Transcript Реализација фреквентног регулатора са
Slide 1
UNIVERZITET U KRAGUJEVCU
TEHNIČKI FAKULTET ČAČAK
DIPLOMSKI RAD
Realizacija frekventnog regulatora
sa mikrokontrolerom MC3PHAC
i invertorom STGIPS10K60A
Student:
Petar Kolarski 256/2005
Mentor:
dr Miroslav Bjekić
Čačak, oktobar 2011.
Slide 2
1. UVOD
TEORIJSKI DEO:
• Istorijski razvoj (istorijski osvrt na razvoj emp),
• Asinhroni elektromotori (kratak prikaz teorije asinhronog elektromotora),
• Frekventna regulacija (vrste, podela).
PRAKTIČNI DEO:
• Frekventni regulator (glavni deo diplomskog; konkretan regulator).
ZAVRŠNE NAPOMENE (primena i problemi).
ZAKLJUČAK
DODATAK (laboratorijska vežba).
PRILOG (kataloški podaci).
Slide 3
2. ISTORIJSKI RAZVOJ
Akademik Boris Semjonovič Jakobi (Moritz Hermann von Jacobi) je 13. septembra 1838
godine, na reci Nevi, uspešno testirao barku koju je pokretao elektromotor jednosmerne
struje. Barka dužine oko 9 metara sa 14 putnika se kretala uzvodno, brzinom od oko 4,5
km/h.
Izvor energije je bila baterija
elektrohemijskih elemenata, koja
je napajala motor jednosmerne
struje.
Jakobijev motor iz 1838 g.
Učešće emp u ukupnoj instalisanoj snazi svih pogona:
• 1890-te: oko 5% ,
• krajem 20-tih godina XX-og veka oko 75%,
• danas preko 90%.
B. S. Jakobi
Slide 4
3. ASINHRONI ELEKTROMOTORI
•
•
sa namotanim rotorom (klizno-kolutni),
sa kaveznim (kratkospojenim) rotorom.
Stator:
Ekvivalentna šema asinhronog elektromotora
Rotor:
Slide 5
Veza između momenta na osovini, snage i obrtaja je data izrazom:
Snaga koja se sa statora prenosi na rotor se naziva elektromagnetna snaga:
Izraz za struju rotora svedenu na stator glasi:
Slide 6
Uvrštavanjem izraza za I2’ u izraz za Pem , a zatim tog izraza u izraz za Mem , dobija
se:
Generatorsko
kočenje
Protivstrujno
Motorni rad
kočenje
Elektromehanička karakteristika elektromotora
Slide 7
Vrednost maksimalnog (prevalnog) momenta za motorski režim rada se dobija iz
uslova da je (dM/ds)=0:
Količnik M/Mmax se naziva Klosova formula:
pri čemu je:
i:
Slide 8
Kod motora srednjih i velikih snaga je R1<
Proizvođači elektromotora u katalozima obično navode vrednosti za ns , nn , Mn , kao i
podatak o preopteretivosti motora:
Uvrštavanjem
,
i
u uprošćenu Klosovu jednačinu, dobija se vrednost momenta pri zadatoj brzini obrtanja
rotora.
Slide 9
Promenu klizanja (odnosno brzine obrtanja rotora) pri konstantnom momentu moguće
realizovati pomoću:
1. upravljanja sa strane rotora:
• promenom otpora R2,
• uvođenjem dodatne ems u kolo rotora.
2. upravljanja sa strane statora:
• promenom impendanse u kolu statora (R1 i X1),
• promenom napona U1,
• promenom frekvencije f1.
Ovim diplomskim radom obuhvaćeno je upravljanje trofaznim asinhronim motorom
promenom frekvencije napona napajanja.
Slide 10
4. FREKVENTNA REGULACIJA ELEKTROMOTORNOG POGONA
Danas postoji desetak različitih metoda regulacije, koje se mogu svrstati u dve grupe:
1. skalarna, i
2. vektorska.
Klasifikacija metoda frekventne regulacije asinhronih elektromotora
Slide 11
4.1.
Vektorska regulacija
•
Početkom 70-tih godina XX-og veka nastaju teorijske osnove vektorske regulacije:
Karl Hase (K. Hasse) za indirektnu i Ferdinand Blaške (F. Blaschke) za direktnu
metodu kontrole fluksa rotora (Field Oriented Control-FOC).
•
Polovinom 80-tih godina Takahaši (Takahashi) i Dependbrok (Dependbrok) kreiraju
matematičke modele za usavršene tipove vektorske kontrole: direktna kontrola
momenta (Direct Torque Control-DTC), odnosno direktna samokontrola (Direct Self
Control-DSC). Ovi modeli su osnov svakog savremenog regulatora kada je reč o
rešenjima zahtevnim u pogledu dinamike.
•
Znatno preciznije upravljanje i bolje dinamičke performanse (brži odziv na promene
i širi opseg brzine rotora) od regulatora sa skalarnom regulacijom.
Slide 12
4.2.
Skalarna regulacija
•
Najstariji (i najjednostavniji) tip frekventne regulacije.
•
Zasniva se na kontroli odnosa amplitude i frekvencije napona napajanja
elektromotora, čime se kontroliše moment.
•
Vrste: sa otvorenom i sa zatvorenom petljom (povratnom spregom).
•
Promena frekvencije uzrokuje promenu brzine obrtanja rotora i utiče na struju
motora. Niža frekvencija => veća struja, veći fluks, veće zagrevanje motora.
•
Neophodno je kontrolisati fluks:
Slide 13
•
Naponska ograničenja:
Uboost > U1 > U1n => oblast konstantnog fluksa.
Naponsko-frekventna karakteristika
Naponsko-frekventna karakteristika skalarnog regulatora
Slide 14
U1 > U1n => oblast slabljenja fluksa.
Mehaničke karakteristike za sinhrone brzine više od prirodne
Slide 15
Ustart > U1 > Uboost => kompenzacija pada napona na otporu R1.
Mehaničke karakteristike za sinhrone brzine niže od prirodne
Slide 16
4.3
•
Energetska blok-šema frekventnog regulatora
Mostni ispravljački blok
Diodni ispravljač, monofazni ili trofazni.
•
Blok jednosmerne struje
Filterski elektrolitski kondenzator, sklop za zaštitu filterskog kondenzatora,
otpornik za pražnjenje filterskog kondenzatora i sklop za otporno kočenje.
Slide 17
•
Regulator
Mikrokontroler (specijalizovani ili univerzalni), sa pomoćnim sklopovima
(oscilator, PWM generator, sklopovi za zaštitu, za merenje napona, struje
faza i td).
Najčešće se koristi PWM modulacija sa nosećom učestanošću (Carrier
Based-CBPWM), tj. sinusoidalna (SPWM).
Blok-šema SPWM generatora
Slide 18
Generisanje PWM signala
Napon PWM T1 pobuđuje gornji tranzistor u polumostu jedne faze
invertora, a napon PWM T2 donji tranzistor u istom polumostu iste
faze.
Slide 19
Najveći nedostatak ovakvog PWM signala je ograničenje amplitude
linijskog napona na izlazu iz invertora na 86% od vrednosti jednosmernog
napona.
Talasni oblici napona na izlazu iz invertora
x
+
*
napon između izlaza jedne faze i negativnog pola jednosmernog napona,
napon između izlaza jedne faze invertora i neutralne tačke,
napon između dva izlaza invertora, tj. linijski napon.
Slide 20
Najjednostavnije rešenje je superpozicija napona čija se frekvencija
podudara sa frekvencijom trećeg harmonika modulišućeg napona. To je
PWM sa trećim harmonikom (Third Harmonic PWM - THIPWM).
Napon na ulazu u PWM generator u slučaju THIPWM
Ovaj napon sadrži treći harmonik, pa je upotreba ovakvih regulatora
ograničena na motore čiji su namotaji vezani u trougao.
Slide 21
•
Invertor
Sklop koji jednosmernu struju pretvara u naizmeničnu. Sastavljen je od više
tranzistora u mostnom (monofazni) ili u polumostnom spoju (trofazni),
tipa MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) ili IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor).
Trofazni polumostni invertorski stepen
Slide 22
Tokom rada motora, tranzistori jednog polumosta rade naizmenično: kada je
gornji u zasićenju (provodi), donji mora biti u stanju zakočenja i obrnuto. U
slučaju da oba tranzistora istovremeno provode, to bi za jednosmerni napon
napajanja bio kratak spoj. Problem se onemogućava: hardverski i softverski.
1. Hardverska blokada tranzistora (Interlocking Function).
Talasni oblici napona na ulazima i izlazima pobudnog stepena
Slide 23
2. Vreme mirovanja izlaznih tranzistora (Dead Time-TD).
Vreme isključenja (toff) invertorskih tranzistora je duže od vremena uključenja
(ton). Otkaz IGBT se sprečava primenom kašnjenja trenutka uključenja svakog
tranzistora u invertoru .
Slide 24
5.
FREKVENTNI REGULATOR
U okviru ovog rada realizovan je frekventni regulator sa skalarnom regulacijom sa
otvorenom petljom, pomoću specijalizovanog mikrokontrolera MC3PHAC
(Freescale Semiconductor) i inteligentnog invertorskog modula STGIPS10K60A
(ST Microelectronics).
5.1.
Mikrokontroler MC3PHAC
Mikrokontroler visokih performansi, posebno
konstruisan za regulaciju trofaznih motora u
pogonima koji pretežno rade u stacionarnim
režimima, pri različitim obrtajima rotora. MC3 u
sebi sadrži:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
8-bitni mikrokontroler (HC08, Motorola),
6-kanalni PWM modulator,
4-kanalni analogno/digitalni konvertor,
24-kanalni digitalni filter,
PLL oscilator,
sklop za podnaponsku zaštitu,
sklop za blokadu rada izlaza,
sklop za otporno kočenje,
sklop za serijsku komunikaciju.
Modul regulatora
Slide 25
Režimi rada
Samostalni i kontolisani režimu (pomoću serijske komunikacije i softvera Free
Master).
Generisanje trofaznih talasnih oblika
MC3PHAC generiše šest PWM signala, tipa THIPWM. Noseću frekvenciju
(fPWM) je moguće birati između 4 ponuđene vrednosti: 5,291[kHz], 10,582[kHz],
15,873[kHz] i 21,164[kHz].
Kontrola brzine rotora
Brzina obrtanja rotora se može menjati u bilo kom trenutku, od 1 do 128[Hz] ako
je postavljen most JP1, odnosno do 64[Hz] ako nije postavljen.
Kontrola ubrzanja i usporavanja
Ubrzanje se može menjati od 0,5 [Hz/s] do 128[Hz/s]. Vrednost ubrzanja rotora je
istovremeno i vrednost usporavanja.
Slide 26
Pobuda gornjih IGB tranzistora
Mikrokontroler pre svakog pokretanja motora najpre generiše povorku PWM
impulsa samo za donje IGBT, kako bi omogućio rad butstrep kola.
Naponsko/frekventna karakteristika
U slučaju MC3 napon porasta (Uboost) se definiše kao napon napajanja motora pri
brzini obrtanja rotora od 0[Hz].
Naponsko-frekventna karakteristika MC3
Slide 27
Promenljivi polaritet PWM napona
Polaritet se određuje tokom inicijalizacije, zajedno sa sinhronom frekvencijom
napona napajanja motora (fs).
Kombinacije polariteta i osnovne frekvencije
Vreme mirovanja IGB tranzistora (TD)
Minimalna vrednost vremena mirovanja je 0,5[μs]. Za promenu ovog vremena
neophodan je reset.
Slide 28
Zaštita
1. Spoljašnja
a) zaštita od previsokog napona UDC ,
b) zaštita od prevelike struje IDC ,
c) zaštita od previsoke temperature izlaznih tranzistora invertora.
2. Unutrašnja
a) zaštita od nestanka takt-signala,
b) zaštita od niskog napona napajanja mikrokontrolera (UDD < 4,5[V]),
c) zaštita od niskog i visokog jednosmernog napona (0,5 UDCn < UDC < 1,28 UDCn).
Dinamička kontrola bruma jednosmernog napona sabirnice (UDC)
MC3 stalno meri UDC i vrši korekciju PWM napona na svojim izlazima.
Slide 29
Kontrola rekuperacije
Pri rekuperativnom kočenju višak energije za posledicu ima povišenje
napona na elektrolitskom kondenzatoru. Problem se rešava na dva načina:
1. Automatska kontrola kočenja
Ako prilikom naglog usporavanja napon na filterskom kondenzatoru (UDC) ipak
poraste preko 110% od UDCn , MC3 će smanjiti usporavanje.
2. Otporno kočenje
Ako prilikom naglog usporavanja napon na filterskom kondenzatoru (UDC)
poraste preko 110% od UDCn biće aktiviran sklop za otporno kočenje.
Slide 30
Šeme
Kontroler
Slide 31
Zaštita
Slide 32
Komunikacija
Slide 33
Napajanje
Slide 34
5.2.
Invertor STGIPS10K60A
STGIPS10K60A je invertorski modul nove generacije (SLLIMM - Small Low-Loss
Intelligent Molded Module), namenjen za pobudu trofaznih indukcionih elektromotora
male snage (do oko 2[kW]). Odabrani hladnjak omogućava trajan rad modula sa
motorom do 1[kW].
STGIPS10K60A
Idealno je za primenu u aparatima za domaćinstvo kao što su veš - mašine, frižideri i
klima - uređaji.
Integrisano kolo sadrži u sebi:
1. 6 IGBT, po dva u svakom polumostu,
2. 3 pobudna stepena sa kontrolnom logikom,
3. NTC otpornik.
Slide 35
IGB tranzistori
Po dva snažna IGBT u polumostnom spoju čine izlazni stepen svake faze
invertora. IGBT-i mogu da izdrže kratak spoj u trajanju do najviše 5[μs].
Pobudni stepen
Napaja se naponom UCC =15[V] i sadrži kontrolna logička kola za:
1. podnaponsku zaštitu napona UCC i napona na butstrep kondenzatoru (UCb),
2. blokadu izlaznih tranzistora.
Butstrep kolo
Slide 36
Butstrep dioda je brza ispravljačka dioda i deo je integrisanog kola. Kondenzator se
dodaje kao diskretna komponenta (keramički ili metal-film kondenzator). Treba ga
smestiti što bliže integrisanom kolu.
NTC otpornik
Služi za određivanje trenutne temperature izlaznog stepena invertora, u cilju zaštite
modula od pregrevanja. Zavisnost otpora NTC otpornika od temperature je data
izrazom:
R(T) = R25 x ℮ B x (1/T – 1/298)
Slide 37
1
Na štampanoj ploči invertora se nalaze:
2
3
4
5
6
1. butstrep kondenzatori,
2. invertor STGIPS10K60A,
3. sklop za zaštitu i pražnjenje mrežnog
kondenzatora,
4. mrežni elektrolitski kondenzator,
5. mrežni mostni ispravljač,
6. izlazni MOSFET kočnice,
7. mrežni osigurač,
8. stepen za napajanje mikrokontrolera i
invertora (UCC ),
9. sklop za otporno kočenje,
10. otporni delitelj za NTC otpornik.
10 9
8
Invertorski modul
7
Slide 38
Šema
Slide 39
6. ZAVRŠNE NAPOMENE
Savremeni industrijski pogoni postaju sve zahtevniji u pogledu mogućnosti regulacije
elektromotora. U ovom trenutku, najbolje rešenje su frekventni regulatori.
Regulisani elektromotorni pogoni se uvode zbog:
1. Automatizacije elektromotornog pogona
Prilagođavanje brzine i momenta tehnološkom procesu i uslovima pogona.
2. Smanjenja potrošnje električne energije
Najveće uštede energije se postižu kod ventilatora, kompresora i centrifugalnih pumpi.
3. Zaštite mreže, motora i radne mašine
Smanjenjem polazne struje omogućeno je pokretanje znatno snažnijih elektromotora iz
iste mreže.
Zaštite motora: prenaponska, podnaponska, od preopterećenja, od asimetrije napona,
ispada jedne faze...
Smanjenjem polazne struje smanjena su dinamička naprezanja motora i radne mašine
tokom prelaznih stanja.
Slide 40
Primena frekventnih regulatora u elektromotornim pogonima donosi i neke probleme
kojih nema u neregulisanim pogonima:
1. Smanjenjem brzine obrtanja rotora smanjuje se hlađenje, odnosno raste temperatura
motora.
2. Frekventni regulator može izazvati pojavu napona viših harmonika u mreži iz koje se
napaja, što može izazvati smetnje u radu drugih uređaja.
3. Usled prisustva viših harmonika dolazi do dodatnog zagrevanja površine rotora i
osovine motora, kao i namotaja statora i rotora.
4. Velika brzina porasta napona (du/dt ≈ 50V/[ns]) izaziva dodatna naponska naprezanja
izolacije elektromotora.
5. Zbog nesimetrije napona zvezdišta, brzih promena napona (du/dt) i visoke frekvencije
na kojoj radi invertor, javljaju se ležajne struje. Problem se rešava primenom posebnih
filtera na izlazu iz regulatora, upotrebom simetričnih energetskih kablova i izolacijom
ležajeva.
Unutrašnji prsten ležaja rotora
Slide 41
7. ZAKLJUČAK
U ovom diplomskom radu je opisan i realizovan konkretan frekventni regulator kojim je
moguće ostvariti frekventnu regulaciju trofaznog asinhronog elektromotora. Pored
teorijskog dela dat je i opis konkretne konstrukcije invertorskog sklopa i prikazane su
detaljne elektronske šeme sa opisom rada svih funkcionalnih celina.
Frekventni regulator je realizovan pomoću dva modula: mikrokontrolerskog i invertorskog
(izlaznog).
Frekventni regulator sa MC3PHAC i STGIPS10K60A
Slide 42
Mikrokontrolerski modul je konstruisan kao prototip i pruža mogućnost projektantnu da
eksperimentalnim putem proveri teorijske postavke i izvrši korekcije konstrukcije pre
realizacije komercijalnog rešenja frekventnog regulatora. Na samom sklopu je izvedeno 16
priključnih mernih tačaka (TP1 – TP16).
Za potrebe univerzitetske nastave ovakav sklop je višestruko koristan. Omogućava
studentima da snime sve bitne signale frekventnog regulatora u različitim režimima rada i
da ih uporede sa graficima i karakteristikama koje su upoznali na predavanjima, a otvara i
mogućnosti daljeg rada na realizovanom elektronskom sklopu, u vidu osmišljavanja novih
seminarskih ili diplomskih radova.
Slide 43
8. DODATAK
Sastavni deo ovog rada je laboratorijska vežba pod nazivom “Snimanje karakteristika
skalarnog frekventnog regulatora i trofaznog asinhronog elektromotora u stacionarnim
režimima”. Predviđeno je snimanje dve najznačajnije karakteristike, pri različitim
opterećenjima:
1. naponsko – frekventne, i
2. momentno – frekventne.
Šema povezivanja
UNIVERZITET U KRAGUJEVCU
TEHNIČKI FAKULTET ČAČAK
DIPLOMSKI RAD
Realizacija frekventnog regulatora
sa mikrokontrolerom MC3PHAC
i invertorom STGIPS10K60A
Student:
Petar Kolarski 256/2005
Mentor:
dr Miroslav Bjekić
Čačak, oktobar 2011.
Slide 2
1. UVOD
TEORIJSKI DEO:
• Istorijski razvoj (istorijski osvrt na razvoj emp),
• Asinhroni elektromotori (kratak prikaz teorije asinhronog elektromotora),
• Frekventna regulacija (vrste, podela).
PRAKTIČNI DEO:
• Frekventni regulator (glavni deo diplomskog; konkretan regulator).
ZAVRŠNE NAPOMENE (primena i problemi).
ZAKLJUČAK
DODATAK (laboratorijska vežba).
PRILOG (kataloški podaci).
Slide 3
2. ISTORIJSKI RAZVOJ
Akademik Boris Semjonovič Jakobi (Moritz Hermann von Jacobi) je 13. septembra 1838
godine, na reci Nevi, uspešno testirao barku koju je pokretao elektromotor jednosmerne
struje. Barka dužine oko 9 metara sa 14 putnika se kretala uzvodno, brzinom od oko 4,5
km/h.
Izvor energije je bila baterija
elektrohemijskih elemenata, koja
je napajala motor jednosmerne
struje.
Jakobijev motor iz 1838 g.
Učešće emp u ukupnoj instalisanoj snazi svih pogona:
• 1890-te: oko 5% ,
• krajem 20-tih godina XX-og veka oko 75%,
• danas preko 90%.
B. S. Jakobi
Slide 4
3. ASINHRONI ELEKTROMOTORI
•
•
sa namotanim rotorom (klizno-kolutni),
sa kaveznim (kratkospojenim) rotorom.
Stator:
Ekvivalentna šema asinhronog elektromotora
Rotor:
Slide 5
Veza između momenta na osovini, snage i obrtaja je data izrazom:
Snaga koja se sa statora prenosi na rotor se naziva elektromagnetna snaga:
Izraz za struju rotora svedenu na stator glasi:
Slide 6
Uvrštavanjem izraza za I2’ u izraz za Pem , a zatim tog izraza u izraz za Mem , dobija
se:
Generatorsko
kočenje
Protivstrujno
Motorni rad
kočenje
Elektromehanička karakteristika elektromotora
Slide 7
Vrednost maksimalnog (prevalnog) momenta za motorski režim rada se dobija iz
uslova da je (dM/ds)=0:
Količnik M/Mmax se naziva Klosova formula:
pri čemu je:
i:
Slide 8
Kod motora srednjih i velikih snaga je R1<
Proizvođači elektromotora u katalozima obično navode vrednosti za ns , nn , Mn , kao i
podatak o preopteretivosti motora:
Uvrštavanjem
,
i
u uprošćenu Klosovu jednačinu, dobija se vrednost momenta pri zadatoj brzini obrtanja
rotora.
Slide 9
Promenu klizanja (odnosno brzine obrtanja rotora) pri konstantnom momentu moguće
realizovati pomoću:
1. upravljanja sa strane rotora:
• promenom otpora R2,
• uvođenjem dodatne ems u kolo rotora.
2. upravljanja sa strane statora:
• promenom impendanse u kolu statora (R1 i X1),
• promenom napona U1,
• promenom frekvencije f1.
Ovim diplomskim radom obuhvaćeno je upravljanje trofaznim asinhronim motorom
promenom frekvencije napona napajanja.
Slide 10
4. FREKVENTNA REGULACIJA ELEKTROMOTORNOG POGONA
Danas postoji desetak različitih metoda regulacije, koje se mogu svrstati u dve grupe:
1. skalarna, i
2. vektorska.
Klasifikacija metoda frekventne regulacije asinhronih elektromotora
Slide 11
4.1.
Vektorska regulacija
•
Početkom 70-tih godina XX-og veka nastaju teorijske osnove vektorske regulacije:
Karl Hase (K. Hasse) za indirektnu i Ferdinand Blaške (F. Blaschke) za direktnu
metodu kontrole fluksa rotora (Field Oriented Control-FOC).
•
Polovinom 80-tih godina Takahaši (Takahashi) i Dependbrok (Dependbrok) kreiraju
matematičke modele za usavršene tipove vektorske kontrole: direktna kontrola
momenta (Direct Torque Control-DTC), odnosno direktna samokontrola (Direct Self
Control-DSC). Ovi modeli su osnov svakog savremenog regulatora kada je reč o
rešenjima zahtevnim u pogledu dinamike.
•
Znatno preciznije upravljanje i bolje dinamičke performanse (brži odziv na promene
i širi opseg brzine rotora) od regulatora sa skalarnom regulacijom.
Slide 12
4.2.
Skalarna regulacija
•
Najstariji (i najjednostavniji) tip frekventne regulacije.
•
Zasniva se na kontroli odnosa amplitude i frekvencije napona napajanja
elektromotora, čime se kontroliše moment.
•
Vrste: sa otvorenom i sa zatvorenom petljom (povratnom spregom).
•
Promena frekvencije uzrokuje promenu brzine obrtanja rotora i utiče na struju
motora. Niža frekvencija => veća struja, veći fluks, veće zagrevanje motora.
•
Neophodno je kontrolisati fluks:
Slide 13
•
Naponska ograničenja:
Uboost > U1 > U1n => oblast konstantnog fluksa.
Naponsko-frekventna karakteristika
Naponsko-frekventna karakteristika skalarnog regulatora
Slide 14
U1 > U1n => oblast slabljenja fluksa.
Mehaničke karakteristike za sinhrone brzine više od prirodne
Slide 15
Ustart > U1 > Uboost => kompenzacija pada napona na otporu R1.
Mehaničke karakteristike za sinhrone brzine niže od prirodne
Slide 16
4.3
•
Energetska blok-šema frekventnog regulatora
Mostni ispravljački blok
Diodni ispravljač, monofazni ili trofazni.
•
Blok jednosmerne struje
Filterski elektrolitski kondenzator, sklop za zaštitu filterskog kondenzatora,
otpornik za pražnjenje filterskog kondenzatora i sklop za otporno kočenje.
Slide 17
•
Regulator
Mikrokontroler (specijalizovani ili univerzalni), sa pomoćnim sklopovima
(oscilator, PWM generator, sklopovi za zaštitu, za merenje napona, struje
faza i td).
Najčešće se koristi PWM modulacija sa nosećom učestanošću (Carrier
Based-CBPWM), tj. sinusoidalna (SPWM).
Blok-šema SPWM generatora
Slide 18
Generisanje PWM signala
Napon PWM T1 pobuđuje gornji tranzistor u polumostu jedne faze
invertora, a napon PWM T2 donji tranzistor u istom polumostu iste
faze.
Slide 19
Najveći nedostatak ovakvog PWM signala je ograničenje amplitude
linijskog napona na izlazu iz invertora na 86% od vrednosti jednosmernog
napona.
Talasni oblici napona na izlazu iz invertora
x
+
*
napon između izlaza jedne faze i negativnog pola jednosmernog napona,
napon između izlaza jedne faze invertora i neutralne tačke,
napon između dva izlaza invertora, tj. linijski napon.
Slide 20
Najjednostavnije rešenje je superpozicija napona čija se frekvencija
podudara sa frekvencijom trećeg harmonika modulišućeg napona. To je
PWM sa trećim harmonikom (Third Harmonic PWM - THIPWM).
Napon na ulazu u PWM generator u slučaju THIPWM
Ovaj napon sadrži treći harmonik, pa je upotreba ovakvih regulatora
ograničena na motore čiji su namotaji vezani u trougao.
Slide 21
•
Invertor
Sklop koji jednosmernu struju pretvara u naizmeničnu. Sastavljen je od više
tranzistora u mostnom (monofazni) ili u polumostnom spoju (trofazni),
tipa MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) ili IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor).
Trofazni polumostni invertorski stepen
Slide 22
Tokom rada motora, tranzistori jednog polumosta rade naizmenično: kada je
gornji u zasićenju (provodi), donji mora biti u stanju zakočenja i obrnuto. U
slučaju da oba tranzistora istovremeno provode, to bi za jednosmerni napon
napajanja bio kratak spoj. Problem se onemogućava: hardverski i softverski.
1. Hardverska blokada tranzistora (Interlocking Function).
Talasni oblici napona na ulazima i izlazima pobudnog stepena
Slide 23
2. Vreme mirovanja izlaznih tranzistora (Dead Time-TD).
Vreme isključenja (toff) invertorskih tranzistora je duže od vremena uključenja
(ton). Otkaz IGBT se sprečava primenom kašnjenja trenutka uključenja svakog
tranzistora u invertoru .
Slide 24
5.
FREKVENTNI REGULATOR
U okviru ovog rada realizovan je frekventni regulator sa skalarnom regulacijom sa
otvorenom petljom, pomoću specijalizovanog mikrokontrolera MC3PHAC
(Freescale Semiconductor) i inteligentnog invertorskog modula STGIPS10K60A
(ST Microelectronics).
5.1.
Mikrokontroler MC3PHAC
Mikrokontroler visokih performansi, posebno
konstruisan za regulaciju trofaznih motora u
pogonima koji pretežno rade u stacionarnim
režimima, pri različitim obrtajima rotora. MC3 u
sebi sadrži:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
8-bitni mikrokontroler (HC08, Motorola),
6-kanalni PWM modulator,
4-kanalni analogno/digitalni konvertor,
24-kanalni digitalni filter,
PLL oscilator,
sklop za podnaponsku zaštitu,
sklop za blokadu rada izlaza,
sklop za otporno kočenje,
sklop za serijsku komunikaciju.
Modul regulatora
Slide 25
Režimi rada
Samostalni i kontolisani režimu (pomoću serijske komunikacije i softvera Free
Master).
Generisanje trofaznih talasnih oblika
MC3PHAC generiše šest PWM signala, tipa THIPWM. Noseću frekvenciju
(fPWM) je moguće birati između 4 ponuđene vrednosti: 5,291[kHz], 10,582[kHz],
15,873[kHz] i 21,164[kHz].
Kontrola brzine rotora
Brzina obrtanja rotora se može menjati u bilo kom trenutku, od 1 do 128[Hz] ako
je postavljen most JP1, odnosno do 64[Hz] ako nije postavljen.
Kontrola ubrzanja i usporavanja
Ubrzanje se može menjati od 0,5 [Hz/s] do 128[Hz/s]. Vrednost ubrzanja rotora je
istovremeno i vrednost usporavanja.
Slide 26
Pobuda gornjih IGB tranzistora
Mikrokontroler pre svakog pokretanja motora najpre generiše povorku PWM
impulsa samo za donje IGBT, kako bi omogućio rad butstrep kola.
Naponsko/frekventna karakteristika
U slučaju MC3 napon porasta (Uboost) se definiše kao napon napajanja motora pri
brzini obrtanja rotora od 0[Hz].
Naponsko-frekventna karakteristika MC3
Slide 27
Promenljivi polaritet PWM napona
Polaritet se određuje tokom inicijalizacije, zajedno sa sinhronom frekvencijom
napona napajanja motora (fs).
Kombinacije polariteta i osnovne frekvencije
Vreme mirovanja IGB tranzistora (TD)
Minimalna vrednost vremena mirovanja je 0,5[μs]. Za promenu ovog vremena
neophodan je reset.
Slide 28
Zaštita
1. Spoljašnja
a) zaštita od previsokog napona UDC ,
b) zaštita od prevelike struje IDC ,
c) zaštita od previsoke temperature izlaznih tranzistora invertora.
2. Unutrašnja
a) zaštita od nestanka takt-signala,
b) zaštita od niskog napona napajanja mikrokontrolera (UDD < 4,5[V]),
c) zaštita od niskog i visokog jednosmernog napona (0,5 UDCn < UDC < 1,28 UDCn).
Dinamička kontrola bruma jednosmernog napona sabirnice (UDC)
MC3 stalno meri UDC i vrši korekciju PWM napona na svojim izlazima.
Slide 29
Kontrola rekuperacije
Pri rekuperativnom kočenju višak energije za posledicu ima povišenje
napona na elektrolitskom kondenzatoru. Problem se rešava na dva načina:
1. Automatska kontrola kočenja
Ako prilikom naglog usporavanja napon na filterskom kondenzatoru (UDC) ipak
poraste preko 110% od UDCn , MC3 će smanjiti usporavanje.
2. Otporno kočenje
Ako prilikom naglog usporavanja napon na filterskom kondenzatoru (UDC)
poraste preko 110% od UDCn biće aktiviran sklop za otporno kočenje.
Slide 30
Šeme
Kontroler
Slide 31
Zaštita
Slide 32
Komunikacija
Slide 33
Napajanje
Slide 34
5.2.
Invertor STGIPS10K60A
STGIPS10K60A je invertorski modul nove generacije (SLLIMM - Small Low-Loss
Intelligent Molded Module), namenjen za pobudu trofaznih indukcionih elektromotora
male snage (do oko 2[kW]). Odabrani hladnjak omogućava trajan rad modula sa
motorom do 1[kW].
STGIPS10K60A
Idealno je za primenu u aparatima za domaćinstvo kao što su veš - mašine, frižideri i
klima - uređaji.
Integrisano kolo sadrži u sebi:
1. 6 IGBT, po dva u svakom polumostu,
2. 3 pobudna stepena sa kontrolnom logikom,
3. NTC otpornik.
Slide 35
IGB tranzistori
Po dva snažna IGBT u polumostnom spoju čine izlazni stepen svake faze
invertora. IGBT-i mogu da izdrže kratak spoj u trajanju do najviše 5[μs].
Pobudni stepen
Napaja se naponom UCC =15[V] i sadrži kontrolna logička kola za:
1. podnaponsku zaštitu napona UCC i napona na butstrep kondenzatoru (UCb),
2. blokadu izlaznih tranzistora.
Butstrep kolo
Slide 36
Butstrep dioda je brza ispravljačka dioda i deo je integrisanog kola. Kondenzator se
dodaje kao diskretna komponenta (keramički ili metal-film kondenzator). Treba ga
smestiti što bliže integrisanom kolu.
NTC otpornik
Služi za određivanje trenutne temperature izlaznog stepena invertora, u cilju zaštite
modula od pregrevanja. Zavisnost otpora NTC otpornika od temperature je data
izrazom:
R(T) = R25 x ℮ B x (1/T – 1/298)
Slide 37
1
Na štampanoj ploči invertora se nalaze:
2
3
4
5
6
1. butstrep kondenzatori,
2. invertor STGIPS10K60A,
3. sklop za zaštitu i pražnjenje mrežnog
kondenzatora,
4. mrežni elektrolitski kondenzator,
5. mrežni mostni ispravljač,
6. izlazni MOSFET kočnice,
7. mrežni osigurač,
8. stepen za napajanje mikrokontrolera i
invertora (UCC ),
9. sklop za otporno kočenje,
10. otporni delitelj za NTC otpornik.
10 9
8
Invertorski modul
7
Slide 38
Šema
Slide 39
6. ZAVRŠNE NAPOMENE
Savremeni industrijski pogoni postaju sve zahtevniji u pogledu mogućnosti regulacije
elektromotora. U ovom trenutku, najbolje rešenje su frekventni regulatori.
Regulisani elektromotorni pogoni se uvode zbog:
1. Automatizacije elektromotornog pogona
Prilagođavanje brzine i momenta tehnološkom procesu i uslovima pogona.
2. Smanjenja potrošnje električne energije
Najveće uštede energije se postižu kod ventilatora, kompresora i centrifugalnih pumpi.
3. Zaštite mreže, motora i radne mašine
Smanjenjem polazne struje omogućeno je pokretanje znatno snažnijih elektromotora iz
iste mreže.
Zaštite motora: prenaponska, podnaponska, od preopterećenja, od asimetrije napona,
ispada jedne faze...
Smanjenjem polazne struje smanjena su dinamička naprezanja motora i radne mašine
tokom prelaznih stanja.
Slide 40
Primena frekventnih regulatora u elektromotornim pogonima donosi i neke probleme
kojih nema u neregulisanim pogonima:
1. Smanjenjem brzine obrtanja rotora smanjuje se hlađenje, odnosno raste temperatura
motora.
2. Frekventni regulator može izazvati pojavu napona viših harmonika u mreži iz koje se
napaja, što može izazvati smetnje u radu drugih uređaja.
3. Usled prisustva viših harmonika dolazi do dodatnog zagrevanja površine rotora i
osovine motora, kao i namotaja statora i rotora.
4. Velika brzina porasta napona (du/dt ≈ 50V/[ns]) izaziva dodatna naponska naprezanja
izolacije elektromotora.
5. Zbog nesimetrije napona zvezdišta, brzih promena napona (du/dt) i visoke frekvencije
na kojoj radi invertor, javljaju se ležajne struje. Problem se rešava primenom posebnih
filtera na izlazu iz regulatora, upotrebom simetričnih energetskih kablova i izolacijom
ležajeva.
Unutrašnji prsten ležaja rotora
Slide 41
7. ZAKLJUČAK
U ovom diplomskom radu je opisan i realizovan konkretan frekventni regulator kojim je
moguće ostvariti frekventnu regulaciju trofaznog asinhronog elektromotora. Pored
teorijskog dela dat je i opis konkretne konstrukcije invertorskog sklopa i prikazane su
detaljne elektronske šeme sa opisom rada svih funkcionalnih celina.
Frekventni regulator je realizovan pomoću dva modula: mikrokontrolerskog i invertorskog
(izlaznog).
Frekventni regulator sa MC3PHAC i STGIPS10K60A
Slide 42
Mikrokontrolerski modul je konstruisan kao prototip i pruža mogućnost projektantnu da
eksperimentalnim putem proveri teorijske postavke i izvrši korekcije konstrukcije pre
realizacije komercijalnog rešenja frekventnog regulatora. Na samom sklopu je izvedeno 16
priključnih mernih tačaka (TP1 – TP16).
Za potrebe univerzitetske nastave ovakav sklop je višestruko koristan. Omogućava
studentima da snime sve bitne signale frekventnog regulatora u različitim režimima rada i
da ih uporede sa graficima i karakteristikama koje su upoznali na predavanjima, a otvara i
mogućnosti daljeg rada na realizovanom elektronskom sklopu, u vidu osmišljavanja novih
seminarskih ili diplomskih radova.
Slide 43
8. DODATAK
Sastavni deo ovog rada je laboratorijska vežba pod nazivom “Snimanje karakteristika
skalarnog frekventnog regulatora i trofaznog asinhronog elektromotora u stacionarnim
režimima”. Predviđeno je snimanje dve najznačajnije karakteristike, pri različitim
opterećenjima:
1. naponsko – frekventne, i
2. momentno – frekventne.
Šema povezivanja