Sistem de Control Vectorial al Motorului Asincron de Tractiune al Troleibuzului

Sistem de control vectorial aL motorului asincron de traciune al troleibuzului(concepii)

Autor: dr.ing., conf. Ilie Nuca

1. PREZENTAREA GENERAL a sistemuluiCuvinte cheie: traciune electric, troleibuz, motor asincron, convertor DC/AC, PWM, sistem de reglare, control vectorial, model matematic, observator, regulatoare, traductoare de tensiune, curent i vitez.

Controlul vectorial este bazat pe principiul orientrii dup cmp (Field Oriented Control F.O.C.) i modelul matematic bifazat al motorului asincron (MA). Alegerea fluxului rotoric ca flux al cmpului de orientare (fig.1.1) este benefic att pentru implementare ct i pentru indicii de reglare mai avansai. Fazorul fluxului rotoric este solidar cu axa x al sistemul de referin comun x-y (sau cu viteza unghiular , unde este unghiul dintre axele x i ds. Sistemul de axe ds-qs este fixat de stator. In sistemul de axe proprii ds-qs fazorul curentului statoric are componentele ortogonale i , iar n sistemul de axe ale fluxului rotoric - i .

Figura 1.1. Sisteme de axe bifazate de referin ale controlului vectorialSistemul de traciune al troleibuzului cu motor asincron i control vectorial (fig.1.2) este format din convertorul DC/AC (invertor PWM), motor asincron i sistemul de control vectorial, traductoare de tensiuni i cureni statorici, traductor de vitez. Sistemul de control vectorial funcional este constituit din Blocul de regulatoare, Obersvatorul de stare (modelul matematic) al MA, Controlerul F.O.C. La elaborarea sistemului de control al motorului asincron este necesar de inut cont de tipul sarcinii de antrenare. n cazul examinat caracteristica mecanic a sarcinii - a troleibuzului de pasageri dependena vitezei unghiulare de cuplul sarcinei - reprezint o funcie de tipul hiperbolei influenat de mai mai muli factori de trafic. Bucla de reglare a micrii mecanice conine doua regulatoare: regulatorul vitezei rotorice Rr i regulatorul cuplului electromagnetic Rme (primul genereaz cuplului electromagnetic prescris ,, iar la al doilea curentul prescris activ ).

Bucla de reglare a fluxului este constituit din regulatorul de tensiune Rus (necesar slbirii de flux la funcionarea cu viteze suprasincrone) i regulatorul de flux Rr, cu ieirile respective: fluxul rotoric si curentul reactiv statoric prescrise. Blocul Modelul MA (observator) servete pentru estimarea poziiei si modulului fluxului rotoric, a cuplului electromagnetic me si vitezei rotorice (in caz de necesitate). Cu ajutorul comutatorului K la intrarea regulatorului de viteza Rr este transmisa viteza rotorica fie calculata fie cea msurata .

Blocul Controller FOC realizeaz principiul reglrii cu orientare dup cmp (Field Oriented Control) in funcie de fluxul de orientare dup fluxul rotoric cu comanda n curent sau n tensiune. Regulatoarele Rr, Rr, Rus, Rme se considera de tip PI cu saturaie descrise prin ecuaia difereniala

sau dup aplicarea transformatei Laplace

,sau forma acceptat de comunitatea internaional

,unde - operatorul de difereniere, - coeficientul elementului proporional, iar - al elementului integrator.

Figura 1.2. Schema de principiu a acionarii motorului asincron cu comanda vectorialaSchema structural a regulatoarelor de tip PI dou amplificatoare cu coeficienii i , blocul de integrare , un sumator i un bloc de saturaie pentru limitarea valorilor maxime.Apartenena parametrilor si la regulatorul respectiv se realizeaz cu indicele respectiv:

- ai regulatorului Ru

- ai regulatorului Rme

- ai regulatorului

- ai regulatorului .Coeficienii i ale acestor regulatoare se calculeaz preventiv n funcie de parametrii motorului asincron i se aleg definitiv n baza simulrilor pe calculator al ntregului sistem de acionare.

3. Observatorul Motorului Asincron

Observatorul MA este realizat n baza modelului i serverte pentru determinarea strii curente a motorului. Se determin valorile instantanee ale modulului i poziiei fluxului rotoric (unghiul n raport cu sistemul de axe statoric calat ds-qs), a mrimilor de comand , (tensiunile statorice n sistemul de axe x-y solidar cu fluxul rotoric ), a cuplului electromagnetic i (dac este cazul) a vitezei unghiulare rotorice . n caz de necesitate Observatorul poate fi dotat ca instrumente specializate pentru estimarea parametrilor motorului cu considerarea nclzirii, saturaiei i pierderilor n oel a motorului.

Structura i funciile Observatorului poate fi diferit i ,n primul rnd, depind de mrimile de intrare msurate.n cazul de fa sistemul de control vectorial al traciunii troleibuzului este dotat cu traductoare de tensiune (se msoar tensiunile de faz statorice ,, ), traductoare de curent (se msoar cureni de faz statorici ,, ) i traductorul de vitez unghiular a rotorului . n aceste condiii Observatorul asigur transformarile de sistem (sisteme trifazate n bifazate i invers), transformrile de axe bifazate fixate i invers. Calcularea valorilor instantanee ale curenilor statorici, fluxurilor statorice i rotorice, cuplului i vitezei sunt bazate pe relaii ale modelului matematic al motorului asincron cu orinetare dup cmp. Elaborarea modelului matematic al motorului asincron este realizat n compartimentul 2 al acestui material (dar nu este ataat).

Schema de principiu a Observatorului MA este prezentat n fig.3.1.

3.1. Transformarea de sistem

Transformarea mrimilor trifazate (, ,) n mrimi bifazate (, ) se realizeaz cu transformarea de sistem - bloc ABC2dq conform ecuaiei matriciale (3.1) (3.1)

Fig.3.1 Schema de principiu a observatorului MA

Transformarea invers din mrimi bifazate n mrimi trifazate se realizeaz cu blocul dq2ABC ecuaia (3.2.)

(3.2)

3.2. Transformarea de axe

Metoda de reglare vectorial impune transformarea mrimilor bifazate ale unui sistem de axe fixe (dsqs) n alte mrimi bifazate ale altui sistem de axe (x y) nvrtitor cu viteza sau invers. Pentru aceasta se utilizeaz blocurile transformrilor de axe.

(3.3)

(3.4)

Transformrea de axe invers

EMBED Equation.3 (3.5)

(3.6)

3.3. Calcularea curenilor i tensiunilor bifazate

Cu relaia (3.1) - blocurile ABC2dq tensiunile i curenii trifazai statorici sunt transformai n tensiuni (, ) i cureni (, ) bifazai la propriul sistem de axe statoric.3.4. Calculator de flux statoric bifazat

Prin integrare se determin fluxurile statorice n sistemul ds qs statoric n baza formulelor:

(3.7) 3.5. Calculator de flux rotoric bifazat in sistemul statoric fixat (d-q)

(3.8)

3.6. Analizatorul de flux rotoric - calculeaza modulul i poziia fluxului rotoric (relaia 3.9)

(3.9)

3.7. Calculatorul cuplului electromagnetic (relaia 3.10)

(3.10)

3.8. Estimatorulde vitez rotoric (expresia 3.11)

(3.11)

4. Controlerul F.O.C.

Controlerul F.O.C. este comandat n curent dac mrimile de ieire sunt cureni i comandat n tensiune n cazul tensiunilor ca mrimi de ieire. Fiecare schem de comand are att trsturi pozitive ct i negative. La etapa actual n literatura de specialitate se consider, ca sistemele de reglare vectorial cu comanda n curent au un rspuns mai nalt, sunt mai simple pentru implementare, dar din cauza pierderilor de comutaie sporite pot fi utilizate pentru actionrile de putere redusa - pn la zeci de kW. Sistemele de reglare vectorial cu comanda n tensiune permit posibilitatea limitrii frecvenei de comutaie i micorarea pierderilor de comutaie respective. Aceste afirmaii rmn de verificat n cazul traciunii troleibuzului cu puterea motorului de cca 200 kW.

n continuare sunt descrise schemele controlerului F.O.C. la comanda n tensiune i la comanda n curent.

4.1. Controlerul F.O.C. cu comanda n tensiune

Controlerul F.O.C. are ca funcie principal calcularea tensiunilor statorice i necesare pentru realizarea principiului de orientare a motorului dup fluxul rotoric . Ca mrimi de intrare se utilizeaz curenii i de la ieirea regulatoarelor de flux i cuplu . Aceast schem de comand este aplicabil pentru PWM-generator tradiional cu formarea separat a tensinuii de faz (fig.4.1.)

Figura 4.1. Schema Controlerului F.O.C. cu comanda n tensiune i PWM tradiional

Compensatorul de tensiune utilizeaz urmtoarele expresii ale tensiunilor ,

(4.1)

Blocul xy2qd realizeaz transformarea componentelor tensiunii statorice , din sistemul invrtitor cu fluxul rotoric n sistemul de axe fixat de stator ds-qs. Blocul qd2ABC realizeaz transformarea componentelor tensiunii statorice bifazate , n tensiuni trifazate statorice impuse , , i .

Analizatorul de tensiune folosete expresia de calul al modului tensiunii statorice

(4.2)Pentru cazul invertorului cu modularea vectorial a tensinuii SV PWM (Space Vector PWM) schema Controlerului F.O.C. este prezentat n fig.4.2. Ca mrimi de ieire a controlerului se utilizeaz modulul i poziia vectorului spaial al tensiunii statorice necesare. Poziia fazorului tensiunii statorice este determinat de unghiul conform (4.3), iar modulul - conform (4.2).

(4.3)

Figura 4.2. Schema Controlerului F.O.C. cu comanda n tensiune i SV PWM

4.2. Controlerul F.O.C. cu comanda n curentSchema Controlerului F.O.C. cu comanda n curent este prezentat n fig.4.3. Deosebirea principal de schemele de comand din p.4.1. const n lipsa Compensatorului de tensiune i prezena trei regulatoare de curent cu histerezis RH. Calculatorul de tensiune CUs utilizeaz expresiile din (4.4).

(4.4)

Figura 4.3. Schema Controlerului F.O.C. cu comanda n curentAnexa

Specificarea parametrilor motorului asincronNrParametruu.mNotareRemarca

1Rezistenta statoricaOhmRs

2Rezistenta rotoricaOhmRr

3Inductivitatea statorica de dispersieHnLs

4Inductivitatea statorica totalaHnLs

5Inductivitatea rotorica de dispersieHnLr

6Inductivitatea rotorica totalaHnLr

7Inductivitatea mutualaHnLm

8Coeficientul de dispersie

9Coeficientul de dispersie

10Constanta de timp statoricas

11Constanta de timp rotoricas

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Visio.Drawing.11

EMBED Equation.3 (3.10)

Figura 3.1. Schema structura a regulatorului de tip PI

_1273514992.unknown

_1273561012.unknown

_1273566503.unknown

_1273580835.vsd-

ControllerF.O.C

Modelul MA(observator)

T

K

+

MA

Ud

PWMgenerator

Blocul de regulatoare

_1273582202.unknown

_1273591928.vsdComensatrode tensiune

+

-

svPWM

_1273592727.vsd

_1273592337.unknown

_1273582411.vsd

_1273591415.vsdE

+

+

_1273581854.vsdCompensatorde tensiune

_1273581962.unknown

_1273581656.vsddq2dq

_1273581763.vsd

_1273581561.vsd

_1273574151.unknown

_1273574972.unknown

_1273575064.unknown

_1273575126.unknown

_1273574152.unknown

_1273573753.unknown

_1273573926.unknown

_1273573734.unknown

_1273571379.unknown

_1273563360.unknown

_1273566180.unknown

_1273566391.unknown

_1273565400.unknown

_1273561098.unknown

_1273562210.unknown

_1273562832.unknown

_1273561077.unknown

_1273517247.unknown

_1273560606.unknown

_1273560961.unknown

_1273560974.unknown

_1273560916.unknown

_1273517957.unknown

_1273519228.unknown

_1273560466.unknown

_1273518866.unknown

_1273519202.unknown

_1273517689.unknown

_1273517888.unknown

_1273517336.unknown

_1273515356.unknown

_1273515441.unknown

_1273517228.unknown

_1273515428.unknown

_1273515228.unknown

_1273515318.unknown

_1273515051.unknown

_1273490708.unknown

_1273491271.unknown

_1273494120.unknown

_1273509337.unknown

_1273514848.unknown

_1273514919.unknown

_1273514780.unknown

_1273494509.unknown

_1273495272.unknown

_1273496089.vsddq2ABC

_1273509307.unknown

_1273496104.vsdABC 2dq

_1273496038.vsd

_1273494559.unknown

_1273494674.unknown

_1273495031.vsd

_1273494567.unknown

_1273494543.unknown

_1273494191.unknown

_1273494492.unknown

_1273494165.unknown

_1273492392.unknown

_1273493009.unknown

_1273493844.unknown

_1273494083.unknown

_1273493854.unknown

_1273493571.vsd

_1273493760.unknown

_1273493331.unknown

_1273492749.unknown

_1273492751.unknown

_1273492981.unknown

_1273492750.unknown

_1273492748.unknown

_1273491361.unknown

_1273492204.unknown

_1273491353.unknown

_1273490859.unknown

_1273491205.unknown

_1273491235.unknown

_1273490880.unknown

_1273490771.unknown

_1273490845.unknown

_1273490751.unknown

_1273423599.unknown

_1273490097.unknown

_1273490203.unknown

_1273490277.unknown

_1273490571.unknown

_1273490123.unknown

_1273484826.unknown

_1273485601.unknown

_1273485620.unknown

_1273487958.unknown

_1273487968.unknown

_1273486244.unknown

_1273485611.unknown

_1273484897.unknown

_1273484994.unknown

_1273423851.unknown

_1273423957.unknown

_1273422233.unknown

_1273423591.unknown

_1273422259.unknown

_1273421964.unknown

_1273422044.unknown

_1273421793.unknown