2.1.Podstawowekonstrukcjeiwłaściwościmaszynelektrycznychprądustałego 5
2.2.Podstawowekonstrukcjeiwłaściwościmaszynelektrycznychprąduprze-
3.Przekształtnikienergoelektronicznezłącznikamiwpełnisterowalnymidlanapędów
3.2.Podstawowetopologieprzekształtnikówsilnikowychimetodymodulacjiszerokościimpulsów
3.2.1.PrzekształtnikiDC/DCdlanapędówzsilnikamikomutatorowymiprądu stałego
3.2.2.TrójfazowydwupoziomowyprzekształtniknapięciaDC/ACdlasilników
3.2.3.TrójfazowytrójpoziomowyprzekształtniknapięciaDC/ACdlasilników prąduprzemiennego
4.1.Modelmatematycznybezszczotkowegosilnikaprądustałego(BLDC)
4.2.Modelematematycznemaszynprądustałegowprzestrzenistanu
4.3.Modelsilnikaprądustałegowdziedzinieoperatorowej
4.4.Modelmatematycznyprzekształtnikaenergoelektronicznego
4.5.Modelmatematycznynapęduzsilnikiemprądustałegoiprzekształtnikiemenergoelektronicznym–opiswdziedzinieczasu
4.6.Modelmatematycznysilnikaprądustałegozprzekształtnikiemenergoelektronicznym–opisdziedzinieoperatorowej
5.Sterowanienapędówprądustałegozkaskadowopołączonymiregulatoramipołożenia, prędkościiprądu
5.2.Projektowanieregulatoraprądu
5.3.Projektowanieregulatoraprędkości
5.4.Projektowanieregulatorapołożenia
6.Dobórnastawregulatorówmetodąrojucząsteknaprzykładzieregulatorówprędkości ipołożenia
6.1.Optymalizacjaametodapróbibłędów
6.2.Wskaźnikijakości
6.3.Optymalizacjametodąrojucząstek
6.4.Optymalizacjanastawregulatorówprędkościipołożeniawukładzienapędowym88
6.5.Optymalizatorystochastycznewpraktyceinżynierskiej
7.StrojenieregulatorówprzyużyciuSYSTUNEwnapędzieprądustałego
7.1.Normy
7.2.Tłumienie,pulsacjagraniczna,pulsacjanaturalna,pulsacjaodcięcia,czasnarastania,pasmoprzenoszenia
7.3.OkreślaniecelówsterowaniadlaSYSTUNE
7.4.SYSTUNEakryteriaKessleralubmetodaZieglera–Nicholsa
8.1.Sterowanieprędkościązesprzężeniemodwektorastanu
8.1.1.Opisobiektusterowania
8.1.2.Strukturasterowaniazwykorzystaniemsprzężeniaodwektorastanuimodelwejścia
8.1.3.Wyznaczeniemodeluwejściadlapobudzeniasygnałemskokowym
8.1.4.Strukturasterowaniazwykorzystaniemsprzężeniaodwektorastanuoraz wewnętrznegomodeluwejściazapewniającegorównośćsygnałuzadanegoirzeczywistegowprzypadkuwystąpieniazakłóceń .................
8.1.5.Strukturasterowaniazwykorzystaniemsprzężeniaodwektorastanuoraz wewnętrznegomodeluwejściazapewniającegolikwidacjęuchybuustalonegodlaliniowozmieniającegosięsygnałuprędkościzadanej 123
8.2.Sterowaniepołożeniemzesprzężeniemodwektorastanu
8.2.1.Opisobiektusterowaniadlaukładupozycyjnego
8.2.2.Strukturasterowaniaserwonapęduzwykorzystaniemsprzężeniaodwektorastanuorazwewnętrznegomodeluwejściazapewniającegoniewrażliwośćnazmianymomentuobciążenia
9.Modelmatematycznymaszynyasynchronicznej
9.1.Modelwykorzystującywektoryprzestrzenne
9.2.Modelwukładziewirującym
10.1.Sterowaniezbezpośredniąorientacjąwektorapolastojana
10.2.StrojenieregulatorówwukładzieDSFOCprzywykorzystaniukryteriówKesslera150
10.3.Sterowaniezbezpośredniąorientacjąwektorapolawirnika
10.4.Porównanienapęduzorientacjąstojanowąiwirnikową
11.NapędDTCzsilnikiemindukcyjnymklatkowym
11.1.Wprowadzenie
11.2.ModelsymulacyjnynapęduDTCzsilnikiemindukcyjnymklatkowym
12.Estymatoryskładowychwektorastrumieniastojanamaszynyindukcyjnej
12.1.Wybranestrukturyestymatorówbazującychnamodelumaszyny
12.2.Neuroestymatorstrumienimagnetycznychsilnikaasynchronicznego
13.Przestrajanysieciąneuronowąregulatorstanumaszynyindukcyjnej
13.1.Linearyzacjamodelusilnikaindukcyjnego
13.2.Rozszerzonymodelobiekturegulacjizsilnikiemindukcyjnym
13.3.LQRprzestarajanysieciąneuronową
13.4.LQRapraktykainżynierska
14.Odtwarzanieprędkościkątowejsilnikaindukcyjnegoprzyużyciusztucznychsiecineuronowych
14.1.Wstępneprzetwarzaniesygnałów
14.2.Wybórtypusiecineuronowejestymującejprędkośćkątowąwirnika
14.3.Uczeniejednokierunkowejsiecineuronowejrealizującejzadanieodtwarzania prędkościkątowejwirnika
14.4.Napędbezczujnikowyzneuroestymatoremprędkościkątowejwirnika
14.5.Neuroestymacjaapraktykainżynierska ......................................
15.Napędyzsilnikiemsynchronicznymomagnesachtrwałych
15.1.Modelematematyczneobiektówregulacji
15.1.1.OpismatematycznymaszynyPMSM
15.1.2.OpismatematycznyzespołunapędowegozsilnikiemPMSMzasilanym poprzezprzekształtnikenergoelektroniczny
15.1.3.LinearyzacjamodeluzespołunapędowegozsilnikiemPMSM
15.2.Sterowaniemetodąorientacjiwektorapola(RFOC)
15.2.1.Sterowanieprędkościąkątowązkaskadowąstrukturąregulatorów
15.2.2.Sterowaniepołożeniemkątowymzkaskadowąstrukturąregulatorów
15.3.SterowaniesilnikiemPMSMzwykorzystaniemregulatorastanu
15.3.1.Sterowanieprędkościąkątowązregulatoremstanu
15.3.2.Sterowaniepołożeniemkątowymzregulatoremstanu
Projektokładkiistrontytułowych MariuszOnyśko
Menedżerds.Wydawniczych EmiliaLeśniewska
Wydawca AdamFilutowski
Koordynatords.redakcji RenataZiółkowska
Redaktor MariaKasperska
Produkcja MariolaGrzywacka
Łamanie EwaSzelatyńska,ScanSystem.pl
Współpracareklamowa:reklama@pwn.pl Specjalistads.KluczowychKlientów JustynaSzopa (Justyna.Szopa@pwn.pl)
Książka,którąnabyłeś,jestdziełemtwórcyiwydawcy.Prosimy,abyśprzestrzegałpraw,jakieim przysługują.Jejzawartośćmożeszudostępnićnieodpłatnieosobombliskimlubosobiścieznanym. Aleniepublikujjejwinternecie.Jeślicytujeszjejfragmenty,niezmieniajichtreściikoniecznie zaznacz,czyjetodzieło.Akopiującjejczęść,róbtojedynienaużytekosobisty.
Szanujmycudząwłasnośćiprawo Więcejnawww.legalnakultura.pl PolskaIzbaKsiążki
Copyright©byWydawnictwoNaukowePWNSA Warszawa2016
ISBN978-83-01-18318-9
WydanieI
WydawnictwoNaukowePWNSA 02-460Warszawa,ul.GottliebaDaimlera2 tel.226954321,faks226954288 infolinia801333388 e-mail:pwn@pwn.com.pl;www.pwn.pl Drukioprawa:OSDWAzymutSp.zo.o.
2.1.Podstawowekonstrukcjeiwłaściwościmaszynelektrycznychprądustałego 5
2.2.Podstawowekonstrukcjeiwłaściwościmaszynelektrycznychprąduprze-
3.Przekształtnikienergoelektronicznezłącznikamiwpełnisterowalnymidlanapędów
3.2.Podstawowetopologieprzekształtnikówsilnikowychimetodymodulacjiszerokościimpulsów
3.2.1.PrzekształtnikiDC/DCdlanapędówzsilnikamikomutatorowymiprądu stałego
3.2.2.TrójfazowydwupoziomowyprzekształtniknapięciaDC/ACdlasilników
3.2.3.TrójfazowytrójpoziomowyprzekształtniknapięciaDC/ACdlasilników prąduprzemiennego
4.Modelematematyczneprzekształtnikowychnapędówprądustałego
4.1.Modelmatematycznybezszczotkowegosilnikaprądustałego(BLDC)
4.2.Modelematematycznemaszynprądustałegowprzestrzenistanu
4.3.Modelsilnikaprądustałegowdziedzinieoperatorowej
4.4.Modelmatematycznyprzekształtnikaenergoelektronicznego
4.5.Modelmatematycznynapęduzsilnikiemprądustałegoiprzekształtnikiemenergoelektronicznym–opiswdziedzinieczasu
4.6.Modelmatematycznysilnikaprądustałegozprzekształtnikiemenergoelektronicznym–opisdziedzinieoperatorowej
5.Sterowanienapędówprądustałegozkaskadowopołączonymiregulatoramipołożenia,
5.2.Projektowanieregulatoraprądu
5.3.Projektowanieregulatoraprędkości
5.4.Projektowanieregulatorapołożenia
6.Dobórnastawregulatorówmetodąrojucząsteknaprzykładzieregulatorówprędkości ipołożenia
6.1.Optymalizacjaametodapróbibłędów
6.2.Wskaźnikijakości
6.3.Optymalizacjametodąrojucząstek
6.4.Optymalizacjanastawregulatorówprędkościipołożeniawukładzienapędowym88
6.5.Optymalizatorystochastycznewpraktyceinżynierskiej
7.StrojenieregulatorówprzyużyciuSYSTUNEwnapędzieprądustałego
7.2.Tłumienie,pulsacjagraniczna,pulsacjanaturalna,pulsacjaodcięcia,czasnarastania,pasmoprzenoszenia
7.3.OkreślaniecelówsterowaniadlaSYSTUNE
7.4.SYSTUNEakryteriaKessleralubmetodaZieglera–Nicholsa
8.1.Sterowanieprędkościązesprzężeniemodwektorastanu
8.1.1.Opisobiektusterowania
8.1.2.Strukturasterowaniazwykorzystaniemsprzężeniaodwektorastanuimodelwejścia
8.1.3.Wyznaczeniemodeluwejściadlapobudzeniasygnałemskokowym
8.1.4.Strukturasterowaniazwykorzystaniemsprzężeniaodwektorastanuoraz wewnętrznegomodeluwejściazapewniającegorównośćsygnałuzadanegoirzeczywistegowprzypadkuwystąpieniazakłóceń .................
8.1.5.Strukturasterowaniazwykorzystaniemsprzężeniaodwektorastanuoraz wewnętrznegomodeluwejściazapewniającegolikwidacjęuchybuustalonegodlaliniowozmieniającegosięsygnałuprędkościzadanej
8.2.Sterowaniepołożeniemzesprzężeniemodwektorastanu
8.2.1.Opisobiektusterowaniadlaukładupozycyjnego
8.2.2.Strukturasterowaniaserwonapęduzwykorzystaniemsprzężeniaodwektorastanuorazwewnętrznegomodeluwejściazapewniającegoniewrażliwośćnazmianymomentuobciążenia
9.1.Modelwykorzystującywektoryprzestrzenne
10.1.Sterowaniezbezpośredniąorientacjąwektorapolastojana
10.2.StrojenieregulatorówwukładzieDSFOCprzywykorzystaniukryteriówKesslera150
10.3.Sterowaniezbezpośredniąorientacjąwektorapolawirnika
10.4.Porównanienapęduzorientacjąstojanowąiwirnikową
11.NapędDTCzsilnikiemindukcyjnymklatkowym
11.1.Wprowadzenie
11.2.ModelsymulacyjnynapęduDTCzsilnikiemindukcyjnymklatkowym
12.Estymatoryskładowychwektorastrumieniastojanamaszynyindukcyjnej
12.1.Wybranestrukturyestymatorówbazującychnamodelumaszyny
12.2.Neuroestymatorstrumienimagnetycznychsilnikaasynchronicznego
13.Przestrajanysieciąneuronowąregulatorstanumaszynyindukcyjnej
13.1.Linearyzacjamodelusilnikaindukcyjnego
13.2.Rozszerzonymodelobiekturegulacjizsilnikiemindukcyjnym
13.3.LQRprzestarajanysieciąneuronową
13.4.LQRapraktykainżynierska
14.Odtwarzanieprędkościkątowejsilnikaindukcyjnegoprzyużyciusztucznychsiecineuronowych
14.1.Wstępneprzetwarzaniesygnałów
14.2.Wybórtypusiecineuronowejestymującejprędkośćkątowąwirnika
14.3.Uczeniejednokierunkowejsiecineuronowejrealizującejzadanieodtwarzania prędkościkątowejwirnika
14.4.Napędbezczujnikowyzneuroestymatoremprędkościkątowejwirnika
14.5.Neuroestymacjaapraktykainżynierska ......................................
15.Napędyzsilnikiemsynchronicznymomagnesachtrwałych
15.1.Modelematematyczneobiektówregulacji
15.1.1.OpismatematycznymaszynyPMSM
15.1.2.OpismatematycznyzespołunapędowegozsilnikiemPMSMzasilanym poprzezprzekształtnikenergoelektroniczny
15.1.3.LinearyzacjamodeluzespołunapędowegozsilnikiemPMSM
15.2.Sterowaniemetodąorientacjiwektorapola(RFOC)
15.2.1.Sterowanieprędkościąkątowązkaskadowąstrukturąregulatorów
15.2.2.Sterowaniepołożeniemkątowymzkaskadowąstrukturąregulatorów
15.3.SterowaniesilnikiemPMSMzwykorzystaniemregulatorastanu
15.3.1.Sterowanieprędkościąkątowązregulatoremstanu
15.3.2.Sterowaniepołożeniemkątowymzregulatoremstanu
Don’tthinkaboutwhyyouquestion,simplydon’tstopquestioning. Don’tworryaboutwhatyoucan’tanswer,anddon’ttrytoexplain whatyoucan’tknow.Curiosityisitsownreason.
AlbertEinstein LaureateoftheNobelPrizeinPhysics(1921)
Książkajestpodręcznikiemakademickimadresowanymdostudentówuczelnitechnicznych.Napędyelektrycznesąprzedmiotem,któryznajdujesięwprogramachstudiów nakierunkach:elektrotechnika,automatykairobotykaorazmechatronika.Podręcznik tenmożebyćtakżeprzydatnyinżynieromzajmującymsięprojektowaniemnapędów iserwonapędówelektrycznychlubicheksploatacją.Przedstawionownimopisymatematycznepodstawowych,najczęściejstosowanychwprzemyśle,silnikówprądustałego iprzemiennego.Skoncentrowanosięnaprojektowaniuianalizowaniustruktursterowaniadlanapędówzsilnikami:komutatorowymprądustałego,bezszczotkowymprądu stałego(BLDC),indukcyjnymklatkowymorazsynchronicznymomagnesachtrwałych (PMSM).Modelematematyczneprzedstawionowsposóbpozwalającynabezpośrednieichwykorzystanieprzyprojektowaniunapędówprzekształtnikowych.Przyopisach wdziedzinieczasuzałożono,żemaszynyelektrycznesąopisanezwykorzystaniemrównańróżniczkowychzwyczajnych,cojestrównoznacznezprzyjęciemmodeliobwodowychmaszynelektrycznych.
Współczesnenapędyprzemysłowesąbudowanezwykorzystaniemprzekształtnikówenergoelektronicznych.Omówionopodstawowetopologieprzekształtnikówzbudowanychzłącznikówwpełnisterowalnych,takichjaknp.tranzystoryIGBTlub MOSFET.Prezentowanetopologiedotycząprzekształtnikówumożliwiającychpracę
4-kwadrantową.OpisanoprzekształtnikinapięcioweiprądoweDC/ACiAC/DC, 2-i3-poziomowe,stosowanewnapędachprąduprzemiennegoorazpodstawowetopologieprzekształtnikówDC/DCstosowanychwnapędachprądustałego.Podanozasadysterowaniawykorzystującemetodęmodulacjiszerokościimpulsów.Przedstawione wzoryialgorytmypozwolączytelnikowizbudowaćsterowaniedlawybranychprzykładowychtopologiiprzekształtników.Szczególnąuwagęzwróconotakżenastrukturysterowaniaprzekształtnikówsieciowychumożliwiającekształtowanieprądupobieranego z3-fazowejsiecizasilającejnapięciaprzemiennego.Zastosowanieprzekształtników złożonychwewspółczesnychsystemachnapędowychumożliwiaprecyzyjnesterowanie przepływemenergiimiędzyźródłemaodbiornikiem,jakimjestwtymprzypadkusilnik elektryczny.
Najwięcejuwagipoświęconoanalizowaniuróżnorodnychstruktursterowaniastosowanychwukładachnapędowychprądustałegoiprzemiennego.Wpierwszejkolejności opisanesąmetodyprojektowaniaianalizowaniastruktursterowaniawnapędachzsilnikiemprądustałego.Opismatematycznyjeststosunkowoprosty,ponieważukładjest liniowyiłatwomożnaanalizowaćorazinterpretowaćwłaściwościukładunapędowego zarównowstanachdynamicznych,jakiustalonych.Dlategonaprzykładzienapędów prądustałegoopisanesąklasycznestrukturysterowaniazkaskadowopołączonymiregulatoramiprąduiprędkościlubteż,dlasterowaniapozycyjnego,zdodatkowymregulatorempołożenia.Przedstawionezostałysposobyopisu(definiowania)obiekturegulacjiizasadywyznaczanianastawregulatorów.Projektowanieregulatorówwykonywane jestpoprzejściuzopisuwdziedzinieczasudoopisuwdziedzinieoperatorowej.Kolejno,krokpokroku,przedstawionoprocedurypostępowaniaprzywyznaczaniunastaw regulatorówprądu,prędkościipołożenia.Każdorazowodefiniowanyjestnowyobiekt regulacjipozwalającynaanalityczneprojektowanieregulatorówprzywykorzystaniu kryteriówKesslera.Przedstawionoalternatywnemetodyprojektowaniabazującenadokładnymopisiematematycznymlubteżinżynierskiepodejściezuproszczeniamipolegającyminaaproksymowaniudynamikiobiektusterowania,przyprojektowaniukolejnychregulatorów,członamiinercyjnymipierwszegorzędu.Takiepodejścieumożliwia szybkieiskuteczneokreślanieparametrów(nastaw)poszczególnychregulatorów.
Alternatywnąstrukturąsterowaniajestrozwiązaniewykorzystująceregulatorze sprzężeniemodwektorastanu.Analizaisyntezaukładuregulacjijestdokonywana wprzestrzenistanu.Przedstawionyjestsposóbformułowaniarównaństanudlaobiektu sterowania,jakimjestsilnikzdołączonąmaszynąroboczą,przekształtnikizastosowane układypomiarowedlawielkościfizykalnych(prądinapięcietwornika,prędkośćkątowa wirnikaorazdrogakątowadlaukładupozycyjnego)będącychzmiennymistanu.Opisanosposobyprojektowaniaregulatorawykorzystującemetodęlokowaniabiegunów orazrealizacjęsterowaniaoptymalnegoLQR.Wyprowadzonozależnościnawyznaczaniemodeluwewnętrznegowejściadlaróżnychsygnałówreferencyjnych.Takzaprojektowanyregulatorzapewniauzyskaniezerowegouchybuustalonego.Metodykapro-
jektowaniaregulatorazesprzężeniemodwektorastanuzostałaprzedstawionaprzywykorzystaniuskrzynkinarzędziowej(controltoolbox)wśrodowiskuMatlab/Simulink.
Wpodobnysposóbprzedstawionozagadnieniazwiązanezprojektowaniemianalizowaniemnapędówprąduprzemiennego.Rozważaniadotycząpowszechniestosowanychwprzemyśleukładównapędowychzsilnikiemsynchronicznymomagnesachtrwałych(PMSM)isilnikiemindukcyjnymklatkowym.Przedstawionezostałymodelematematycznesilnikówzzastosowaniemopisuwdziedzinieczasuiwykorzystaniemdefinicjiwektoraprzestrzennego.Podanosposóbtransformacjirównańdostacjonarnego lubwirującegoortogonalnegoukładuodniesienia.
DlanapęduzsilnikiemPMSM,wpierwszejkolejności,przedstawionezostałyklasycznestrukturysterowaniazorientacjąwektorapola(FOC)orazbezpośrednimsterowaniemmomentem(DTC).Charakterystycznącechątychstruktursterowaniajestwystępowaniedwóchtorówregulacji,tzn.toruregulacjimomentuitoruregulacjistrumieniamagnetycznego.WprzypadkunapęduFOC,zliniowymiregulatoramiskładowych wektoraprzestrzennegoprądustojana,rozważaniaograniczonodosterowaniazzerową składowąprąduwosi d .Systemregulacjirealizowanyjestwwirującym(zgodniezwirnikiem)prostokątnymukładzieodniesienia dq.Metodywyznaczanianastawregulatorówsąanalogicznedotych,którezostałyopisanewrozdziałachdotyczącychnapędów prądustałego.Stosowneprzekształceniaodnoszącesiędoopisówkolejnodefiniowanychobiektówregulacjisązapisanewdziedzinieczasuidziedzinieoperatorowej.
Kolejnymsposobemsterowaniajeststerowaniezwykorzystaniemmetodybezpośredniejregulacjimomentu.Wtejstrukturzeregulacjistosowanesąhisterezoweregulatorystrumieniaimomentuorazliniowyregulatorprędkościkątowejwirnika.Realizacjatakiegosterowaniawymagazdefiniowaniatzw.tablicyłączeńadresowanejstanami wyjśćzregulatoróworazwyznaczanymnabieżącopołożeniemwektoraprzestrzennego strumieniastojana.Koniecznejesttakżewyznaczanie(estymowanie)momentuelektromagnetycznegosilnika.Wybranaszerokośćstrefhisterezydecydujeoczęstotliwości łączeń(maksymalnejiminimalnej)oraztętnieniachmomentuistrumieniastojana.
Odmiennymsposobemsterowaniajeststrukturazregulatoremstanu.Wprzypadku silnikaPMSMmamydoczynieniazobiektemnieliniowym.Macierzestanuiwymuszeń sązależneodaktualnejprędkościwirowania.Projektowanieregulatorastanustajesię możliwepozastosowaniuprzekształceńlinearyzującychiodsprzęgających.Wwyniku takichprzekształceńmożliwejestskorzystaniezestandardowychmetodprojektowania regulatorastanu.Podobniejakdlanapędówprądustałegowprowadzasięmodelewewnętrznewejściazapewniającenadążaniebezuchybuzasygnałemreferencyjnym.
SterowaniesilnikiemPMSMzwykorzystaniemsprzężeniaodwektorastanujest takżemożliwebezwprowadzeniablokulinearyzacjiiodsprzęgania.Możnaprojektowaćregulatorstanuoptymalnydlaokreślonejprędkości.Oczywiścienależywtym przypadkuwyznaczyćregulatorydlaszereguprędkościinastępniezmieniaćwzmocnieniatakzaprojektowanegoregulatorawrazzezmianąprędkościkątowejwirnika.Taki
regulatorstanuwymagawiększychnakładówobliczeniowychpodczasprojektowania, alejegoimplementacjajestprosta.
Dominującąrolęnarynkunapędówprąduprzemiennegoodgrywająprzekształtnikowenapędyzsilnikiemindukcyjnymklatkowym.Mającdodyspozycjimodelmatematycznysilnikaklatkowegozbudowanyzwykorzystaniemdefinicjiwektoraprzestrzennego,możnaprojektowaćianalizowaćróżnorodnestrukturysterowania.Wniniejszej pracypodanozasadyprojektowaniaregulatorówdlapowszechniewykorzystywanych wpraktycemetodregulacji,takichjakFOCiDTC.Wspomnianemetodyregulacjiwymagająinformacjiowykorzystywanychsygnałach,takichjakprędkośćkątowawirnika, napięcieiprądstojanaorazstrumieństojanalubwirnika.Sygnałaminiedostępnymi pomiarowosąstrumieniestojanaiwirnika.Ichznajomośćjestniezbędnadorealizacji sterowania.Koniecznejestwyznaczanietychwielkościnapodstawiepomiarówprądu inapięciastojana.Istniejewielemetodestymowaniatychsygnałów.Wykorzystywane sączęstoobserwatorylubteżsposobybazującenasztucznejinteligencji.Podanezostałyopisywybranychsposobówalgorytmicznegowyznaczaniastrumieni,jakrównież realizacjewykorzystującesztucznesiecineuronowe.Wniektórychaplikacjachprzemysłowychchętniestosowanesąstrukturysterowania,wktórychniekorzystasięzbezpośredniegopomiaruprędkościkątowejwirnika.Prędkośćkątowajestwyznaczanana podstawiełatwomierzalnychwartościprądówinapięćstojana.Rozwiązaniatakiesą znanewliteraturzejakonapędybezczujnikowe,aletenterminnieokreślaistotyzagadnienia,ponieważniejestużywanyczujnik(układpomiarowy)prędkościkątowej,ale niezbędnesąnadalczujniki(układypomiarowe)prąduinapięcia.
Maszynyelektryczne stosowanewukładachnapędowych
Nothinginlifeistobefeared,itisonlytobeunderstood.Nowisthe timetounderstandmore,sothatwemayfearless.
MarieSkłodowska–Curie LaureateoftwoNobelPrizes:inPhysics(1903) andinChemistry(1911)
2.1.Podstawowekonstrukcjeiwłaściwościmaszyn
elektrycznychprądustałego
Wnapędachprzemysłowychstosowanesązarównomaszynyprądustałego,jakiprzemiennego.Maszynyprądustałegosąbudowanezewzbudzeniemodmagnesówtrwałychlubwzbudzeniemelektromagnetycznym.Opismaszynelektrycznychwzakresie właściwości,analizyikonstrukcjimożnaznaleźćwpodręcznikuakademickim[88]. Podstawowaklasyfikacjamaszynprądustałegojestprzedstawionanarys.2.1
Maszynykomutatorowe(zkomutatoremmechanicznym)sąnadalstosowane,ale odgrywającorazmniejsząrolęzpowoduskomplikowanejkonstrukcjiikonieczności okresowejkonserwacjikomutatora.PodstawowazaletanapędówzsilnikamikomutatorowymiDCtołatwośćregulacjiprędkościpoprzezkontrolowaniewartościśredniej napięciadołączonegodoobwodutwornika.Maszynykomutatorowemogąbyćprzy tymwykonywanezewzbudzeniemobcymlubwzbudzeniemomagnesachtrwałych. Silnikiomagnesachtrwałych(PMDC–ang. permanentmagnetsdirect-current)nie
Rys.2.1. Klasyfikacjamaszynprądustałego
wymagająstosowaniaoddzielnegozasilaniadowytworzeniastrumieniamagnetycznego.Podwzględemmożliwościsterowaniaprędkościąsilnikitecharakteryzująsiępodobnymiwłaściwościami.PozostałedwarodzajesilnikówkomutatorowychDC,tzn.silnikbocznikowyisilnikszeregowyniesąpraktyczniewykorzystywanewnowoczesnych napędach.
Aktualnie,corazczęściej,zamiastsilnikówkomutatorowychstosowanesąsilniki BLDC(ang. brushlessdirect-currentmotor)–bezszczotkowesilnikiprądustałego omagnesachtrwałych,którewymagająstosowaniakomutatoraelektronicznegozbudowanegozwpełnisterowalnychłącznikówenergoelektronicznychiczujnikówokreślającychpołożeniewirnika.WłaściwościregulacyjnenapędówzsilnikamiBLDCsą praktycznieidentycznezwłaściwościaminapędówzsilnikamikomutatorowymiDC, aleichkonstrukcjajestmniejskomplikowana.WliteraturzesilnikiBLDCsąniekiedy klasyfikowanejakosilnikiprąduprzemiennegoiokreślanemianemsilnikasynchronicznegoomagnesachtrwałychotrapezoidalnymkształcieindukowanegonapięcia.
2.2.Podstawowekonstrukcjeiwłaściwościmaszyn elektrycznychprąduprzemiennego
Klasyfikacjamaszynprąduprzemiennegojestprzedstawionanarys.2.2.
Największeznaczeniewaplikacjachprzemysłowychmająmaszynysynchroniczne iasynchroniczne,przyczymnajczęściej,wobrabiarkachsterowanychnumerycznie,robotach,pojazdachznapędemelektrycznymstosowanesąmaszynysynchroniczneomagnesachtrwałych.Charakteryzująsięonenajmniejszymigabarytamidladanejmocy iprędkościznamionowejorazmałymmomentembezwładności.Wnapędachprzemysłowychpowszechniewykorzystywanesąsilnikiindukcyjneklatkowe.Należyprzytym
2.2.Podstawowekonstrukcjeiwłaściwościmaszynelektrycznychprąduprzemiennego
Rys.2.2. Klasyfikacjamaszynprąduprzemiennego
zaznaczyć,żeprzekształtnikienergoelektronicznestosowanewukładachnapędowych prąduprzemiennegozsilnikamisynchronicznymiomagnesachtrwałychorazsilnikami indukcyjnymiklatkowymisąidentyczne.Strukturyimetodysterowaniasątakżepodobne,copowoduje,żeznacznaczęśćalgorytmówsterowniamożebyćwykorzystywanawoburodzajachnapędów.
Innymrodzajemmaszynyelektrycznejjestsilnikreluktancyjny.Zasadadziałania isposóbzasilaniasątutajodmienneodobowiązującychwmaszynachsynchronicznych orazasynchronicznychinapędyzsilnikamireluktancyjnyminiesąopisywanewtym podręczniku.
Przekształtnikienergoelektronicznezłącznikami wpełnisterowalnymidlanapędówelektrycznych
Anexpertisapersonwhohasfoundoutbyhisownpainful experienceallthemistakesthatonecanmakeinaverynarrowfield.
NielsBohr LaureateoftheNobelPrizeinPhysics(1922)
3.1.Wprowadzenie
Przekształtnikienergoelektronicznesąurządzeniamiwykorzystywanymiwukładach przekształcaniaenergiielektrycznej.Opisyprzyrządówpółprzewodnikowych,topologiiukładóworazmetodsterowaniamożnaznaleźćnp.w[7],[81],[82].Powszechnie wykorzystywanesątopologieprzekształtnikówzwpełnisterowalnymiłącznikamienergoelektronicznymiwkonfiguracjimostkatypuHlubmostkatrójfazowego.Przekształtnikmożebyćdołączonydoźródłanapięciastałegolubźródłaprądustałego.Źródło zasilaniadeterminujerodzajwykorzystywanychłączników.Wprzekształtnikachnapięciowychwykorzystywanesąnajczęściejmoduływstecznieprzewodzące,składającesię ztranzystoraIGBTlubMOSFETidołączonejodwrotnierównoleglediody.DlawielkichmocystosowanesątyrystorywstecznieprzewodząceIGCT.Wprzekształtnikach prądowychstosowanesąłącznikiwstecznieblokujące,któreskładająsięztranzystora IGBTlubMOSFETidołączonejszeregowodiody,lubteżwstecznieblokującetyrystory IGCT.Przekształtnikinapięciowesązasilanezeźródłanapięciowego,aprzekształtniki prądowezeźródłaprądowego.Wpraktycewprzekształtnikachnapięciowychdozasi-
laniawykorzystywanesąbaterieelektrochemiczne(np.wpojazdachelektrycznychczy elektronarzędziach)lubzespołyprzekształtnikowezwyjściemnapięciowym(kondensatorwobwodzieDC)dołączonedosiecinapięciaprzemiennego.Źródłaprądowemogą byćbudowanezwykorzystaniemźródłanapięciowegoidławikaoodpowiedniodużej indukcyjności.Wwielutypowychaplikacjachprzemysłowychkorzystasięzpowszechniedostępnejsiecinapięciaprzemiennegoiwykorzystujetopologieprzekształtnikazłożonegozpośredniczącymobwodemnapięcialubprądustałego. Przekształtnikzłożony toukładenergoelektronicznyzawierającyprostowniksterowanyifalownikpołączone postronienapięcialubprądustałego.Wtensposóbpowstajewspólnypośredniczący obwódnapięcialubprądustałego.
Innymprzekształtnikiemwykorzystywanymwukładachnapędowychjest przekształtnikbezpośredni.Tentypprzekształtnikaniemaobwodupośredniczącego izbudowanyjestzdwukierunkowychłącznikówenergoelektronicznychłączących bezpośredniozaciskiźródłazasilaniazzaciskamiodbiornika.Wnapędachzsilnikami prąduprzemiennegoźródłemzasilaniamożebyćnp.siećnapięciaprzemiennego, aodbiornikiemsilnikindukcyjnylubsynchroniczny.
Biorącpoduwagępodanepowyżejdefinicje,przekształtnikienergoelektroniczne możnapodzielićnadwiekategorie,amianowicieprzekształtnikibezpośrednieiprzekształtnikizłożonezobwodempośredniczącymnapięcialubprądustałego.Narysunku3.1jestprzedstawionaklasyfikacjaprzekształtnikówzłącznikamiwpełnisterowalnymi,czylitakimiłącznikami,wktórychstanzałączenialubwyłączeniazależyjedynieodsygnałusterującego.Każdyzwymienionychrodzajówprzekształtnikówmoże byćwykorzystanydobudowynapędówzsilnikamizarównoprądustałego,jakiprzemiennego.
Rys.3.1. Klasyfikacjaprzekształtnikówstosowanychwnapędachelektrycznych
DonapędówzsilnikiemkomutatorowymDCnajczęściejsąstosowanetopologie określanejakobeztransformatoroweprzekształtnikiDC/DC1-,2-lub4-kwadrantowe.
3.Przekształtnikienergoelektronicznezłącznikamiwpełnisterowalnymidlanapędów...
Podstawowetopologietakichprzekształtnikówsąprzedstawionenarys.3.2.Przekształtnik1-kwadrantowy(rys.3.2a)umożliwiakontrolęwartościśredniejnapięcianazaciskachtwornikasilnikaDCprzyustalonejpolaryzacjiorazpozwalanajednokierunkowy przepływprądutwornika.Takastrukturaukładunapędowegodajemożliwośćregulacjiprędkościwirowaniawałutylkowjednymkierunkuinieumożliwiahamowania elektrycznego.Napędzprzekształtnikiem2-kwadrantowym(rys.3.2b)umożliwia dwukierunkowyprzepływprąduprzyjednejustalonejpolaryzacjinapięciatwornika. Wukładzietymmożliwejestwięcdwukierunkoweprzekazywanieenergiielektrycznej,atymsamymukładmożepracowaćwtrybiesilnikowymitrybiegeneratorowym(hamowanieelektryczne).Najbardziejuniwersalnyjestnapędzprzekształtnikiem 4-kwadrantowym(rys.3.2c),któryzapewniadwukierunkowyprzepływenergii,czyli pracęwtrybiesilnikowymitrybiegeneratorowym,atakżezmianękierunkuwirowania wałupoprzezzmianępolaryzacjinapięciadołączonegodoobwodutwornika.Przedstawioneschematyukładównapędowychzsilnikiemkomutatorowymprądustałego dotycząprzypadkuzasilaniazeźródłanapięciastałego(bateriaelektrochemiczna).
Wwieluaplikacjachprzemysłowychdostępnejestnapięcieprzemienne,aniestałe. Wtakimprzypadkustosowanesądodatkoweprzekształtnikinapięciaprzemiennegona stałe(przekształtnikiAC/DC).TopologiaprzekształtnikaAC/DCpowinnaumożliwiać dwukierunkoweprzekazywanieenergii,jeślinapędmapracowaćwtrybiesilnikowym igeneratorowym.Napędzsilnikiemprądustałegozasilanyzsiecinapięciaprzemiennego,poprzezzłożonyprzekształtnikAC/DC/DC,jestprzedstawionynarys.3.3.Projektowaniestrukturukładówsterowania,zawartewkolejnychrozdziałach,dotyczynapędówumożliwiającychpracę4-kwadrantową,atymsamymjestdedykowanedlastrukturprzedstawionychnarys.3.2clubrys.3.3.
Wprzypadkunapędówzsilnikiemprąduprzemiennegowkolejnychrozdziałachsą analizowaneiprojektowanestrukturyregulacjidlasilnikasynchronicznegoomagnesachtrwałychorazsilnikaasynchronicznegoklatkowego.Podstawowetopologieprzekształtnikówwykorzystywanychdobudowynapędówztakimisilnikamisąprzedstawionenarys.3.4irys.3.5. Wceluzmianyczęstotliwościiamplitudypodstawowejharmonicznejnapięciawyjściowegostosujesięsterowanieopartenametodziemodulacji szerokościimpulsu(PWM).Dopuszczalnestanyjednoczesnegozałączeniaokreślonych łącznikówsąograniczonedokombinacji,wktórychniemajednoczesnegowysterowaniadolnegoigórnegołącznikatejsamejgałęziprzekształnika.Jednoczesnepodanieimpulsusterującegodogórnegoidolnegołącznikapowodowałobyniedopuszczalnezwarcieźródłanapięcia.Dlasześciułącznikówfalownikaliczbadopuszczalnychstanówjest ograniczonado8,przyczymodróżniasię6stanówaktywnych(źródłonapięciajestdołączonedosilnika)idwastanyzerowe,wktórychnastępujezwieranieobwodustojana, aźródłonapięciajestodłączoneodsilnika.Zmianakierunkuwirowaniawałusilnika prąduprzemiennegojestmożliwapoprzezzmianękolejnościfazdołączonychdozaciskówstojana.Zmianatakajestrealizowanapoprzezmodyfikacjęsekwencjiimpulsów sterującychdoprowadzonychdołącznikówprzekształtnika.
Rys.3.2. Przykładowetopologieprzekształtnikówenergoelektronicznychdlanapędówzsilnikiemkomutatorowymprądustałego:a)topologia1-kwadrantowa,b)topologia2-kwadrantowa, c)topologia4-kwadrantowa
Rys.3.3. Napędzsilnikiemkomutatorowymprądustałegozasilanyzsiecinapięciaprzemiennego
Alternatywnymitopologiamiprzekształtnikówdlanapędówzsilnikamiprąduprzemiennegosąfalownikizpośredniczącymobwodemprądustałego.Falownikzpośredniczącymobwodemprądustałegojestdołączonydoźródłaocharakterzeprądowym,zrealizowanymwrozważanymprzypadkupoprzezszeregowepołączeniedławikaodużej wartościindukcyjnościzeźródłemnapięcia.Schematukładunapędowegozsilnikiem asynchronicznymklatkowymzasilanympoprzezfalownikprądujestprzedstawionyna
Rys.3.4. Napędzsilnikiemindukcyjnymklatkowymzasilanympoprzezfalowniknapięcia
Rys.3.5. Napędzsilnikiemsynchronicznymomagnesachtrwałychzasilanympoprzezfalownik napięcia
rys.3.6.Analogiczniemożnazbudowaćukładnapędowyzsilnikiemsynchronicznym omagnesachtrwałych.Takierozwiązaniejestprzedstawionenarys.3.7.Dosterowania falownikastosowanajestpodobniejakwprzypadkufalownikanapięciametodamodulacjiszerokościimpulsów(PWM).Wprzeciwieństwiedosterowaniafalownikanapięcia wfalownikuprąduniedopuszczalnejestprzerywanieciągłościprąduźródła.Dopuszczalnesąkombinacje,wktórychnastępujezwieranieźródła,aleniesądopuszczane takiewysterowania,wktórychzablokowanebędąwszystkiegórnelubwszystkiedolne łącznikifalownika.
Waplikacjachprzemysłowych,gdzieukładnapędowyjestzasilanyzsieciprądu przemiennego,stosowanesądodatkoweukładyprzekształtnikowetypuAC/DC.Tak jaktomamiejscedlaukładunapędowegozsilnikiemprądustałego(rys.3.3),topologiaprzekształtnikaAC/DCpowinnaumożliwiaćdwukierunkoweprzekazywanieenergii,jeślinapędmapracowaćwtrybiesilnikowymigeneratorowym.Podwzględem konstrukcyjnymwykorzystywanajesttopologiaidentycznadotejstosowanejwfalownikach.Odmiennesąjedyniestrukturyregulacji,ponieważprzekształtnikAC/DCpowinienzapewnićstabilizowanienapięcia(prądu)wobwodziepośredniczącym.KombinacjapołączeńprzekształtnikaAC/DCzprzekształtnikiemDC/ACrealizowanaze wspólnymobwodempośredniczącymjestnazywana przekształtnikiemzłożonym. Regulacjaprędkościsilnikaprąduprzemiennegodlaprzypadku,wktórymdostępne jestźródłonapięciaprzemiennego,możebyćtakżerealizowanapoprzezzastosowanie przekształtnikamatrycowego.Tentypprzekształtnikaumożliwiabezpośrednieprzekształcanienapięciaprzemiennegoookreślonej(wprzypadkusieciACstałej)często-
Rys.3.6. Napędzsilnikiemasynchronicznymklatkowymzasilanympoprzezfalownikprądu
Rys.3.7. Napędzsilnikiemsynchronicznymomagnesachtrwałychzasilanympoprzezfalownik prądu
tliwościiamplitudzienanapięcieoregulowanejczęstotliwościiamplitudzie.Schemat ideowynapęduzsilnikiemasynchronicznymklatkowymiprzekształtnikiemmatrycowymjestprzedstawionynarys.3.8.Przekształtnikjestzbudowanyz9dwukierunkowychłącznikówenergoelektronicznych,takpołączonych,abykażdafazaźródłamogła byćdołączonadokażdegozaciskuuzwojeniastojanasilnikaasynchronicznegoklatkowego.Definiującsekwencjesygnałówsterujących,należyprzedewszystkimmieć nauwadzedwapodstawoweograniczenia.Obwódwejściowyniemożebyćzwierany, awobwodziewyjściowymniemożebyćprzerywanyprąd.Przeanalizowaniemożliwychkombinacjipołączeńprowadzidorozwiązania,wktórymdopuszczalnychjest jedynie27kombinacjipołączeń.Łatwozauważyć,żesterowaniefalownikiemmatrycowymjestwzwiązkuzdopuszczalnąliczbąkombinacjipołączeńbardziejskomplikowaneniżsterowanieprzekształtnikazpośredniczącymobwodemnapięcialubprądu stałego.Zpunktuwidzeniaenergetycznegoprzekształtnikmatrycowyumożliwiadwukierunkoweprzekazywanieenergii,atymsamymnapędztegotypuprzekształtnikiem jestnapędem4-kwadrantowym,czylimożliwajestpracasilnikowaigeneratorowa(hamowanieelektryczne),atakżezmianakierunkuwirowania.Oczywiścieprzekształtnik matrycowymożebyćtakżewykorzystanydobudowynapęduzsilnikiemsynchronicznymomagnesachtrwałych.