zagrejan
do radne temperature. Parametri dobijeni sa ova dva ogleda su svakako bili različiti,
naročito kada su u pitanju otpornosti.
Najjednostavniji deo eksperimenta je merenje statorske otpornosti jer se ona
meri direktno unimerom (ommetrom) sa statorskih priključaka i dobija se parametar
. Zatim se prelazi na ogled praznog hoda. Kao što mu i samo ime kaže u ovom
ogledu se ne stavlja nikakvo opterećenje na vratilo motora već on ima kao opterećenje
samo svoj moment inercije koji se može zanemariti. Za ovaj eksperiment je potreban
autotransformator, čiji se napon može podići malo iznad nominalnog napona motora, i
vatmetar za merenje aktivne snage. Aktivna snaga koja se ovde meri je u stvari zbir
gubitaka u mašini i to:
SR
• gubitaka u bakru statora , 203 IRP SCuS ⋅⋅=
• gubitaka u gvožđu , FeP
• mehaničkih gubitaka . fP
Motor se, preko autotransformatora, pušta u rad i za prvu mernu tačku se
uzima napon nešto veći od nominalnog, dakle recimo 400V linijskog napona. Zatim
14
se napon spušta u određenim koracima, od po recimo 20V, do negde ispod polovine
nominalnog. Za svaku vrednost napona se mere vrednosti sledećih veličina:
• vrednost fazne struje praznog hoda fI
• snagu gubitaka gP
Na osnovu izmerenih vrednosti crtaju se krive ( )lf UfI = i . Sa
prvog grafika se dobija vrednost struje praznog hoda za nominalnu vrednost
linijskog napona . Iz ogleda praznog hoda se određuju i parametri otočne grane i
to po formulama (4.26 – 4.28):
( )lg UfP =
0I
0U
00
00 3
cosIU
Pg
⋅⋅=ϕ ..........................................................(4.26)
00 cosϕ⋅= II p ...................................................................(4.27)
220 pm III −= ....................................................................(4.28)
Konačno se dobija:
pm I
UR
⋅=
30 ......................................................................(4.29)
mm I
UX
⋅=
30 .....................................................................(4.30)
Zatim se prelazi na ogled kratkog spoja koji se realizuje tako što se nekako
ukoči rotor motora i zatim lagano podiže napon autotransformatora. Napon se podiže
dok struja ne dostigne nominalnu vrednost, a zatim se lagano smanjuje i meri za još
nekoliko vrednosti struja. Za svaku vrednost struje se meri ulazna snaga i linijski
napon . Pri struji kratkog spoja koja je jednaka nominalnoj dobijaju se vrednosti
snage kratkog spoja i linijskog napona kratkog spoja . Redni parametri se
dobijaju iz formula (4.31 – 4.35):
uP
lU
kP kU
15
23 k
kk I
PR = .............................................................................(4.31)
SkR RRR −= .......................................................................(4.32)
k
kk I
UZ3
= ..........................................................................(4.33)
22kkk RZX −= .................................................................(4.34)
2k
RSX
XX == .................................................................(4.35)
Poslednja formula je ustvari samo aproksimacija, ali je ta aproksimacija
uglavnom dovoljno dobra za većinu primena, a pokazalo se i za ovu.
Dobijene parametre je potrebno normalizovati i od njih napraviti init file koji
omogućava da se korišćenjem Simulink modela simulira ponašanje konkretnog
asinhronog motora (videti diplomski rad Blagoja Ušćumlića).
4.3.2 Upoređivanje karakteristika
Za realizaciju single phase adjustable motor drive-a naš tim je za izbor imao
tri trofazna asinhrona motora proizvođača Sever-Subotica, Siemens i ABB. Glavni
razlozi za izbor trofaznog asinhronog motora su niska nabavna cena, jednostavno
održavanje, jeftina eksploatacija i mogućnosti upotrebe u opasnim uslovima (nema
varničenja) i industrijskim postrojenjima visoke čistoće (farmacija). Ideja je bila
ispitati karakteristike motora, na osnovu kojih je trebalo doneti odluku pomoću kog
trofaznog asinhronog motora realizovati pogon. Upoređujući električne karakteristike
(faktor iskorišćenja, nominalno klizanje, nominalna brzina, nominalna struja), fizičke
karakteristike (masa, zapremina) i cene, izabran je jedan od tri trofazna asinhrona
motora.
Korišćenjem kataloških podataka tri trofazna asinhrona motora [4.4, 4.5, 4.6],
koji su eksperimentalno verifikovani, kao i određivanjem dodatnih parametara tih
motora, na način opisan u predthodnom poglavlju, došlo se do konačnog izbora.
16
U tabeli 4.1 dat je prikaz relevantnih parametara trofaznih asinhronih motora.
Motor A Motor B Motor C
Nominalna snaga [W] 550 550 550 Koeficijent iskorišćenja [%] 69 68 71
Faktor snage [%] 76 78 73 Nominalna struja [A] 1.59 1.32 1.5 Relativno klizanje[%] 8.34 6 6 Masa [Kg] 9.5 10 7.9 Zapremina [l]
Tabela 4.1: Uporedni parametri trofaznih asinhronih motora
Na slici 4.4 je data zavisnost ulazne snage motora od ulaznog linijskog napona
u praznom hodu, na slici 4.5 je data zavisnost ulazne fazne struje od ulaznog linijskog
napona, dok je na slici 4.6 data ista zavisnost, ali u procentima nominalne struje.
Slika 4.4: Zavisnost ulazne snage od ulaznog napona u praznom hodu
17
Slika 4.5: Zavisnost ulazne fazne struje od ulaznog napona u praznom hodu
Slika 4.6: Zavisnost ulazne fazne struje u procentima nominalne struje od ulaznog napona u
praznom hodu
18
Sa slike 4.4 se vidi da je ulazna snaga (snaga gubitaka) pri nominalnom
napajanju u praznom hodu 108W za motor A, 97W za motor B i 68.5W za motor C.
Sa slika 4.5 i 4.6 se vidi da je ulazna struja pri istim uslovima 1.19A, što iznosi oko
75% nominalne struje za motor A, 0.94A odnosno 71% nominalne struje za motor B i
0.89A odnosno 59% nominalne struje za motor C.
Posle upoređivanja parametara navedena tri motora, izveden je zaključak da je
za implementaciju elektromotornog pogona najpogodniji od navedenih motora koji su
bili na raspolaganju motor C (proizvođač ABB serijska oznaka M2VA - 71).
19
4.3 Literatura
[4.1] Slobodan N Vukosavić, Električne Mašine i Postrojenja – skripta za
predavanja, Beograd 2003.
[4.2] Slobodan N Vukosavić, Električna vuča – skripta za predavanja, Beograd
2005.
[4.3] Slobodan N Vukosavić, Uputstvo za laboratorijske vežbe iz električnih
mašina, Beograd 2004.
[4.4] Karakteristike niskonaponskih trofaznih zatvorenih motora sa kaveznim
rotorom, www.sever.co.yu/dow/files/Ad3i12r1.pdf
[4.5] IEC Low Voltage Induction Motors 400 V 50 Hz, http://library.abb.com
[4.6] Electric motors from Siemens, www.sea.siemens.com/motors
20
8. Eksperimentalno podešavanje parametara
kontrolnog algoritma
Od kada su računari postali dovoljno brzi da mogu relativno verodostojno da
prikažu ponašanje fizičkih sistema, simulacije procesa postale su nezaobilazan
postupak u projektovanju sistema poput miniDRIVE-a. Određivanje parametara
kontrolnog algoritma putem simulacije je detaljno obrađeno u diplomskom radu
Blagoja Ušćumlića. U ovom poglavlju objašnjena je potreba eksperimentalnog
utvrđivanja parametara kontrolnog algoritma, realizacija eksperimentalnih setup-a
koji to omogućuju, kao i načini kako se ti parametri eksperimentalnim putem mogu
odrediti, a sve to na primeru pogona miniDRIVE.
8.1 Eksperimentalni setup-i za određivanje parametara
kontrolnog algoritma
Grubom analizom sastavnih delova pretvarača miniDRIVE-a, dolazi se do
zaključka da se u okviru pretvarača nalazi niz elemenata koji su uzrok drugačijeg
ponašanja sistema motor - pretvarač u odnosu na teorijski model sistema. U okviru
pretvarača se nalazi pomoćno napajanje Flyback konvertor (videti diplomski rad Bore
Novakovića) i kolo za popravku faktora snage PFC (videti diplomski rad Ivana
Petruševskog) koji zbog svoje prekidačke prirode unose šumove u sistem. Vrednost
momenta opterećenja i promene brzine obrtanja vratila rotora dobijaju se procenom
(videti diplomski rad Blagoja Ušćumlića) koja se vrši korišćenjem šant otpornika, koji
je kao i svi ostali korišćeni otpornici, promenljiv sa promenom temperature. U okviru
pretvarača se nalazi i mikrokontroler sa realnim AD konvertorima, koji su takođe
nesavršeni.
21
Analizom svega navedenog, lako se zaključuje da parametri kontrolnog
algoritma dobijeni putem simulacije mogu biti korišćeni samo kao polazna osnova za
fino podešavanje ovih parametara.
Iz tog razloga neophodno je osmisliti i realizovati eksperimentalne setup-e na
kojima se mogu precizno podesiti parametri kontrolnog algoritma. Obzirom da je
projekat miniDRIVE rađen u okviru laboratorije za mikroprocesorsko upravljanje
elektromotornim pogonima, na raspolaganju je bila sva oprema pomenute laboratorije.
Uočio sam da aparatura za jednu laboratorijsku vežbu, poznata pod nazivom Vektra,
koja se izvodi u okviru laboratorije, može biti od velike pomoći za eksperimentalno
utvrđivanje parametara kontrolnog algoritma. Međutim, zbog mehaničke konstrukcije,
pomenuta oprema se može koristiti, samo na brzinama obrtanja rotora motora manjim
od 1500 obr/min. Obzirom da je potrebno podešavati parametre za brzine obrtanja do
5000 obr/min, neophodno je bilo da osmisliti još jedan setup za podešavanje
parametara. Iz tih razloga su podešavanja parametara kontrolnog algoritma vršena na
dva eksperimentalna setup-a opisana detaljnije u sledećim poglavljima.
8.1.1 Eksperimentalni setup I
Eksperimentalni setup I je nastao modifikacijom postojeće laboratorijske
stanice za vektorsku kontrolu trofaznog asinhronog motora [8.1]. Pomenuta
laboratorijska stanica u svom sastavu ima strujno regulisani naponski invertor koji
omogućuje zadavanje vektora statorske struje Si potrebne amplitude i prostorne
orjentacije, PC računar sa sistemom (enkoderom) za merenje položaja osovine rotora
Rθ i brzine obrtanja rotora Rω i DA konvertore pomoću kojih PC zadaje referentnu
vrednost struje Si .
Laboratorijska stanica omogućava upravljanje motorom, čija se brzina meri
inkrementalnim optičkim enkoderom, a statorska struja reguliše analognim strujnim
regulatorom pomoću strujno regulisanog naponskog invertora. Dakle, pomoću
opisane laboratorijske stanice može se regulisati pozicija, brzina obrtanja trofaznog
asinhronog motora ili direktno zadavati željeni elektromagnetni moment koji se
ostvaruje na osovini rotora.
22
Modifikacija postojeće laboratorijske stanice predstavlja eksperimentalni setup
I i šematski je prikazana na slici 8.1.
Slika 8.1: Šematski prikaz eksperimentalnog setup-a I
Eksperimentalni setup I se sastoji od miniDRIVE prototipa (integrisani trofazni
asinhroni motor i pretvarač koji omogućuje monofazno napajanje i kontrolu brzine
obrtanja) na čiji je rotor čvrstom vezom spojen rotor trofaznog asinhronog motora,
koji se nalazi u sastavu opisane laboratorijske stanice, a koji se koristi kao
opterećenje. Kako software laboratorijske stanice omogućuje direktno zadavanje q
komponente statorske struje koja je direktno proporcionalna momentu, jasno je da je
jako jednostavno ostvarivanje željenog kočionog momenta na vratilu pogona
miniDRIVE. Procedura podešavanja parametara kontrolnog algoritma se realizuje na
sledeći način:
• Prvo se zada referentna brzina obrtanja rotora miniDRIVE prototipa, na kojoj
se vrši podešavanje,
• Zatim se zada moment opterećenja na vratilu rotora miniDRIVE-a preko q
komponente struje statora opteretnog asinhronog motora preko sledeće
formule 12.5
114⋅= kocq Mi
• Pošto je opteretni motor kontrolisan vektorskom stanicom razvio željeni
moment opterećenja, očitava se brzina i izvode se zaključci o daljem
podešavanju parametara kontrolnog algoritma, što će biti detaljnije objašnjeno
u poglavlju 8.2.
23
Vrednost q komponente struje statora opteretnog motora koja je
proporcionalna momentu opterećenja i brzina obrtanja se pomoću eksperimentalnog
setup-a memorišu u dat file i mogu se koristiti u daljoj analizi.
Obzirom da je navedeni setup zbog svojih mehaničkih karakteristika moguće
koristiti samo za brzine obrtanja manje od 1500 obr/min, a da je miniDRIVE potrebno
podesiti za rad sa brzinama do 5000 obr/min, neophodno je bilo osmisliti i razviti
eksperimentalni setup II.
8.1.2 Eksperimentalni setup II
Eksperimentalni setup II je nastao iz potrebe da se vrši testiranje pogona i
podešavanje parametara kontrolnog algoritma na brzinama obrtanja većim od 1500
obr/min. Za rešavanje postojećeg problema trebalo je naći način na koji se vratilo
rotora pogona miniDRIVE-a može opterećivati snagama do 250W na pomenutim
brzinama. Obzirom da sam rešenje tražio među postojećom opremom koja se nalazi u
sastavu laboratorije za mikroprocesorsko upravljanje, nastao je baš takav setup kakav
je šematski prikazan na slici 8.2.
Slika 8.2: Šematski prikaz eksperimentalnog setup-a II
24
Eksperimentalni setup II se sastoji od miniDRIVE prototipa (integrisani
trofazni asinhroni motor i pretvarač koji omogućuje monofazno napajanje i kontrolu
brzine obrtanja) na čiji je rotor čvrstom vezom spojen rotor BLDC (Brushless DC)
motora koji se koristi kao opterećenje. Na statorske priključke BLDC-a, priključen je
trofazni grec na čiji je izlaz priključen promenljivi otpornik (reostat) koji omogućuje
precizno podešavanje snage opterećenja na vratilu rotora pogona miniDRIVE. U
sastav eksperimentalnog setup-a II ulazi i digitalni osciloskop sa strujnom i
naponskom sondom koji je preko kola za galvansko razdvajanje vezan na serijski port
PC računara. O ulozi digitalnog osciloskopa i PC računara će biti više reči kasnije u
toku ovog teksta. Brzina obrtanja rotora merena je ručno digitalni tahometrom.
U opisanoj konfiguraciji, neophodno je pouzdano znati snagu opterećenja koja
se razvija na vratilu rotora pogona miniDRIVE pri svim brzinama, pa će u tekstu koji
sledi biti nešto više objašnjenja po pitanju određivanja te snage.
Kao što je već objašnjeno, vratilo rotora pogona miniDRIVE mehanički je
spojeno sa vratilom rotora BLDC-a (Brushless motor). BLDC omogućuje kočenje
pogona miniDRIVE, a kontrola kočenja se obavlja promenom opterećenja (omskog)
BLDC-a. Naime, BLDC se pogoni miniDRIVE-om i radi u generatorskom režimu
rada, pa na svojim statorskim priključcima ima vezan trofazni grec na čijem je izlazu
vezan promenljivi potrošač, kojim se menja snaga opterećivanja miniDRIVE. Stoga se
ima da je snaga opterećenja miniDRIVE-a, dakle, snaga na rotoru BLDC-a, koja je
ujedno i ulazna snaga tog sinhro-generatora data izrazom (8.1):
( )..... gubmehFeGRECgubstatJAMkoc PPPPPP ++++= ...................(8.1)
gde je:
JP Džulovi gubici, odnosno snaga opterećenja BLDC-a potrošačem, koja je data sa
(8.2):
potrpotrpotrpotrJ IUIRP ⋅=⋅= 2 ...............................................(8.2)
GRECP snaga koja se disipira na trofaznom grecu [8.2],
statgubP gubici u statoru BLDC-a, koji su dati sa (8.3):
25
22 33 potrstatstatstatstatgub IRIRP ⋅⋅=⋅⋅= ..................................(8.3)
gde je Rstat otpornost statorskih namotaja, koja se može jako lako izmeriti običnim
unimerom. Treba primetiti da u izrazu za snagu kočenja pogona miniDRIVE, nema
snage gubitaka u rotoru BLDC-a, a to je iz razloga što je rotor Brushless motora sa
permanentnim magnetima, pa gubitaka u rotoru nema.
Kako bi u potpunosti bila poznata snaga kočenja, potrebno je još poznavati veličinu
datu izrazom (8.4): dP
mehgubFed PPP += ....................................................(8.4)
Veličina , koju nazivamo dodatni gubici, jednaka je zbiru gubitaka u gvožđu i
mehaničkih gubitaka. Tu veličinu nije tako jednostavno odrediti, pa je zato prilikom
određivanja ukupne snage opterećenja korišćena procena dodatnih gubitaka. Za tu
procenu bilo je potrebno izvršiti neka dodatna merenja, ali pre toga treba razmotriti
izraz za snagu kočenja pogona miniDRIVE u sledećem slučaju:
dP
Ako je omski potrošač bekonačno velike otpornosti, odnosno, ako su statorski
priključci BLDC-a otvoreni, tada su struja potrošača, struja trofaznog greca i struja
statora, jednake nuli, pa je takođe, snaga Džulovih gubitaka, snaga disipacije na grecu,
kao i snaga statorskih gubitaka jednaka nuli. Očigledno je, da je u tom slučaju pogon
miniDRIVE opterećen samo takozvanim dodatnim gubicima. Ta činjenica se može
iskoristiti za procenu tih gubitaka, i to tako što treba snimiti krivu zavisnosti ulazne
snage miniDRIVE-a od brzine obrtanja mašina pri opterećenju BLDC-om kada nema
struje potrošača, kao i istu krivu zavisnosti ulazne snage miniDRIVE-a od brzine
obrtanja u praznom hodu, tj kada je BLDC odvojen. Poređenjem, odnosno,
oduzimanjem tih dveju krivih može se proceniti snaga Pd pri brzini od interesa.
Na opisani način, eksperimentalnim putem, snimljene su navedene dve krive
zavisnosti ulazne snage u funkciji brzine obrtanja. Posebna pažnja, pri snimanju,
pomenutih zavisnosti, posvećena je brzinama koje su od većeg značaja po uslovima
konkursa, a to su 150 obr/min, 450 obr/min, 1500 obr/min, 2500 obr/min i 5000
obr/min. Oduzimanjem dobijenih rezultata, dobijena je zavisnost snage dodatnih
26
gubitaka (gubici u gvožđu plus mehanički gubici) BLDC-a od brzine obrtanja. Na slici
8.3 prikazana je navedena zavisnost.
Slika 8.3: Kriva zavisnosti zbira gubitaka u gvožđu i mehaničkih gubitaka od brzine obrtanja BLDC mašine
27
Ako se sada vratimo na izraz za ukupnu snagu opterećenja, vidimo da u tom
izrazu figuriše i snaga disipacije na trofaznom grecu. Zavisnost snage disipacije na
trofaznom grecu [8.2] od struje izlaza greca je po kataloškim vrednostima prikazana
na slici 8.4.
Slika 8.4: Zavisnost snage disipacije od izlazne struje trofaznog greca
Ukupna snaga opterećenja na vratilu rotora miniDRIVE-a jednaka je zbiru više
veličina čije su promene nelinearne funkcije. Dodatni gubici (gubici u gvožđu plus
mehanički gubici) su nelinearna funkcija brzine obrtanja, gubici usled disipacije na
trofaznom grecu su nelinearna funkcija izlazne struje, struja potrošača i struja statora
su usled postojanja trofaznog greca u kolu nelinearne funkcije vremena i ne mogu se
jednostavno izmeriti ampermetrom. Zbog svega toga, javila se potreba za razvijanjem
programa na PC računaru koji omogućava merenje ukupne snage opterećenja.
Navedeni program, razvijen u MatLab okruženju, preko komunikacije sa digitalnim
osciloskopom, koju ostvaruje preko serijskog porta, automatski čita odbirke u
vremenu napona na statoru, struje statora i struje potrošača. Zatim, po unošenju
vrednosti brzine, preko tastature, koja se meri digitalnim tahometrom, sračunava
pojedinačne komponente snage opterećenja na vratilu rotora miniDRIVE-a i ispisuje
28
na ekranu PC računara vrednosti pojedinačnih komponenti opterećenja kao i ukupno
opterećenje. Vrednosti Džulovih gubitaka na opteretnom promenljivom otporniku i
statorskih gubitaka, dobijaju se usrednjavanjem u vremenu, dok se gubici na
trofaznom grecu i dodatni gubici (gubici u gvožđu plus mehanički gubici) dobijaju na
osnovu unapred snimljenih zavisnosti.
Na slici 8.5 dat je primer prozora u MatLab okruženju, koji je nastao po
startovanju programa za merenje ukupnog operećenja.
Slika 8.5: Izgled ekrana PC računara pri radu programa za izračunavanje snage opterećenja
Prilikom podešavanja parametara kontrolnog algoritma za brzine obrtanja
manje od 1500 obr/min, pogon miniDRIVE trebalo je opteretiti snagama do 500W.
Obzirom da je eksperimentalni setup II zbog tehničkih karakteristika opteretnog
BLDC motora mogao da razvije opterećenja do 250 W, za brzine ispod 1500 obr/min
korišćen je eksperimentalni setup I.
29
8.1.2.1 Komunikacija PC računara sa digitalnim osciloskopom
Digitalni osciloskop [8.3], koji je sastavni deo eksperimentalnog setup-a II,
proizvođača GoldStar (LG), imao je software za komunikaciju sa PC računarom.
Nažalost, dati software nije pružao nikakve mogućnosti korisniku za obradu podataka
snimljenih osciloskopom, već je omogućavao samo dobijanje foto izgleda ekrana
osciloskopa na PC računaru. Da bi se realizovao program u MatLab okruženju koji će
sračunavati ukupnu snagu opterećenja, potrebno je bilo prvo osmisliti način da se
veličine snimljene sondom osciloskopa, importuju u MatLab program u obliku
vektora pogodnog za dalju obradu. To je realizovano tako što je napravljen program u
MatLab okruženju koji direktno čita podatke sa digitalnog osciloskopa preko
serijskog porta. Za realizaciju tog programa bilo je neophodno saznati poruke koje
treba da razmenjuju PC računar i digitalni osciloskop, preko serijske veze, kako bi se
pročitali podaci. Te poruke su određene tako što su posmatrane poruke koje se
pojavljuju na linijama Tx i Rx serijskog porta računara kada originalni software
osciloskopa komunicira sa digitalnim osciloskopom. Zatim su te poruke
implementirane u program pod MatLab okruženjem i na taj način je ostvareno
automatsko očitavanje veličina merenih sondama osciloskopa.
30
8.2 Fino podešavanje parametara kontrolnog algoritma
U prethodnom poglavlju su opisani eksperimentalni setup-i korišćeni prilikom
podešavanja parametara kontrolnog algoritma [8.4]. U ovom poglavlju biće opisan
postupak "doterivanja" parametara kontrolnog algoritma do željene tačnosti.
Treba prvenstveno napomenuti da parametri kontrolnog algoritma dobijeni
simulacijom predstavljaju dobru polaznu osnovu za konačno podešavanje. Iz tog
razloga se prvo pogon isprogramira sa tim vrednostima parametara i onda se krene u
podešavanje. Obzirom da je ceo opseg brzina podeljen na 33 opsega (diplomski rad
Blagoja Ušćumlića), parametre ima smisla podešavati samo u tim opsezima.
Podešavanja parametara su rađena na sredini svakog opsega, osim ako se u tom
opsegu nalazila neka od brzina od posebnog značaja po uslovima konkursa, a to su
150 obr/min, 450 obr/min, 1500 obr/min, 2500 obr/min i 5000 obr/min, kada su
podešavanja rađena baš na tim vrednostima brzina. Sam postupak podešavanja
parametara kontrolnog algoritma se sastoji iz sledećeg:
• Pogon miniDRIVE se nalazi u okviru jednog od eksperimentalnih setup-a u
zavisnosti od brzine na kojoj se vrši podešavanje i zadaje mu se referenca
brzine;
• Zatim se korišćenjem setup-a optereti vratilo rotora određenom snagom,
odnosno momentom, prema zahtevima konkursa i posmatra se ponašanje
pogona po pitanju promene brzine obrtanja;
• Na osnovu kvantitativne promene brzine obrtanja procenjuje se koliko
treba promeniti postojeće parametre kontrolnog algoritma, kako bi se
promena brzine neutralisala;
• Zatim se preprogramiraju parametri kontrolnog algoritma i ceo postupak
ponavlja do postizanja željene preciznosti.
Obzirom da je opseg brzina obrtanja rotora pogona miniDRIVE podeljen na
diskretne opsege kojih ima konačan broj, program mikrokontrolera vrši interpolaciju
parametara kontrolnog algoritma (videti diplomski rad Aleksandra Živkovića) kako ne
bi došlo do skokovitih promena brzine pri prelasku iz jednog opsega u drugi. Iz tog
razloga su parametri dobijeni u postupku eksperimentalnog podešavanja, dodatno
31
podešavani kako bi se i prilikom interpolacije održalo željeno ponašanje pogona. Ta
dodatna podešavanja su vršena tako što je napravljen program u MatLab okruženju
koji je simulirao interpolaciju koju vrši mikrokontroler, i onda su parametri
podešavani tako da posle interpolacije kriva parametara prolazi kroz željene tačke,
posebno na, već pomenutim, brzinama od većeg značaja. Rezultati opisane procedure
su prikazani na slici 8.6.
Slika 8.6: Izgled interpolisane krive parametara kontrolnog algoritma
Dodatnim podešavanjima parametara kontrolnog algoritma teži se da vrednosti
parametara nastalih interpolacijom prolaze kroz tačke određene eksperimentalnim
putem.
32
8.3 Literatura
[8.1] Slobodan N Vukosavić, Uputstvo za upotrebu laboratorijske stanice za
mikroprocesorsko upravljanje elektromotornim pogonima, Beograd 2003.
[8.2] International Rectifier, 26MT80 datasheet, www.irf.com
[8.3] LG GoldStar digital oscilloscope, User Manual
[8.4] Slobodan N Vukosavić, Mikroprocesorsko Upravljanje Elektromotornim
Pogonima – skripta za predavanja, Beograd 2004
33
9. Rezultati testiranja pogona U ovom poglavlju su dati rezultati testiranja integrisanog pogona miniDRIVE
podeljeni u dve grupe. Prvu grupu rezultata čine rezultati testova rađenih u
Laboratoriji za Mikroprocesorsko upravljanje elektromotornim pogonima,
Elektrotehničkog fakulteta u Beogradu. Drugu grupu čine rezultati testova ređenih od
strane komisije finalnog takmičenja International Future Energy Challenge u
organizaciji IEEE-a u laboratoriji firme MPC Pruduct u Chicago-u, USA.
34
9.1 Rezultati testova rađenih u Laboratoriji za Mikroprocesorsko
upravljanje elektromotornim pogonima
Na narednim slikama su prikazani rezultati testova rađenih u Laboratoriji za
Mikroprocesorsko upravljanje elektromotornim pogonima na eksperimentalnim setup-
ima opisanim u prethodnom poglavlju.
Na slici 9.1 prikazano je ponašanje pogona miniDRIVE pri promeni
opterećenja od 0 Nm do 0.318 Nm pri brzini od 150 obr/min. Varijacije brzine koje su
primetne na grafiku su posledica netačnosti merenja enkodera pri malih brzina.
Slika 9.1: Test pogona na brzini od 150 obr/min i opterećenju od 0.318 Nm
35
Na slici 9.2 prikazano je ponašanje pogona miniDRIVE pri promeni
opterećenja od 0 Nm do 1 Nm pri brzini od 450 obr/min.
Slika 9.2: Test pogona na brzini od 450 obr/min i opterećenju od 1 Nm
Na slici 9.3 prikazano je ponašanje pogona miniDRIVE pri promeni
opterećenja od 0 Nm do 0.318 Nm (150 W) pri brzini od 1500 obr/min.
Slika 9.3: Test pogona na brzini od 1500 obr/min i opterećenju od 0.318Nm
36
Na slici 9.4 prikazano je ponašanje pogona miniDRIVE pri promeni
opterećenja od 0 Nm do 1.06 Nm (150 W) pri brzini od 1500 obr/min.
Slika 9.4: Test pogona na brzini od 1500 obr/min i opterećenju od 150 W
Na slici 9.4 prikazano je ponašanje pogona miniDRIVE pri promeni
opterećenja od 0 Nm do 1.59 Nm (250 W) pri brzini od 1500 obr/min.
Slika 9.5: Test pogona na brzini od 1500 obr/min i opterećenju od 250 W
37
Na slici 9.6 prikazano je ponašanje pogona miniDRIVE pri promeni
opterećenja od 0 Nm do 2.226 Nm (350 W) pri brzini od 1500 obr/min.
Slika 9.6: Test pogona na brzini od 1500 obr/min i opterećenju od 350 W
Na slici 9.7 prikazano je ponašanje pogona miniDRIVE pri promeni opterećenja
od 0 Nm do 2.703 Nm (425 W) pri brzini od 1500 obr/min.
Slika 9.7: Test pogona na brzini od 1500 obr/min i opterećenju od 425 W
38
Sledeći spisak predstavlja rezultate testova rađenih na brzinama obrtanja
većim od 1500 obr/min, dakle na eksperimentalnom setup-u II.
1. Referenca brzine miniDrive-a je postavljena na 2500 obr/min, a izmerena
snaga opterećenja je 231 W, što prouzrokuje brzinu obrtanja rotora od
2494 obr/min (0.24% greške).
2. Referenca brzine miniDrive-a je postavljena na 3500 obr/min, a izmerena
snaga opterećenja je 172 W, što prouzrokuje brzinu obrtanja rotora od
3460 obr/min (1.14% greške).
3. Referenca brzine miniDrive-a je postavljena na 4500 obr/min, a izmerena
snaga opterećenja je 103 W, što prouzrokuje brzinu obrtanja rotora od
4420 obr/min (1.8% greške).
4. Referenca brzine miniDrive-a je postavljena na 5000 obr/min, a izmerena
snaga opterećenja je 79 W, što prouzrokuje brzinu obrtanja rotora od 4880
obr/min (2.4% greške).
5. Referenca brzine miniDrive-a je postavljena na 5000 obr/min, a izmerena
snaga opterećenja je 165 W, što prouzrokuje brzinu obrtanja rotora od
4817 obr/min (3.66% greške).
39
Na slici 9.8 prikazana je promena struje DC linka pri step promeni opterećenja
od 0 W do 250 W pri brzini od 1500 obr/min.
Slika 9.8: Promena struje DC linka pri promeni opterećenja
U tabeli 9.1 prikazani su rezultati merenja koeficijenta korisnog dejsta pogona
miniDRIVE pri različitim brzinama obrtanja rotora.
Brzina rotora
[obr/min] Ulazna snaga [W] Snaga opterećenja
[W] Koeficijent korisnog
dejstva (η) [%] 4593 340 195 57.5 2495 272 200 73.4 1500 159 83 52
Tabela 9.1: Koeficijent korisnog dejstva pri različitim brzinama
40
41
9.2 Rezultati testova rađenih u finalu takmičenja International
Future Energy Challenge
U narednoj tabeli su prikazani rezultati testova rađenih u Laboratoriji firme
MPC Product u Chicago-u, USA. Testiranje pogona je sprovela komisija finalnog
takmičenja International Future Energy Challenge u organizaciji IEEE-a. Na slici 9.9
prikazani su grafici merenja polazne (In-rush) struje pogona miniDRIVE.
Tim: Elektrotehnički fakultet, Univerziteta u Beogradu, Srbija Ukupna težina: 21.3 lbs / 9.6615 kg
ULAZ IZLAZ TEMPERATURA
Test Komandni
napon [V]
Moment opterećenja
[Nm]
Napon[V]
Struja[A]
Aktivna snaga P
[ W]
Faktor snage
[cosϕ ]
Prividna snaga S
[W]
Brzina [obr/min
]
Moment [Nm]
Snaga opterećen
ja [W]
Koeficijent korisnog dejstva
[%]
Ambijent [°C] Motor [°C]
Potrošnja u stand-by režimu,
prekidač isključen
Nije priključen Neopterećen 245.3 0 0 0 0 N/A N/A N/A 22.1 23.2
Potrošnja u stand-by režimu,
prekidač uključen
Nije priključen Neopterećen 243.7 0.1 5 0.3 20 N/A N/A N/A
Polazna (in-rush) struja, prekidač
uključen
Nije priključen Neopterećen Rezultat je prikazan na grafiku na slici 9.9 23.3
Polazna (in-rush) struja, pogon
uključen 2 Neopterećen Rezultat je prikazan na grafiku na slici 9.9
2 Neopterećen 242.6 0.379 60 0.655 91.6 992.2
4 Neopterećen 242.8 0.37 57 0.64 90.1 1972
6 Neopterećen 242.8 0.395 63 0.651 95.6 3010
8 Neopterećen 242.7 0.457 78.7 0.71 110 3974 23
Provera kontrolnog signala za
zadavanje brzine
10 Neopterećen 242.2 0.55 104 0.773 134 4986 23
Test sa opterećenjem 50 W, 1500 obr/min
3 0.32 242 0.56 105 0.777 136 1525 0.32 51.91 48.670
42
ULAZ IZLAZ TEMPERATURA
Test Komandn
i napon [V]
Moment opterećenj
a [Nm]
Napon[V]
Struja[A]
Aktivna snaga P
[ W]
Faktor snage
[cosϕ ]
Prividna snaga S
[W]
Brzina [obr/mi
n]
Moment [Nm]
Snaga opterećenj
a [W]
Koeficijent korisnog dejstva
[%]
Ambijent [°C] Motor [°C]
Test sa opterećenjem 200 W, 1500 obr/min
3 1.27 239.5 1.217 289 0.992 291 1520 1.27 202.15 69.948 23.8
Test sa opterećenjem 350 W, 1500 obr/min
3 2.23 235.9 2.268 531 0.993 535 1472 2.23 343.75 64.736
Test sa opterećenjem 400 W, 1500 obr/min
3 2.7 232.8 3.195 740 0.994 (ind) 745.6 1427 2.7 403.47 54.524 27.2
0.3 --> 2.55 102 0.86 5.43 Test pri malim brzinama:
povećavanje brzine od 150 do 1500 obr/min -
2.55Nm
-->3 2.55 1488 0.58 90
3 0.32 --> 242.3 0.55 109 0.786 138 1470 0.315 48.49 44.486 28.1 Step opterećenje sa
50 W na 350 W 3 --> 2.55 235 2.705 632 0.9936 (ind) 635 1414 2.56 379.1 59.984 28.4
3 1.27 241.4 1.172 280.6 0.991 (cap) 283 1455 1.27 193.5 68.959 21.0 28 Test pri velikim
brzinama: povećavanje
brzine od 1500 do 5000 obr/min -
500 W
10 0.38 240.9 1.341 319.8 0.992 (cap) 283 4771 0.39 194.85 60.929 27.5
5000 obr/min pri 50 W 10 0.18 241.8 0.774 160 0.854 185 4925 0.18 92.83 58.019 27.6
150 obr/min pri 0.318 Nm 0.3 0.32 244.01 0.274 36.27 0.548
(cap) 66.25 133 0.315 4.39 12.104
43
ULAZ IZLAZ TEMPERATURA
Test Komandn
i napon [V]
Moment opterećenj
a [Nm]
Napon[V]
Struja[A]
Aktivna snaga P
[ W]
Faktor snage
[cosϕ ]
Prividna snaga S
[W]
Brzina [obr/mi
n]
Moment [Nm]
Snaga opterećenj
a [W]
Koeficijent korisnog dejstva
[%]
Ambijent [°C] Motor [°C]
2500 obr/min pri 200 W 5 0.764 240.2 1.186 281.7 0.992 284 2502 0.77 201.75 71.619 27.6
450 obr/min pri 1Nm 0.9 1 242.8 0.507 92.6 0.753 123 410 0.99 42.51 45.902 28.2
Merenje nivoa buke 3 2.55 1417 obr/min -- 63 dB pri 368 W (na stolu) -- 72 dB pri 374 W (iznad stola) 31.5
Privremeno ukljanjanje
kontrolnog napona Uklonjen 2.55 1407 obr/min -- 374.4 W – nije bilo problema, motor se zaustavio pri uklanjanju
kontrolnog napona i ponovo pokrenuo pri ponovnom priključivanju
Privremeno ukljanjanje napajanja
3 2.55 1415 obr/min -- 381 W -- nije bilo problema, motor se zaustavio pri uklanjanju napajanja i ponovo pokrenuo pri ponovnom priključivanju
Test rada pogona bez hlađenja 5
minuta 3 2.55 1404 2.565 377.12 21.3
34.1 na početku, 41.0
na kraju Test sa blokiranim
rotorom 3 rotor blokiran Rotor je bio blokiran 30 sekundi. Ništa se nije desilo. Pogon je prošao test.
Električne smetnje - FCC Class A 3 2.55 Pogon je ispunio kriterijume za FCC Class A 1442 2.55 385.06
Test izdržljivosti: konstantan rad 2
sata 2 opterećenje
ventilatora Pogon je ispravno radio dva sata.
Tabela 9.2: Rezultati testiranja sprovedeni u okviru finalnog takmičenja
44
45
Slika 9.9: Polazna (in-rush) struja pogona
10. Prilozi
46
10.1 Zahtevi konkursa
Design Concept/Function
Minimum Target Requirement
1. Manufacturing cost No more than US$40 when scaled to high-volume production (approximately 1 million units/year).
2. Complete package size
A convenient shape with volume less than 4 L. (Motor maximum dimensions are given below.)
3. Complete package weight
Mass less than 8 kg for the complete system.
4. Output power capability and speed range
500 W continuous shaft output power at a nominal speed of 1500 RPM, and also at higher speeds up to 5000 RPM. Continuous output torque of at least 3.18 N-m at speeds from 150 RPM to 1500 RPM.
5. Input source Single-phase source at 50 Hz or 60 Hz. Teams may select either to design for nominal 120 V at these frequencies or for nominal 240 V at these frequencies.
6. Overall energy efficiency
Higher than 70% for shaft loads ranging from 50 W to 500 W. Efficiency will be tested at a nominal speed of 1500 RPM and also for the entire speed range from 150 RPM to 5000 RPM.
7. Power factor Power factor measured at the electrical input should be at least 80% when tested under a 500 W shaft load at 1500 RPM. Current waveform should conform to requirements in IEC1000-3-2 standards.
8. Safety The system is intended for safe use in a home appliance or household HVAC system.
9. Speed control Speed is to be controlled from start to the full 5000 RPM with a linear 0-10 V analog signal, referenced to the unit case. Except for starting, no testing will be performed below 150 RPM.
9. Speed regulation and accuracy
The actual operating speed should remain within ±5% of the voltage command setting (2 V/1000 RPM) from no-load to full-load.
10. Acoustic noise Low noise. Less than 50 dBA sound level measured 0.5 m from the unit.
11. Electrical noise Able to meet FCC Class A—industrial requirements for conducted and radiated EMI.
12. Protection Self-protection against continuous stall conditions, over temperature, or loss of input source with no damage caused by any of these (up to the maximum storage temperature).
13. Environment Open drip proof motor construction is acceptable. Ambient temperature -20°C to +40°C. Suitable for indoor or outdoor domestic applications.
14. Lifetime The system should function for at least ten years with no maintenance needs when subjected to normal use in a 20°C to 30°C ambient environment.
15. Technical report Design, simulation, experiment results, lifetime analysis, and cost study.
47
Additional Hardware Specifications
1. Inrush and starting current
Operating current shall not exceed 150% of the nominal full-load current under any conditions, including power-on inrush and motor starts.
2. Phases and motor phasing
The input power source is single phase. There are no restrictions on the motor technology or motor phase count as long as the system operates from single-phase power.
3. Motor dimensions The motor itself must be no larger than NEMA Frame Size #48. Radius from shaft center to mounting points not to exceed three inches or 76.2 mm. Overall length (not including shaft extension) not to exceed 7.75 inches or 197 mm.
4. Coupling and mount
Motor is to be provided with a footed or cradle mount with base holes corresponding to NEMA Frame #48 (width spacing 108 mm or 4.25 in, length spacing 70 mm or 2.75 in), located 76.2 mm (3 in) below the shaft center. Motor shaft diameter is to be 0.50 in (12.7 mm), or the team can provide a suitable adapter to achieve this diameter. The shaft should extend at least 38 mm beyond the motor case.
5. Safety The final rules will contain detailed safety information. No live electrical elements are to be exposed when the system is fully configured.
6. Connection The complete unit is to be provided with an IEC 320 input connection, with a clear label stating the voltage requirement.
7. Storage temperature range
-20 to 60°C
8. Bearings Any choice of bearings is acceptable, provided no lubrication or maintenance will be needed during a ten-year normal duty operating life.
9. Handling The unit must be robust enough for normal handling by a technician with no special training.
10. Shipping environment
Can be shipped by conventional air freight or truck freight.
11. Displays and data No displays or data capability are required, although a digital display of running speed is encouraged. A control dial with markings is required, as stated above.
12. Command signal Access to the speed control voltage signal is to be provided either through a conventional BNC jack or a pair of screw terminals. The input should be protected against accidental polarity reversal. The speed must return to zero if no signal is connected.
13. Switch The unit must include an on/off switch. When the switch is off, the input power must not exceed 1 W.
48
Prototype Test Considerations
1. Inspections All prototypes of approved Finalist teams must pass safety inspection prior to operation. All prototypes must function correctly during a 15-minute initial operation check before proceeding.
2. Test energy source: voltage
Prototypes will be tested with available power consistent with the selected voltage rating. Either 50 Hz or 60 Hz may be used.
3. Test duration An automated load sequencing operation will be tested for up to 24 hr continuous.
4. Typical operation tests
Tests for steady-state performance, protection, robustness to stalls, acoustic noise, electromagnetic noise may be conducted.
5. Source interface tests
Tests for transient loads may be conducted, within the allowed torque, speed, and power range.
49
10.3 MatLab kod
Kod programa razvijenog u MatLab okruženju koji omogućuje komunikaciju
digitalnog osciloskopa i PC računara, automatsko očitavanje veličina snimljenih
sondom osciloskopa i izračunavanje ukupne snage opterećenja:
close all clear all clc s=serial('COM2','BaudRate',4800); s.timeout=20; s.InputBufferSize=1024*8; A1=[83 49 13]; B1=[82 49 40 48 48 48 48 44 49 48 48 48 44 66 41 13]; C1=[82 111 40 49 41 13]; fopen(s); %%%%%%%%%%%Snimanje napona sa eksternog otpornika%%%%%%%%%%%%% disp('postavi naponsku sondu na EKSTERNI otpornik i pritisni enter'); pause; fwrite(s,A1,'int8'); A2=fread(s,2,'uint8'); zakasnjenje1=clock; zakasnjenje=zakasnjenje1; while zakasnjenje-zakasnjenje1<1 zakasnjenje=clock; end fwrite(s,B1,'int8'); B2=fread(s,1015,'uint8'); fwrite(s,C1,'int8'); C2=fread(s,66,'uint8'); Ur1=B2(15:1014); Ur1=Ur1'; V=input('korak naponske ose= '); T=input('korak vremenske ose u sekundama= '); korak=T/100; t=korak:korak:1000*korak;
Uotpornik=(-4*V+8*V*Ur1/256)*4/3; figure(1) plot(t,Uotpornik) if max(Uotpornik)>0 ymax=1.1*max(Uotpornik); else ymax=0.9*max(Uotpornik); end if min(Uotpornik)<0 ymin=1.1*min(Uotpornik); else ymin=0.9*min(Uotpornik); end grid on axis([0 max(t) ymin ymax]) %%%%%%%%%%%Snimanje struje otpornika%%%%%%%%%%%%% disp('postavi strujnu sondu na prikljucak EKSTERNOG otpornika i pritisni enter'); pause; fwrite(s,A1,'int8'); A2=fread(s,2,'uint8'); zakasnjenje1=clock; zakasnjenje=zakasnjenje1; while zakasnjenje-zakasnjenje1<1 zakasnjenje=clock; end fwrite(s,B1,'int8'); B2=fread(s,1015,'uint8'); fwrite(s,C1,'int8'); C2=fread(s,66,'uint8'); Igrec1=B2(15:1014); Iotpornik=Igrec1'; I=input('korak strujne ose= '); %T=input('korak vremenske ose u sekundama= '); korak=T/100;
50
end %t=korak:korak:1000*korak; if min(Istat)<0 Iotpornik=(-4*I+8*I*Igrec1/256)*4/3; ymin=1.1*min(Istat); else figure(2) ymin=0.9*min(Istat); plot(t,Iotpornik) end if max(Iotpornik)>0 grid on ymax=1.1*max(Iotpornik); axis([0 max(t) ymin ymax]) else ymax=0.9*max(Iotpornik); end Prsum=0; if min(Iotpornik)<0 Pstatsum=0; ymin=1.1*min(Iotpornik); Iotporniksum=0; else ymin=0.9*min(Iotpornik); pr=Uotpornik.*Iotpornik; end for i=1:length(pr) grid on Prsum=Prsum+pr(i)*korak; axis([0 max(t) ymin ymax]) end; Potpornik=Prsum/max(t); %%%%%%%%%%%Snimanje struje
statora BLDC-a %%%%%%%%%%%%% pstat=1.5*Rstatmereno*Istat.^2; for i=1:length(pstat) disp('postavi strujnu sondu na statorski
prikljucak i pritisni enter'); Pstatsum=Pstatsum+pstat(i)*korak; end; pause; Pstat=Pstatsum/max(t); fwrite(s,A1,'int8'); brzina=input('brzina rotora= '); A2=fread(s,2,'uint8'); j=1; for i=1:length(n_t1) zakasnjenje1=clock; if n_t1(i)<brzina zakasnjenje=zakasnjenje1; j=j+1; while zakasnjenje-zakasnjenje1<1 end zakasnjenje=clock; end end PgubBLDC=Pgub_t(j); fwrite(s,B1,'int8'); for i=1:length(Iotpornik) B2=fread(s,1015,'uint8'); Iotporniksum=Iotporniksum+Iotpornik(i)*korak;
fwrite(s,C1,'int8'); C2=fread(s,66,'uint8');
end; Iotporniksred=Iotporniksum/max(t); Istat1=B2(15:1014); struja_greca=Iotporniksred; Istat11=Ustat1'; j=1; for i=1:length(Igrec) I=input('korak strujne ose= '); if Igrec(i)<struja_greca %T=input('korak vremenske ose u
sekundama= '); j=j+1; end korak=T/100; end %t=korak:korak:1000*korak; Pgub_greca=Pgrec(j); Istat=(-4*I+8*I*Istat1/256)*4/3; P=Potpornik+Pstat+PgubBLDC+Pgub_greca; fclose(s); Pgub_otpornik=Potpornik figure(3) Pgub_Pstat=Pstat plot(t,Istat) Pgub_BLDC=PgubBLDC if max(Istat)>0 Pgrec=Pgub_greca ymax=1.1*max(Istat); Ptotal=P else
ymax=0.9*max(Istat);
51