Uplatnění synchronních strojů v dopravní technice (3. část – dokončení)

Uplatnění synchronních strojů v dopravní technice (3. část – dokončení)

doc. Ing. Jaroslav Novák, CSc.,
ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav přístrojové a řídicí techniky

Poslední, třetí částí dokončujeme článek o možnostech uplatnění regulovaných elektromechanických soustav se synchronními stroji v dopravní technice. Zejména v současné době, kdy jsou široce diskutována témata přepravy zboží po silnicích, vodních tocích i železnici, je nacházení technicky dokonalejších řešení a teoretických základů pro další rozvoj této problematiky přínosné. Cílem celého článku bylo upozornit na perspektivy použití synchronních strojů s permanentními magnety v pohonné jednotce.

8. Výzkum regulace momentu synchronního stroje

Vzhledem ke zřejmým perspektivám PMSM je v posledním roce na Odboru elektrotechniky Fakulty strojní ČVUT v Praze věnována pozornost vývoji moderního systému regulace momentu synchronního stroje, především s ohledem na využití v různých oblastech dopravní techniky. Cílem je, kromě stavby souvisejícího hardwarového vybavení, vytvořit jednoduchou, robustní a v co nejvyšší míře univerzální regulační strukturu, která bude zahrnovat problematiku provozu s plným tokem i odbuzování, dále její implementace do mikroprocesorového řídicího systému a ověření jejích vlastností. Výchozí metodou při tvorbě struktury byla metoda regulace fázových proudů, která již byla popsána.

Obr. 17. Žádaná a skutečná hodnota fázového proudu PMSM 500 W při lineární regulaci (veličiny označené * jsou žádané hodnoty)
Obr. 18. Žádaná a skutečná hodnota fázového proudu PMSM 500 W při dvouhodnotové regulaci (veličiny označené * jsou žádané hodnoty)

Pro první testy vlastností regulace fázových proudů byl použit PMSM 500 W, nebyla využívána informace o poloze rotoru a byla zadávána amplituda fázového proudu a jeho frekvence. Byly ověřovány vlastnosti lineární i dvouhodnotové regulace. Při zkouškách byl použit malý střídač s IGBT (Insulated Gate Bipolar Tranzisor – tranzistory s izolovaným hradlem) velikosti 1 200 V/20 A řízený DSP procesorem. Zkoušky byly prováděny při maximálním vstupním napětí střídače 300 V. Spínací frekvence střídače byla 5 kHz. S touto hodnotou koresponduje perioda výpočtu regulace 200 µs. Spínací frekvence byla zvolena s ohledem na potenciální využití struktury i v trakčních pohonech do 50 kW. U malých pohonů s výkony do jednotek kilowattů bude možné spínací frekvenci zvýšit.

Při zkouškách s motorem o výkonu 500 W byla částečně modifikována struktura regulace z obr. 13 – byly využity jen dva regulátory fázových proudů a žádaná hodnota napětí třetí fáze, představující vstup modulátoru PWM (Pulse With Modulation – pulsní šířková modulace) střídače, byla vypočtena z podmínky nulového součtu všech tří fázových napětí. Další modifikace spočívala ve změně reprezentace výstupních hodnot regulátorů. Vycházeje z náhradního schématu synchronního stroje na obr. 10, je z napěťové konstanty stroje a z okamžité frekvence vypočítávána okamžitá hodnota indukovaného napětí v každé fázi, ve které je řazen regulátor. Výstup regulátoru je přičten k hodnotě indukovaného napětí a tento součet reprezentuje vstupní údaj modulátoru PWM příslušné fáze. Při této konfiguraci představuje výstup proudového regulátoru napětí odpovídající úbytku na vnitřní impedanci statoru (schéma na obr. 10). Tato impedance je členem prvního řádu, pro jehož regulaci je vhodné použití PI regulátoru. Na obr. 17 je pro ilustraci uveden průběh žádané (červeně) a skutečné (modře) hodnoty proudu ve fázi při frekvenci 50 Hz. Zakmitání proudu je dáno přechodným jevem při zvýšení žádané amplitudy proudu.

Obr. 19. Zkušební pracoviště s PMSM 500 W
Obr. 21. Zapouzdřený rezolver spojený s hřídelí stroje

Na obr. 18 jsou pro srovnání uvedeny průběhy při dvouhodnotové regulaci. Z průběhu skutečné hodnoty proudu je zřejmé, že dochází k výrazné regulační odchylce a velkému zvlnění proudu. Pro dosažení lepších vlastností této regulace by bylo třeba zvýšit frekvenci výpočtu dvouhodnotového regulátoru. Vzhledem k nepříliš dobrým vlastnostem dvouhodnotové regulace a vzhledem k potenciálním problémům s elektromagnetickou kompatibilitou u této metody, zejména u pohonů vyšších výkonů (tj. trakčních), převážila v další práci orientace pouze na lineární regulaci s PI regulátory fázových proudů.

Po prvních testech na PMSM 500 W bylo započato se zkouškami na synchronním stroji 4 kW, 220 V, 13 A, 1 500 min^–1, s budicím vinutím na rotoru (pro zkoušky regulace byl motor konstantně nabuzen). Tento stroj je osazen na stanovišti s možností zatěžování a s měřičem momentu (obr. 20). Stroj byl napájen ze stejného střídače jako při zkouškách s PMSM 500 W, rovněž spínací frekvence při zkouškách byla 5 kHz.

Obr. 20. Zkušební pracoviště se synchronním strojem 4 kW

Prvním úkolem na tomto pracovišti byla instalace rezolveru a zprovoznění snímání úhlového natočení rotoru (stator a rotor rezolveru se dodávají odděleně – viz obr. 16). Rezolver byl sesazen do pouzdra, osazen ložiskem a opatřen hřídelí. Vzhledem k rozměrům a uspořádání hřídele synchronního stroje a rezolveru nebylo reálné přímé spojení, proto byla použita pružná spojka s minimální vůlí.

Úhlové natočení rezolveru je vyhodnocováno integrovaným R/D převodníkem s podpůrnými obvody, které zabezpečují především zesílení referenčního signálu pro budicí vinutí. Rezolver je dvoupólový, synchronní stroj je čtyřpólový. Použitý R/D převodník vyhodnocuje 4 096 poloh na otáčku rezolveru, ve spojení s uvedeným strojem se tedy vyhodnocuje 2 048 poloh na elektrickou otáčku, což je dostatečná přesnost. Koncepce přenosu informací mezi R/D převodníkem a mikroprocesorovým regulátorem pohonu je taková, že po resetu řídicího mikropočítače a v zadaných okamžicích v klidovém stavu pohonu je přenášena informace o absolutní poloze po paralelní sběrnici. Za chodu pohonu je poloha rotoru vyhodnocována relativně, pomocí signálů, kterými R/D převodník simuluje inkrementální čidlo. Toto vyhodnocování v podstatě nezatěžuje řídicí mikropočítač, neboť ten podporuje zpracovávání tohoto signálu prostřednictvím speciálního módu (režimu) časovače. Zde je vhodné uvést jednu zkušenost z praxe. Po určité době provozu pohonu byla porovnávána absolutní poloha daná načítáním pulsních signálů simulace IRC s aktuálně změřenou absolutní polohou. I po několika desítkách minut provozu s relativním načítáním, kdy systém zpracoval desítky milionů pulsů, se načítaná poloha nikdy nelišila od aktuálně změřené ani o jeden puls. To svědčí o dobré kvalitě systému snímání úhlu, včetně zvládnutí problému elektromagnetické kompatibility v blízkosti zdroje rušení – střídače pracujícího s pulsně šířkovou modulací.

Obr. 22. Časové průběhy veličin synchronního stroje při změně žádané hodnoty momentu (veličiny označené * jsou žádáné hodnoty)
Obr. 23. Časové průběhy veličin synchronního stroje při změně žádané hodnoty momentu (veličiny označené * jsou žádáné hodnoty)
Obr. 24. Naměřená závislost momentu synchronního stroje na amplitudě fázového proudu při zpětnovazební regulaci

Na stroji o výkonu 4 kW byla oživena regulační struktura momentu pracující v režimu s plným magnetickým tokem, generující fázové proudy ve fázi s indukovaným napětím, tj. kolmo na polohu rotoru. Při tomto způsobu řízení je do regulátoru zadávána požadovaná hodnota amplitudy fázových proudů, jíž je – při daném způsobu řízení – úměrný moment. Regulační struktura byla ověřována v motorickém i generátorickém režimu. V generátorickém režimu leží prostorový vektor proudu v protifázi k indukovanému napětí. Při zkouškách se zatížením byl využíván stejnosměrný dynamometr s otáčkovou zpětnovazební regulací, synchronní stroj pracoval s momentovou regulací.

Na obr. 22 jsou uvedeny průběhy okamžité žádané (modře) a skutečné (fialově) hodnoty fázového proudu a průběhy žádané (červeně) a skutečné (zeleně) amplitudy proudu, která je úměrná vnitřnímu momentu. Průběhy představují přechodný jev, kdy byla změněna žádaná hodnota momentu z 12 N·m na –12 N·m při statorové frekvenci 18 Hz.

Na obr. 23 jsou průběhy žádané hodnoty fázového proudu (modře), skutečné hodnoty fázového proudu (fialově), vypočítaného indukovaného napětí (světle modře) a fázového napětí zadávaného na vstup PWM modulátoru, které odpovídá statorovému napětí synchronního stroje (žlutě). Průběhy byly naměřeny při skokovém zvýšení žádané hodnoty momentu z 0 na 12 N·m. Na obr. 23 je zřejmá souvislost s fázorovým diagramem na obr. 10: žádaná a skutečná hodnota proudu jsou ve fázi s indukovaným napětím a svorkové napětí statoru se předbíhá před proudem. Rozdíl mezi indukovaným a svorkovým napětím je úbytek na vnitřní impedanci statorového vinutí. Vzhledem k tomu, že průběhy byly naměřeny při malé frekvenci (10 Hz), je úbytek napětí na vnitřní reaktanci malý, dominuje úbytek napětí na vnitřním odporu a fázový posun mezi proudem a napětím statoru je velmi malý.

Na obr. 24 je vynesena závislost momentu synchronního stroje, změřená pomocí váhy dynamometru, na amplitudě fázového proudu, zadávané v příslušném měřítku na vstup regulátoru, při již popsané regulaci. Záporné hodnoty představují generátorický režim. Je zřejmé, že závislost je podle předpokladů lineární. Graf neprochází počátkem souřadnicové soustavy, což je dáno momentem mechanických ztrát celého soustrojí.

Realizovaná struktura regulace má dobré vlastnosti, což je prezentováno v uvedených grafech. Byla odladěna a vyzkoušena při provozu s plným magnetickým tokem. V další práci bylo zjištěno, že v závislosti na frekvenci statorového napětí, tj. v závislosti na otáčkách, je nutné mírně korigovat konstanty PI regulátorů proudů tak, aby měla struktura regulace optimální vlastnosti. Z toho důvodu je důležitá orientace na tvorbu adaptačního algoritmu, který by automaticky korigoval konstanty regulátorů v závislosti na velikosti časové derivace žádané hodnoty fázového proudu v dané fázi. Dalším krokem bude ověření možnosti deformace fázového napětí zadávaného na vstup PWM modulátoru tak, aby se zvýšila maximální možná hodnota první harmonické statorového napětí pro dané vstupní napětí střídače. Bude ověřena možnost využití této metody ve spojení s popsanou regulační strukturou. Třetí oblastí je realizace režimu odbuzování. Další kroky budou zaměřeny na testování a případné modifikace uvedené struktury ve vazbě na konkrétní aplikace synchronních strojů v dopravní technice.

9. Závěr

Článek nemohl postihnout problematiku využití synchronních strojů v dopravní technice v celé šíři. Jeho cílem bylo zejména upozornit na zajímavá řešení v tomto oboru, především ve vazbě na použití synchronních strojů s permanentními magnety. Zároveň byla snaha poukázat na perspektivy této pohonné jednotky. Lze jistě očekávat, že již nedaleká budoucnost přinese další zajímavá řešení v této oblasti.

Literatura:
[1] ČEŘOVSKÝ, Z. – HALÁMKA, Z.: Power electronics in automotive hybrid drives. In: 10^th International Power Electronics and Motion Control Conference – EPE-PEMC 2002, CD-ROM – T5-013, Dubrovnik, 2002, ISBN953-184-046-6.
[2] ČAMBÁL, M. – NOVÁK, M. – NOVÁK, J.: Study of Synchronous Motor Rotor Position Measuring Methods. In: 13^th International Conference on Electrical Drivers and Power Electronics, Zagreb: KoREMA, 2005, pp. 62-66, ISBN 953-6037-42-4.
[3] JAVŮREK, J.: Regulace moderních elektrických pohonů. Grada, Praha, 2003.
[4] Firemní materiály VUES Brno, ATAS Náchod, MAXON, Analog Devices, Škoda Electric.