właściwości napędowe pięciofazowego silnika ...jarguz/grant/prezentacja1.pdf · właściwości...
TRANSCRIPT
Właściwości napędowe pięciofazowego silnika indukcyjnego klatkowego
Jarosław GUZIŃSKI, Grzegorz KOSTRO, Patryk STRANKOWSKI, Marcin MORAWIEC, Filip WilczyńskiWydział Elektrotechniki i Automatyki
Katedra Automatyki Napędu Elektrycznego
XVII konferencja naukowo-techniczna o charakterze szkoleniowymAUTOMATYKA, ELEKTRYKA, ZAKŁÓCENIA
24-26.05.2017, JurataWspółorganizatorzy: Politechnika Gdańska, Zarząd Portu Port Gdynia SA, SPE/O Gdańsk
1. 1969 rok pierwszy napęd elektryczny 5 fazowy z falownikiem napięcia
2. Do lat 1990 ograniczone zainteresowanie z powodu braku odpowiednich falowników
3. Duże zainteresowanie i intensywny rozwój od 2000 roku ze względu na pożądane zastosowanie w:• napędy trakcyjne (pojazdy hybrydowe i elektryczne),• napędy elektryczne statków,• napędy elektryczne w samolotach (koncepcja ‘more-electric
aircraft’).
Napędy elektryczne wielofazowe
• Maszyna wielofazowa czyli o liczbie faz większej niż trzy, np. maszyna pięciofazowa
• Nowe możliwości wynikające z zastosowania maszyn wielofazowych
• Elektryczna sieć trójfazowa nie jest ograniczeniem przy stosowaniu maszyn wielofazowych, np. 5 fazowych, gdyż większość napędów elektrycznych jest obecnie zasilana z falowników
• Maszyny wielofazowe są na razie drogie ale wynika to jedynie z małej skali produkcji, przy produkcji wielkoseryjnej koszt będzie podobny jak maszyn trójfazowych
Napędy elektryczne wielofazowe
Zalety w porównani z silnikami 3 fazowymi- Wyższa niezawodność (możliwość pracy z uszkodzoną jedną fazą, a w niektórych przypadkach również z uszkodzonymi dwoma fazami)
- Mniejsze pulsacje momentu (mniejszy hałas)
- Stosowanie falowników z tranzystorami na mniejsze prądy
- Dodatkowe możliwości sterowania (możliwe jest uzyskanie wyższego momentu napędowego)
Trudności- Bardziej złożone metody sterowania- Brak oferty fabrycznych pięciofazowychsilników i falowników
Napęd elektryczny z pięciofazowym silnik indukcyjny klatkowy
Pięciofazowy silnik indukcyjny klatkowy
Dane jednego z wykonanych prototypów:PN = 5,5 kWp = 3nN =1430 obr/minUN (fazowe) = 140 V fN = 75 HzIN = 10,9 AcosjN = 0,84
Budowa prototypu silnika:• wykorzystanie obudowy i wirnika standardowego silnika 3-fazowego
• projekt pakietu stojana• wycięcie blach stojana (laser FIBER)• złożenie pakietu blach i nawinięcie uzwojeń• złożenie silnika
Pięciofazowy silnik indukcyjny klatkowy
Charakterystyka mechaniczna przy zasilaniu znamionowym – symulacja polowa
Pięciofazowy silnik indukcyjny klatkowy
Charakterystyki mechaniczna przy zasilaniu znamionowym – symulacja i pomiary
Pięciofazowy silnik indukcyjny klatkowy
Rozpływ strumienia i rozkład indukcji magnetycznej
Rozkład składowej radialnej indukcji
w szczelinie roboczej pięciofazowego silnika
indukcyjnego klatkowego przy zasilaniu napięciem
znamionowym
Praca w stanach awaryjnych
Charakterystyki mechaniczne pięciofazowego silnika indukcyjnego klatkowego przy zasilaniu napięciem znamionowym dla różnych uszkodzeń uzwojeń stojana – symulacja polowa
Praca w stanach awaryjnych
Charakterystyki mechaniczne pięciofazowego silnika indukcyjnego klatkowego przy zasilaniu znamionowym dla różnych uszkodzeń uzwojeń stojana – symulacja polowa i eksperyment
Praca w stanach awaryjnych
Prądy fazowe pięciofazowego silnika przy uszkodzeniu dwóch niesąsiadujących faz stojana przy zasilaniu znamionowym i 20% obciążeniu - badania laboratoryjne
Przy uszkodzeniach faz stojana zwiększają się prądy w nieuszkodzonych fazach. Rozkład tej jest niesymetryczny, np.:
Praca w stanach awaryjnychUszkodzenie faz stojana wpływa znacząco na rozpływ strumienia magnetycznego i rozkład indukcji magnetycznej
Rozpływ strumienia magnetycznego i rozkład indukcji magnetycznej przy uszkodzeniach faz stojana pięciofazowego silnika indukcyjnego
Zwiększenie momentu napędowego w pięciofazowym silniku klatkowym
Strumienie wirnika w pięciofazowym silniku indukcyjnym
Lepsze wykorzystanieobwodu magnetycznego
Sterowanie zapewniające synchronizacje 1 i 3 harmonicznej strumienia wirnika
Uzwojenia stojana skupione i rozłożone
Skupione Rozłożone
B
A
C D
E
-A
-B
-D'
-E'
A'
B'
C'D'
E'
-D
-E-A'
-B'
-C'
-C
722 =36
m=52p=2q =1s
B
A
C D
E
-A
-B
-D'
-E'
A'
B'
C'D'
E'
-D
-E
-A'
-B'
-C'
-C
722 =36
m=52p=2
B
A
CD
E
-A
-B
-D'
-E'
A'
B'
C'D'
E' -D
-E-A'
-B'
-C'
-C
q =2s
Model matematyczny pięciofazowego silnika o uzwojeniach skupionych
21
21
21
21
21
2442024421
220221
52
sinsinsinsincoscoscoscossinsinsinsincoscoscoscos
sA
Transformacja Clarke P=const
Model w układzie współrzędnych abcde (5 wymiarowa przestrzeń wektorowa) jest przekształcana na dwie dwuwymiarowe podprzestrzenie (płaszczyzny) a-b, x-y:
a-b
x-y
Składowa zerowa
1 harmoniczna100 % Mn
3 harmoniczna do ok. 15% Mn
Model obwodowy maszyny indukcyjnej pięciofazowej o uzwojeniach skupionych:
obcIIe
Ie
r MMMddJ
Model matematyczny pięciofazowego silnika o uzwojeniach skupionych
I IIr r3
Rozpływ strumienia magnetycznego w pięciofazowym silniku dla różnych kolejności zasilania faz uzwojenia stojana
Kolejność zasilania faz pięciofazowego silnika indukcyjnego
Sekwencja 1 Sekwencja 3
2p=4 2p=12
Zasilanie pięciofazowego silnika trzecią harmoniczną napięcia
Charakterystyki mechaniczne pięciofazowego silnika indukcyjnego przy zasilaniu trzecią harmoniczną napięcia – symulacje polowe i pomiary laboratoryjne
Przebieg napięcia przewodowego oraz prądu fazowego przy generowaniu pierwszej i trzeciej harmonicznej napięcia wyjściowego
NAPIĘCIE
PRĄD
Przebieg napięcia wyjściowego uab oraz przebieg i harmoniczne prądu fazowego ia podczas formowania równocześnie 1 i 3 harmonicznej napięcia wyjściowego
Sekwencja wektorów aktywnych i pasywnych:
Modulacja szerokości impulsóww pięciofazowym falowniku napięcia
Przebieg prądu fazowego pięciofazowego silnika indukcyjnego przy różnych obciążeniach i zasilaniu napięciem z dodatkiem 3 harmonicznej
Modulacja szerokości impulsóww pięciofazowym falowniku napięcia
Regulacja momentu, strumienia magnetycznego i prędkości obrotowej
Znane metody sterowania można stosować dla pięciofazowych silników
Sterowanie skalarne U/f jest możliwe jedynie dla sterowania w I układzie ortogonalnym
Sterowanie zwiększające moment napędowy wymaga układu zapewniającego synchronizacje strumienia wirnika w I oraz II układzie ortogonalnym, np.: Sterowanie polowo zorientowane Sterowanie nieliniowe (multiskalarne)
Estymacja zmiennych jest bardziej złożona, musi być dodany obserwator stany dla zmiennych II układu ortogonalnego
Sterowanie i estymacja zmiennych w obu układach ortogonalnych wymaga większej mocy obliczeniowej układu mikroprocesorowego
Sterowanie polowo zorientowane
Struktura układu sterowania polowo zorientowanego pięciofazowym silnikiem indukcyjnym klatkowym i synchronizacją pierwszej i trzeciej harmonicznej
strumienia
Sterowanie polowo zorientowanepięciofazowym silnikiem indukcyjnym
Przebiegi podczas nawrotu pięciofazowego silnika indukcyjnego przy sterowaniu polowo zorientowanym dla układów ortogonalnych I oraz II i z
synchronizacją strumieni – badania eksperymentalne
Elektryczne zmienne stanu modelu aI-bII :
Zmienne modelu multiskalarnego:
i i i i i12 r s r sq i i i i i i i21 r r r rq
i i i i i22 r s r sq i i
i ir r, i i
s si ,i
Zmienne multiskalarne prędkości kątowej:I11 rq II
11 rq 3 gdzie:III qq 11113
Sterowanie multiskalarne pięciofazowym silnikiem indukcyjnym
30-lecie sterowania multiskalarnego:Zbigniew Krzeminski, Nonlinear control of induction motor, Proceedings of the 10th IFAC World Congress, Munich, (1987), 349-354
Krzemiński Z., Adamowicz M., Guziński J.: "Nonlinear control of five phase induction motor withsynchronized third harmonic fluxinjection," First Workshop on Smart Grid and Renewable Energy (SGRE2015), 22-23.03.2015, Doha, Katar.
Na dynamikę prędkości kątowej wirnika mają wpływ moment pochodzący od 1. harmonicznej prądu stojana i strumienia wirnika oraz moment pochodzący od 3. harmonicznej prądu stojana i strumienia wirnika:
I IIII IIm m1112 obc 12I II
r r
L Ldq 1 q M qdt J L L
Równania dynamiki pozostałych zmiennych multiskalarnych:
i i i iiir s s r1212i i i
r si i
i i i im r11 22 21 1i i i i i i
r s r s
R L R Ldq qdt L L
L Lq ( q q ) u ,L L L L
ii ii i im21 r21 r 22i i
r r
Ldq R2 q 2R qdt L L
i i i iii i ir s s r2222 11 12i i i
r si i i i2i i i ir m m r
21 r s 22 i i i ii i i r r sr s
R L R Ldq q q qdt L L
R L L Lq R i u ,L L LL L
nielinowenielinowe
Sterowanie multiskalarne pięciofazowym silnikiem indukcyjnym
Zmienne sterujące modelu multiskalarnego:
i i i i i i i ii i i i ir s m r s s r1 11 22 21 1i i i i i
r r s r
L L L R L R Lu q ( q q ) m ,
L L L L
i i i i i
i i i ir s r m2 11 12 21i 2i i ir r s
i i i i i ii 2 i 2ir m r s s r12 222i i 2 i
r 21 r
L L R Lu ( q q qL L L
R L R L R L( q ) ( q ) ) mL ( q ) L
Linearyzacja nieliniowych równań modelu multiskalarnego:
i i i ii
i ir s s r1212 1i i i
r s
R L R Ldq q m ,dt L L
i i i iii ir s s r2222 2i i i
r s
R L R Ldq q m ,dt L L
Nowe zmienne sterujące
Sterowanie multiskalarne pięciofazowym silnikiem indukcyjnym
Sterowanie multiskalarne
I12q
I ref12q
I ref11q
I11q
I1m
I22q
I ref22q
ref21 1q
21 1q
I2m
Isv
Isv
Isi Isi
Ir r
IrIrI
rII ref
r
IIr
II12q
II ref12q II
1m
II22q
II ref22qII ref
21q
II21q
II2m
IIsv
IIsv
IIsi IIsi
IIr
r3
II refr
IIr
IIrIIr
r
Spr
zęże
nia
zwro
tne
linea
ryzu
jące
(14)
,(15)
ora
z tra
nsfo
rmac
ja (2
2),(2
3)zm
ienn
ych
ster
ując
ych
Spr
zęże
nia
zwro
tne
linea
ryzu
jące
(14)
,(15)
ora
z tra
nsfo
rmac
ja (2
2),(2
3)zm
ienn
ych
ster
ując
ych
r _ zad r, j.w.
sAi A sAi A
r _ zad r, j.w.
I 2obc 12 SM ,q , I j.w. I II 2
obc 12 12 SM ,q ,q , I j.w.
rA Wb rA Wb
Sterowanie multiskalarne tylko dla układu współrzędnych aI-bII
Sterowanie multiskalarne dla układów współrzędnych aI-bII oraz aI-bII
(iniekcja 3. harmonicznej strumienia wirnika)
Rozruchu silnika indukcyjnego pięciofazowego ze stałym momentem obciążenia - symulacja
Nastąpiłwzrost generowanego momentu przy jednakowymwskaźniku prądu
Max 0.85Max 0.94
2 22 I IIs s sI I I
r _ zad r, j.w.
sAi A sAi A
r _ zad r, j.w.
I 2obc 12 SM ,q , I j.w. I II 2
obc 12 12 SM ,q ,q , I j.w.
rA Wb rA Wb
Sterowanie multiskalarne tylko dla układu współrzędnych aI-bII
Sterowanie multiskalarne dla układów współrzędnych aI-bII oraz aI-bII
(iniekcja 3. harmonicznej strumienia wirnika)
Rozruchu silnika indukcyjnego pięciofazowego ze stałym momentem obciążenia - symulacja
Rozruch Rozruch
Skutkiemjest skrócenieczasurozruchuo ok. 1/5
Podsumowanie i wnioski
Główną zaletą pięciofazowych silników jest podwyższona niezawodność pracy co czyni silniki te szczególnie przydatnymi w układach dużej mocy i innych wymagających niezawodnej pracy
Silniki pięciofazowe mogą pracować z ograniczonym momentem z uszkodzoną jedną lub dwoma nie sąsiednimi fazami
Przy wprowadzeniu odpowiedniej metody sterowania można uzyskać wzrost momentu napędowego dzięki wykorzystaniu trzeciej harmonicznej strumienia wirnika
Stopień skomplikowania konstrukcji pięciofazowego silnika jest podobny do trójfazowego silnika, koszt będzie podobny przy produkcji wielkoseryjnej
Możliwa jest zmiana istniejącego trójfazowego silnika na pięciofazowy silnik jedynie przez wymianę pakietu stojana
Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer
DEC-2013/09/B/ST7/01642 oraz 2015/19/N/ST7/03078.