6.1. ZÁKLADY REGULACE ELEKTRICKÝCH POHONŮ

Transkript

1 6.1. ZÁKLADY REGULACE ELEKTRICKÝCH POHONŮ Na obr je schéma regulačního obvodu, skládajícího se z těchto hlavních bloků: Obr Princip regulačního obvodu S AČ MČ REG regulovaná soustava akční člen měřicí člen regulátor Rozlišujeme tyto signály: w(t) v (t) e(t) y(t) z(t) žádaná hodnota regulované veličiny skutečná hodnota regulované veličiny regulační odchylka (regulované veličiny) akční zásah poruchová veličina Veličina, která je regulátorem udržovaná v předepsaných podmínkách, se nazývá regulovaná veličina. Hlavní regulovanou veličinou v elektrických pohonech je moment (trakční pohony), otáčivá rychlost (nejčastěji), nebo poloha (servopohony). Dalšími regulovanými veličinami může být proud, magnetický tok ve stroji, spínací kmitočet střídače a další. Zařízení, které má být regulováno, nazýváme regulovanou soustavou S. V elektrickém pohonu je to elektrický stroj včetně poháněného mechanizmu. Regulační obvod vždy obsahuje zpětnou vazbu s měřicím členem. Podstatou regulace je porovnávání skutečné hodnoty (regulované veličiny) s hodnotou žádanou. Jejich rozdíl vstupuje jako regulační odchylka do regulátoru, kde je z ní na základě algoritmu vloženého do regulátoru, generován řídicí signál vstupující do akčního členu. Ten je ve struktuře moderního regulovaného pohonu tvořen výkonovým polovodičovým měničem. Akční zásah tvoří změna napětí, proudu, kmitočtu apod. Na obr je zjednodušeně označen vliv poruchového signálu. Ve skutečnosti může působit v kterémkoliv místě regulačního obvodu. Většinou se nejedná o poruchu v pravém slova smyslu, ale o normální stav regulované soustavy (změna zatěžovacího momentu, napájecího napětí a dalších technologických veličin). Dobře navržený regulační obvod musí splňovat řadu podmínek. Kromě spolehlivosti celého systému jsou základními požadavky stabilita, optimální seřízení, minimální trvalá regulační odchylka, minimální přechodná regulační odchylka a minimální doba regulačního pochodu. Obvod automatického řízení je stabilní, když se regulovaná veličina, byla-li vyvedena změnou kterékoliv veličiny ze své rovnovážné polohy, ustálí na stejné nebo nové rovnovážné

2 poloze. Za stabilní považujeme i obvod, kde regulovaná veličina periodicky kmitá kolem rovnovážné polohy, pokud maximální odchylka od rovnovážné polohy nepřestoupí povolenou chybu. V nestabilním obvodu se regulovaná veličina mění po změně rovnovážného stavu až ke své krajní poloze, případně kmitá s větší amplitudou, než je povolená chyba. Stabilita je nutnou podmínkou pro správnou funkci regulačního obvodu. Přesnost regulace je dána chybou, s jakou systém udržuje regulovanou veličinu v předepsaných mezích. Nejčastěji se udává v procentech ustálené hodnoty. Při regulaci na konstantní hodnotu mluvíme o statické přesnosti. Dynamická přesnost je určena odchylkou, s jakou regulovaná veličina sleduje měnící se řídicí veličinu. U elektrických pohonů přesnost regulace nejčastěji udáváme pro definovanou změnu zatěžovacího momentu, například v rozsahu 0 až 100% jmenovité hodnoty. Kvalita regulačního pochodu je charakterizována průběhem přechodného děje regulované veličiny (přechodovou charakteristikou) při skokové změně vstupní veličiny obvodu. Tvar přechodové charakteristiky může být monotónní, nebo s překmitem a následnými tlumenými kmity. Z charakteristiky určujeme dobu regulace podle smluvených kritérií. Podle dalších podmínek posuzujeme optimálnost návrhu a nastavení regulátoru. Obr Přechodová charakteristika

3 6.2. Mikropočítačové řízení elektrických pohonů Praktický návrh řídicích algoritmů pro elektrický pohon vyžaduje k testování chování pohonu vhodný laboratorní systém. Takový systém je na katedře Výkonové elektroniky a elektrických pohonů využíván a díky jeho modulární koncepci je umožněna jeho jednoduchá konfigurace. V této kapitole jsou stručně popsány jednotlivé komponenty včetně jejich parametrů. Výkonová část regulovaného pohonu zahrnuje elektromotor, měnič a pracovní mechanismus. Dalšími bloky jsou blok řídicího systému pohonu - zahrnující prvky pro řízení (řídicí systém, čidla, převodníky ) a blok nadřazeného řídicího systému. Výkonová část Řídicí systém pohonu Nadřazený řídicí systém Obr Struktura laboratorního systému. Měnič Motor Pracovní mechanismus i a, i b, Ud ε, ω Obr Blokové schéma výkonové části elektrického pohonu. V dalším textu bude prezentován příklad mikropočítačového řízení se signálovým procesorem (firmy Texas Instuments) střídavého pohonu s asynchronním motorem napájeným z nepřímého měniče kmitočtu s napěťovým střídačem. Motor Třífázový indukční motor typu P112M04 (výrobce MEZ Frenštát) o výkonu 2,7kW s kroužkovým rotorem (spojeným nakrátko). Motor je vybaven inkrementálním snímačem otáček IRC 120/1024 se dvěma fázově posunutými výstupy, které umožňují rozlišit až 4096 kroků na otáčku. Pracovní mechanismus Pracovní mechanismus představuje stejnosměrný motor s cizím buzením typu MB 112S, jmenovitého výkonu 1,6 kw, který je s motorem spojen prostřednictvím čepové spojky. Ten dovoluje s pomocí regulace proudu kotvy v určitém rozsahu nastavovat zatěžovací moment. Měnič frekvence Pro napájení motoru byl realizován prototyp nepřímého měniče frekvence s diodovým usměrňovačem a s napěťovým střídačem viz obr Na vstupu byl použit usměrňovací modul 60 MT 120 KB od firmy IRF. Stejnosměrný meziobvod je tvořen dvěma sériově spojenými kondenzátory 2,2 mf/400v od firmy Siemens-

4 Matsushita. Napětí meziobvodu je regulováno regulačním transformátorem, který napájí vstupní usměrňovač měniče. Jako výkonové spínače jsou použity tři bezpotenciálové moduly s IGBT tranzistory. V každém modulu jsou dva sériově spojeny IGBT tranzistory s antiparalelními diodami. Základní parametry tranzistoru shrnuje tabulka Typ IGBT modulu BSM 50 GB 120 DN2, EUPEC 1200 V U CEmax I C 50 A ton 100 ns toff 450 ns Tab Parametry výkonových tranzistorů měniče frekvence. Pro buzení IGBT tranzistorů byl použit budící modul SCALE 6SD106EI od firmy CONCEPT. Každý modul IGBT je řízen budičem zabezpečujícím několik funkcí: galvanické oddělení, spínání tranzistorů a ochranu tranzistorů hlídáním napětí v sepnutém stavu. Napětí v sepnutém stavu je u IGBT přímo úměrné kolektorovému proudu a tímto je tedy zajištěna funkce proudové ochrany. V měniči jsou snímány proudy ve dvou fázích, třetí proud se počítá v mikropočítačovém řídicím systému. Dále je snímáno napětí stejnosměrného meziobvodu. Snímače proudu a napětí jsou od firmy LEM SA s proudovým výstupem, pracují na principu Hallovy sondy se zpětnovazební kompenzací. Výstupy z čidel jsou galvanicky oddělené a je možné přímé připojení na A/D převodníky řídicího systému. + VT1 VT3 VT5 U d VT4 VD1 VT6 VD3 VT2 VD5 a b c VD4 VD6 VD2 Obr Schéma nepřímého měniče frekvence s napěťovým meziobvodem Řídicí mikropočítačový systém Řídicí mikropočítačový systém, jehož blokové schéma znázorňuje obr , je tvořen mikropočítačem, vstupními kartami, které zajišťují převod signálů měřicích čidel na digitální data a výstupními kartami sloužící k ovládání měniče a k výstupu kontrolních analogových

5 veličin. Tyto karty jsou spolu s mikropočítačem spojeny systémovou sběrnicí. Karta procesorového modulu provádí zpracování dat a realizuje požadovaný řídicí algoritmus. Navíc zajišťuje komunikaci s nadřazeným systémem pomocí asynchronní sériové linky RS232C. 3~ 50Hz systémová sběrnice (MESIT) BSP 6 TFC PC/AT RS 232 µc-tms 320C40 D/A BVPR A/D BIZ OSC 8 IRC AM Obr Blokové schéma řídicího systému. Periferie v řídicím systému Z obrázku je zřejmé, že řídicí mikropočítač využívá řadu periferií (znázorněny blokově), jejichž stručná charakteristika je uvedená níže. A/D převodník Slouží k převodu analogových signálů na výstupu čidel proudu a napětí do číslicové formy. Deska A/D převodníku (blok A/D) je tvořena rychlým čtyřkanálovým 12-ti bitovým A/D převodníkem se vstupním rozsahem -10 V až 10 V a s dobou převodu 800 ns všech čtyřech kanálů. Prostřednictvím analogových pamětí a multiplexoru mohou být všechny vstupní analogové signály synchronně sejmuty a postupně převedeny. D/A převodník Deska D/A převodníků je určena pro výstup spojitých veličin, které obvykle po zobrazení na osciloskopu slouží jako kontrolní signály pro sledování důležitých vnitřních veličin regulační struktury. Deska je řešena jako osmikanálový 12-ti bitový D/A převodník s výstupním rozsahem -10 V až 10 V. Blok vyhodnocení polohy rotoru Blok vyhodnocení polohy rotoru (blok BVPR) slouží k vyhodnocení úhlu natočení rotoru ε. Zpracovává dva vzájemně fázově posunuté signály z inkrementálního čidla IRC s 1024 pulsy na 1 otáčku, které jsou násobeny 4x. Dále umožňuje vyhodnotit rychlost a směr otáčení rotoru. Při opakovací periodě regulace rychlosti T oω = 5 ms je rozlišitelnost 3 ot/min. Deska spínacích pulsů Deska spínacích pulsů (blok BSP) slouží k řízení budících obvodů výkonové části měniče. Byla navržena pro realizaci vektorové pulsně šířkové modulace s vysokou spínací frekvencí. Deska zajišťuje časování spínacích dob požadovaných vektorů měniče a jejich ochranu vkládáním tzv. mrtvé pauzy o nastavitelné délce 0 až 15 µs mezi vypnutím a zapnutím

6 spínačů v jedné větvi. Obsahuje paměť typu FIFO, do které je možno uložit až 8 spínacích vektorů s příslušnou spínací dobou. Dále zabezpečuje ochranu výkonových spínacích prvků před chybným sepnutím. Pomocí této desky je možné generovat spínací pulsy pro měnič v rozsahu spínacích frekvencí od 2 do 30 khz. Řídicí mikropočítač V rámci práce na katedře výkonové elektroniky a el. pohonů bylo navrženo a realizováno několik mikropočítačových systémů osazených signálovými procesory firmy Texas Instuments. Pro každou realizovanou úlohu byl využit jiný mikropočítač. Tato volba byla provedena na základě náročnosti realizovaného algoritmu. Obecně se dá říci, že díky použití signálových procesorů je možné realizovat i velmi časově náročné řídicí algoritmy. Použití signálových procesorů s plovoucí řádovou čárkou také zajišťuje především velký uživatelský komfort při programování a také možnost využít vyšší programovací jazyk. Řídicí mikropočítač se signálovým procesorem TMS 320C50 Signálové procesory řady TMS320C5x jsou novější procesory s pevnou řadovou čárkou. Ve srovnání s řadami C3x a C4x, které jsou určeny pro velmi náročné aplikace, je C5x podstatně jednodušší a lacinější. Jejich jádrem je zlepšená architektura procesorů TMS320C25, jsou dvojnásobně rychlejší a jsou zpětně kompatibilní vzhledem k předchozím řadám. Vysoký výpočetní výkon je dosažen díky třem zřetězeným aritmetickým jednotkám. Procesor pracuje se 16-ti bitovými daty v aritmetice s pevnou řádovou čárkou.pro dosažení rychlého výpočtu je u něj využívána tzv. modifikovaná harvardská architektura, kde programová a datová paměť leží ve dvou oddělených oblastech, přičemž je umožněn přesun dat mezi uvedenými oblastmi. Paměťové cykly pro čtení, dekódování instrukcí, zpracování operací a ukládání výsledku se překrývají. Samotná datová paměť je dále rozdělena na paměť určenou pro uchovávání proměnných a na paměť určenou pro konstanty, což vzhledem k tomu, že každý operand, proměnná veličina nebo konstanta je adresována jinou branou pamětí, vede k dalšímu urychlení výpočtu. Na čipu je integrovaná násobička, která umožňuje během jednoho instrukčního cyklu (50 ns) vynásobit dvě 16-bitová čísla, jejichž výsledkem je 32-bitové číslo. Procesor je vybaven aritmetickou logickou jednotkou (ALU), akumulátorem (ACC), vyrovnávacím akumulátorem (ACCB), které jsou 32 - bitové. Dále procesor obsahuje: 16-bitovou paralelní logickou jednotku (pro vykonávání logických operací); řadu pomocných registrů využívaných pro nepřímé adresování; 16 programově ovládaných generátorů WAIT stavů (pro práci s pomalejšími periferiemi; 11 stínových registrů pro uchování obsahů důležitých registrů při obsluze přerušení; několik vstupů pro externí přerušení; programovatelný časovač pro interní přerušení atd. Instrukční cyklus má délku 50ns, přičemž většina instrukcí je prováděna v jednom cyklu. Mikropočítač obsahuje obvod USART pro sériovou komunikaci s PC (RS232), 32K x 16-ti bitovou paměť RAM, která je nakonfigurována jako společná datová i programová paměť, programovatelný časovací obvod, kterým je možné vyvolat až tři nezávislá externí přerušení, paměť EPROM se zaváděcím programem, oboustranný budič datové sběrnice BDD1 a budiče adresové a řídící sběrnice (BD1 a BD2).

7 Obr Blokové schéma řídícího mikropočítače s DSP TMS 320C50 Řídicí mikropočítač se signálovým procesorem TMS 320C40 Základním prvkem řídicího mikropočítače je signálový procesor TMS 320C40 jež se vyznačuje vysokým výkonem při vybraných aritmetických operacích v algoritmech DSP. Procesor pracuje se 32 bitovými daty v aritmetice s pohyblivou řádovou čárkou. Je vybaven 12-ti registry R0-R11, které pracují se 40-ti bitovými čísly s pohyblivou řádovou čárkou (32 bitů - mantisa, 8 bitů exponent). Tyto registry mohou být využity jako operandy při sčítání, odčítání, násobení, a dělení v jednom strojovém cyklu. Poslední dvě operace a operace druhé odmocniny jsou hardwarově podporovány. Procesor dále obsahuje čítač využívaný pro generování přerušení, několik pomocných registrů využívaných pro nepřímé adresování, 4 externí maskovatelná přerušení, atd. Instrukční cyklus má délku 50 ns, přičemž většina instrukcí je prováděna v jednom cyklu. A0-A15 D0-D15 A0-A15 BDA ADRESS - BUS RAM 64kx32b DSP TMS 320C40 Říd. s. DEC D0-D15 BDD PC/AT USART 16C550 EPROM 32kB CONTROL - BUS DATA -BUS SYSTEM BUS MESIT Obr Blokové schéma řídicího mikropočítače s DSP TMS 320C40. Mikropočítač je vybaven pamětí RAM 64k x 32 bitů, tedy 256 kb. Tato velikost paměti je postačující i pro náročné aplikace. Dále je vybaven pevnou pamětí EPROM pro uložení programu monitor a asynchronním sériovým rozhraním pro komunikaci s PC. Pro připojení k ostatním komponentám řídicího systému je vybaven rozhraním pro systémovou sběrnici.

8 Řídicí mikropočítač se signálovým procesorem TMS 320C33 Základním prvkem řídicího mikropočítače je signálový procesor TMS 320VC33 jež se vyznačuje vysokým výkonem při vybraných aritmetických operacích v algoritmech DSP. Procesor pracuje se 32 bitovými daty v aritmetice s pohyblivou řádovou čárkou. Je vybaven 8-mi registry R0-R7, které pracují se 40-ti bitovými čísly s pohyblivou řádovou čárkou (32 bitů - mantisa, 8 bitů exponent). Tyto registry mohou být využity jako operandy při sčítání, odčítání, násobení, a dělení v jednom strojovém cyklu. Poslední dvě operace a operace druhé odmocniny jsou hardwarově podporovány. Procesor dále dva čítače které mohou být využívány pro generování přerušení, 8 pomocných registrů AX0-AX7, využívaných pro nepřímé adresování, 4 externí maskovatelná přerušení, jednotku přímého přístupu do paměti, sériový port atd. Instrukční cyklus má délku 13 ns, přičemž většina instrukcí je prováděna v jednom cyklu. Umožňuje tedy provádění 75 MIPS a 150 MFLOPS. Systém je realizován na čtyřvrstvé desce s plošnými spoji technologií povrchové montáže. A0-A15 D0-D15 A0-A15 BDA ADRESS - BUS RAM 256kx32b DSP TMS 320VC33 Říd. s. DEC D0-D15 BDD CONTROL - BUS DATA -BUS SYSTEM BUS PC/AT USART 16C550 EPROM až 1MB Obr Blokové schéma řídicího mikropočítače s DSP TMS 320VC33. Řídicí mikropočítač se signálovým procesorem TMS 320F24xx a TMS320F28xx Signálové procesory TMS 320F24xx a TMS 320F28xx jsou speciálně vyvinuté pro účely řízení střídavých regulačních pohonů. Stejně jako předchozí typy vycházejí z modifikované harvardské koncepce s odděleným paměťovým prostorem pro program a pro data. Pracují s 16 a 32 bitovými daty v pevné řádové čárce. Jsou vybaveny 32 bitovou aritmeticko-logickou jednotkou ALU pracující nezávisle na CPU, dále hardwarovou násobičku 16x16 bitů u procesoru 24xx a 32x32 bitů u řady 28xx. Celková velikost paměťového prostoru je 244 k-words eventuelně 4G-words pro 28xx (word = 16 bitů). Dále pak na rozdíl od předešlých typů signálových procesorů obsahují tzv. Event Manager (správce událostí) který obsahuje několik periferních jednotek nutných právě pro potřeby elektrických regulovaných pohonů. Jsou to např. 10 (12) bitový 16-kanálový A/D převodník který pracuje s rychlostí převodu až 60ns na kanál, 16-bitové čítače čítající volitelně interní nebo externí signály nebo signály z inkrementálního čidla, dále pak jednotku 3fázové pulsně šířkové modulace PWM s možností vektorové modulace, komparační jednotku s třemi komparačními registry napojenou na čítače, pomocné čítače pro generování mrtvých dob (Dead Band Logic), zachytávací jednotku FIFO pamětí (Capture). Procesory jsou také vybaveny navíc 40 (56 pro řadu 28xx) multiplexovanými I/O piny a jednotkou sériového rozhraní. Oba procesory se vyznačují velmi krátkým instrukčním cyklem, který činí 35ns u TMS 320F24xx, resp. 6,67ns u TMS 320F28xx.

9 Procesory byly uvedeny na trh jako vývojové kity, které bylo pro laboratorní účely nutno doplnit rozhraním pro posílení, napěťové přizpůsobení a oddělení I/O signálů. Řídicí software Řídicí program je rozdělen do dvou částí: a) Program přerušení, který provádí veškeré regulační úkoly (výpočet orientujících veličin, regulaci proudu, regulaci rychlosti, řízení měniče, atd.). Dále umožňuje vysílání vnitřních veličin na D/A převodník. b) Zadní program, který umožňuje komunikaci s uživatelem, změnu regulačních parametrů, výpis veličin na obrazovku počítače, počáteční nastavení systému. Program přerušení je celý napsán v asembleru. Doba obsloužení přerušení má přímý vliv na kvalitu regulace a proto musí být co nejkratší. Je spouštěn programovatelným časovačem s frekvencí rovnou frekvenci vzorkování. Pro snadnější tvorbu a modifikaci je program přerušení sestaven z podprogramů, které můžeme rozdělit do dvou kategorií (podprogramy pro obsluhu periferií, podprogramy tvořící regulační bloky). Zadní program je vytvořen z části v asembleru a z převážné části v jazyku C, umožňující snadnou komunikaci s uživatelem. Podprogramy pro obsluhu periferií časová náročnost Jedna skupina podprogramů slouží k ovládání periferních zařízení připojených na systémovou sběrnici. Délka jednotlivých podprogramů je přehledně uvedena v tabulce Výpočtové bloky pro periferie Doba výpočtu [µs] D/A převodník 0.35 A/D převodník 1,55 Zjištění polohy rotoru (sin ε, cos ε) 1 Zjištění rychlosti otáčení rotoru ω 0.25 Zapsání vektoru do desky BSP 0.25 Tab Doby provedení podprogramů pro periferie.

10 Podprogramy tvořící regulační bloky Druhá skupina pak obsahuje standardní bloky používané v regulačních pohonech. Výpočtové bloky pro regulační Doba výpočtu [µs] aplikace TMS 320C50 (240) TMS 320C40(30) I regulátor (0.3) PI regulátor (0.27) Transformace souřadnic T3/ (0.07) Transformace souřadnic T2/ (0.15) Parkova transformace (0.15) Vektorový analyzátor (0.32) Tab Doby výpočtů podprogramů pro regulaci. Tvorba podprogramů Většinu podprogramů tvoří makra a jejich použití v konkrétním řídícím software vysoce zpřehledňují vytvořený zdrojový text. Vlastní program obsahuje rutiny, které jsou vykonávány (jsou volány) vícekrát během programu. Místo opakování zdrojového kódu dané rutiny je tedy možné definovat rutinu jako makro. Toto makro se pak volá z míst, kde by se obvykle nakopíroval obsah rutiny. Tento použitý způsob programování tedy jednoznačně vede ke zjednodušení a zkrácení zdrojového kódu programu.

11 6.3. MODELOVÁNÍ A SIMULACE ELEKTRICKÝCH POHONŮ Moderní elektrický regulovaný pohon, ať už se stejnosměrným nebo zejména se střídavým motorem, představuje složitý systém složený z dílčích podsystémů. Z hlediska matematického popisu se obecně jedná o nelineární, mnohaparametrový impulzní systém, jehož analytické řešení je prakticky nemožné. Samotný návrh regulační části pohonu což je úloha, kterou řešíme nejčastěji spočívá: V návrhu schématu regulační struktury V určení typu a optimálních parametrů regulátoru S rozvojem výpočetní techniky se tato úloha řeší nejefektivněji pomocí počítačové simulace. Metoda simulace umožňuje tedy jednak efektivně analyzovat vlastnost elektrického pohonu ve fázi vývoje pohonu, kdy ještě není pohon fyzicky k dispozici (a tím přispět k jeho návrhu), jednak analyzovat stavy, které by u reálného pohonu mohly snadno vést ke zničení zařízení nebo by nemohly být z jiných důvodů odzkoušeny. Modelování a simulace pohonu s asynchronním motorem napájeným z napěťového střídače Na příkladu výše uvedeného pohonu bude dokumentováno použití této metody pro analýzu vlastností regulovaného pohonu pomocí simulačního programu MATLAB-SIMULINK. Byl simulován pohon s regulační strukturou dle obr realizovanou v laboratoři katedry výkonové elektroniky a elektrických pohonů VŠB-TU Ostrava. Je použit asynchronní motor typu P 112 M04 (výrobek MEZu Frenštát) o následujících parametrech: P n = 2,7 kw, n n = 1360 ot/min, p=2, f n = 50 Hz, M n = 19 Nm, J m = 0,013 kgm 2 U sn = 380/220 V efektivní hodnota - motor zapojen do hvězdy I sn = 7,51 A efektivní hodnota jmenovitého fázového proudu Motor byl napájen z nepřímého měniče kmitočtu v zapojení dle obr sestávajícího ze vstupního diodového usměrňovače v zapojení trojfázový můstek ( napětí ve ss meziobvodu nastaveno na hodnotu U d = 300 V) a napěťového střídače s IGBT tranzistory. Řízení výstupního napětí je provedeno pomocí komparační PWM s kmitočtem pilovitého signálu f p = 2 khz o amplitudě U pmax = ± 10 V. Na hřídeli bylo připojeno stejnosměrné dynamo typu MB 112 S-T, P n = 1,5 kw, J d = 0,022 kgm 2, které sloužilo k zatěžování pohonu. Celk. moment setrvačnosti pohonu J c =0,043 kgm 2. Čidla a regulátory: Ke snímání otáček a polohy rotoru sloužilo inkrementální čidlo IRC 120/1024 s elektrickým násobením 4x (po vynásobení 4096 imp/ot). Vzorkovací perioda T v = 5 ms. Použité regulátory byly typu PI. Byla simulována strukturu regulace otáček s vektorovým řízením v systému tzv. orientovaných souřadnic (x, y) dle obr v simulačním programu MATLAB- SIMULINK. Simulační model struktury regulace rychlosti asynchronního motoru napájeného z napěťového střídače s vektorovým řízením je na obr Simulační model samotného asynchronního motoru je pak na obr

12 u s * R u i m * R im i sx * R isx u s i m i sx VA Ω m * u sx * u sy * R Ω i sy * ω im + u * * xe * u i sα sx u sx i m i sy * - - Ω m i sy BZV R isy u ye u sβ * + u sy * BVN1 sin γ cos γ T2/3 + PWM 6 TMK 3~ sin γ i m cos γ BVOV i sx i sy sin θ BVN2 cos θ i sα i sβ T 3/2 i sa i sb sin θ cos θ sin γ TAB sin, cos cos γ θ Ω m BVPR IČ M 3 Obr Struktura regulace rychlosti asynchronního motoru s vektorovým řízením Průběhy veličin na níže uvedených obrázcích dokumentují chování regulačního obvodu, přičemž jsou zde uvedeny průběhy veličin odsimulované (obr až ) a změřené pomocí digitálního osciloskopu na reálném pohonu se stejnými parametry (obr až ). Odezva skutečných otáček na obr odpovídá průběhu žádaných otáček dle obr Odlišnost mezi odsimulovaným a změřeným průběhem fázového proudu i a v časovém úseku 0 až 0,2 s je dána různými počátečními podmínkami vyplývajícími z toho, že reálný pohon byl už v čase 0 nabuzen.

13 311 Usz in_1 out_1 in_2 REG_U nmz 1/9.55 I sxz in_1 out_1 in_2 REG_Im in_1 out_1 in_2 REG_omega isx uxe isy im uy e gama BZV z s Ur e REG_Ix z s Ur e REG_Iy Mux Mux Uyr x alf a y sin beta cos BVN1 f(u) VA Uxr a alf a b beta c T 2/3 U Ualfa u_a Uar u_b Ubr u_c u_beta Ucr out_5 NS_PWM Ualfa Asynchr. motor 9.55 ws na ns ns Me Is alfa nz na wz nz I sx I syz alf a y beta sin x cos BVN2 2 pocet polparu ML wm AM T2/P PSIr I m I sy sin gama Im gama sin Cartesian to polar in_1 cos SIN_COS1 d alf a q sin beta cos BVOV_ s+1 Tr s+1 Tr ML alf a d beta sin q cos BVOV_1 sin theta in_1 1/s cos Integrator1 SIN_COS Is beta 2 p Obr Simulační model struktury regulace rychlosti asynchronního motoru napájeného z napěťového střídače s vektorovým řízením

14 a11 K1 1 1 s Us_alfa Sum4 Integrator2 a13 K2 7 Psir_alfa 8 Psir_beta a13 K2 1 2 s Us_beta Sum2 Integrator5 a11 K1 c11 K7 Nas.1 Sum3 c13 K8 Sum Nas.2 4 Pocet polparu c13 K8 c11 K7 Km Km 1 K3 s Integrator3 Sum5 a31 Nas.3 K4 a33 3 ML a31 K4 1 s Integrator4 a33 K3 Sum1 Sum6 Nasobicka 1/Jc K6 2 Me Nasobicka 1/s Integrator 5 Psis_alfa -1 Gain3 1 w_m Nasob. w 4 3 is_alfa Sum7 6 Psis_beta is_beta Obr Simulační model asynchronního motoru napěťově napájeného Up 1 Uar 2 Ubr 3 Ucr 300 Ud Mux Mux MATLAB Function Napěťový střídač fnapstr Demux Demux 1 u_a 2 u_b 5 out_5 3 u_c 4 u_beta Obr Simulační model měniče kmitočtu s napěťovým střídačem

15 Obr Žádané otáčky n m [ot/min] Obr Skutečné otáčky n m [ot/min] Obr Průběh sin (γ) Obr Žádaný momentotv. proud i sy [A] Obr Moment motoru M e [Nm] [A] Obr Skut. momentotvorný proud i sy

16 Obr Skutečný budicí proud i sx [A] Obr Proud i sy [A] bez odvazbení Obr Průběh fázového proudu i a [A] Obr Průběh proudu i β [A] Obr Průběh fázového napětí u a [V] Obr Modul statorového napětí [V]

17 Obr Magnetizační proud i m [A] Obr Magnetický spřažený tok Ψ r [Wb] Obr Průběh řídicího napětí u sx * [V] Obr Průběh řídicího napětí u sy * [V]

18 Obr Průběhy žádaných a skutečných otáček při rozběhu a reverzaci motoru (k1: n * = f(t), k2: n = f(t), m n = 60 min -1 /V) Obr Sinus úhlu natočení rotoru a sinus orientujícího úhlu γ při rozběhu a reverzaci motoru (k1: sin θ, k2: sin γ) Obr Průběh fázového proudu při rozběhu a reverzaci motoru (i sa = f(t), m i = 1,5 A/V)

19 a) budicí složka (k1: i sx * = f(t), k2: i sx = f(t), m i = 1A/V) b) momentotvorná složka (k1: i sy * = f(t), k2: i sy = f(t), m i = 1 A/V) Obr Průběhy žádaných a skutečných složek statorového proudu při rozběhu a reverzaci

20 6.4. Perspektivy výkonové elektroniky a elektrických pohonů Rozvoj moderních regulovaných pohonů má v nejstručnějším vyjádření tyto rysy: - používání motorů na střídavý proud, - akčním členem jsou měniče s moderními polovodičovými součástkami, - jádrem regulace je jeden počítač nebo několik počítačů. Obecné tendence Vysoká spolehlivost Její dosahováno bližším poznáním procesů, jejich simulací na počítačích a jejím využíváním pro správné dimenzování, využíváním spolehlivostních teorií při návrhu výkonové i řídicí části. Uživatelské výhody a komfort Rychlé uvedení do provozu je umožněno automatickým nastavením parametrů regulátorů. Snadné je zařazení do hierarchicky nadřazeného systému řízení a celkového informačního systému. Pohony jsou vybavovány takovými indikacemi, které umožňují obsluhu bez potřeby vysoce kvalifikované pracovní síly. Podobně je to i s diagnostickými prostředky. Elektromagnetická kompatibilita a robustnost Již dnes jsou známy návrhy na způsoby a prostředky, jak zajistit odolnost proti jevům, jako je přerušování dodávky elektrické energie, špičková přepětí v síti, změny parametrů a vlastností zátěže, teploty apod. Snižování cen Prvotní vývojové fáze, jež byly značně nákladné, jsou v mnoha směrech překonány. Zvětšující se sériovost výroby měničů a řídicích systémů vyvolala automatizaci jejich výroby a trvalé snižování ceny. Ve výkonové části se zjednodušila konstrukce i montáž. Rovněž v řídicí části přechod na univerzální programovatelné prostředky zvětšil sériovost a redukoval ceny. Mnohé z uvedených obecných tendencí samozřejmě platí i pro regulované pohony se stejnosměrnými motory. Jsou to tedy převážně výhody samotných střídavých motorů, které motivují jejich rozvoj a zavádění Motory S nadsázkou můžeme popsat ideální elektrický točivý stroj takto: - nemá kluzný kontakt, tedy kartáče na komutátoru nebo kroužcích, - nepotřebuje žádné vinutí s izolací, - nepotřebuje žádná ložiska. Srovnejme s tímto ideálem konvenční točivé stroje: Bez rotujících částí uložených v ložiskách je to nereálná představa. Co se týče potřeby vinutí s izolací, splňují tento ideál alespoň napůl asynchronní motory s kotvou nakrátko, synchronní motory s permanentními magnety nebo motory reluktanční; vinutí s izolací je umístěno pouze na statoru. Proto jsou tyto druhy motorů považovány za nejperspektivnější. A kluzný kontakt umožňující přechod proudu ze stojící na rotující část je jedním z hlavních motivů pro přechod na střídavé motory. Co se týče asynchronních motorů s kroužkovou kotvou regulovaných v kaskádě, jsou sice stále ve světě nabízeny, ale je patrný jejich početní úbytek podobně jako relativní ubývání stejnosměrných motorů. Jsou to tedy asynchronní motory s kotvou nakrátko, synchronní motory s

21 permanentními magnety (tyto posledně jmenované motory jsou perspektivní zejména v oblasti servopohonů) nebo bezkartáčovým budicím systémem, které jsou perspektivní v regulovaných pohonech pro průmysl, elektrickou trakci i ostatní odvětví. Do skupiny pohonů se synchronními motory patří pohony s krokovými motory (pro velmi malé výkony a polohové řízení pohybu) a pohony s motory reluktančními. Reluktanční motory využívají rozdílnou magnetickou vodivost po obvodu rotoru k vytváření točivého momentu. Rotor má charakter stroje s vyjádřenými póly bez vinutí. Konvenční reluktanční motor má běžné trojfázové vinutí obdobné k vinutí asynchronního motoru. Motory reluktanční jsou sice rozvíjeny, avšak zatím nehrají takovou roli jako motory výše uvedené V posledních letech je pozornost věnována jinému typu reluktančního motoru zvaného spínaný reluktanční motor". Motor má vyjádřené póly na statoru i rotoru, počet pólů na rotoru je o dva menší než na statoru. Vinutí na statorových pólech je zapínáno a odpínáno od zdroje v závislosti na poloze rotoru. Točivý moment se vytváří působením nabuzených pólů statoru na póly Asynchronní motor s měničem frekvence Jednomotorový pohon s asynchronním motorem s kotvou nakrátko je považován za jeden z nejperspektivnějších pro výkonový rozsah od zlomku kw až do několika MW. Podle jeho výkonu, regulačního rozsahu, druhu zátěže, kvadrantů mechanické charakteristiky (ω-m), dynamických požadavků atd. vznikla celá řada řešení používajících různé typy měničů frekvence, principů řízení, technických prostředků. Asynchronní motor napájený a řízený napěťovým střídačem umožňuje využít výše uvedené moderní polovodičové součástky, a je proto nejpoužívanějším a stále perspektivním uspořádáním regulovaného pohonu. Výkonová elektronika Jsou to výkonové polovodičové měniče, jejichž schopnostmi jsou určeny funkční vlastnosti pohonu. Jejich rozvoj lze sledovat ve dvou vzájemně se podmiňujících sférách, v rozvoji polovodičových součástek a v rozvoji měničů. Polovodičové součástky a systémy Pro techniku měničů jsou zapotřebí polovodičové součástky jako velmi rychlé spínače, od kterých se požaduje: - plná řiditelnost pomocí řídicích signálů o co nejmenším výkonu; zapínání i vypínání pomocí řídicích signálů, - v zapnutém stavu malé ztráty energie, tj. malý úbytek napětí i při průchodu velkého proudu, - vysoká dynamika, tj. rychlý přechod ze zapnutého do vypnutého stavu; tento požadavek má dva důvody: jednak se snižují ztráty energie při tomto přechodu, jednak se umožní činnost s vysokou spínací frekvencí, a tím se zvyšuje kvalita přeměny proudové soustavy a současně se zmenšuje velikost zásobníků energie - tlumivek a kondenzátorů, - vhodné zatěžovací parametry, napětí ve vypnutém stavu a proud v zapnutém stavu. Velké úsilí bylo věnováno vývoji nejrůznějších typů součástek. Některé lépe splňují jedny a hůře jiné požadavky uvedené ve čtyřech předcházejících bodech. Ve vysokém stadiu rozvoje jsou tyto součástky: Výkonové bipolární i MOS tranzistory. První mají menší ztráty při průchodu proudu a relativně velké potřebné výkony řídicích signálů, u druhých je to naopak. Proto vznikly a v současné době jsou nejrozšířenější tranzistory IGBT (insulating gate bipolar tranzistor) s

22 parametry do 1400 V, 600 A. Nepatrné řídicí příkony a velmi krátké vypínací doby spolu s uvedenými parametry umožňují jejich použití pro měniče o výkonu několika set kv.a. Pro větší výkony pak přicházejí v úvahu vypínací tyristory (GTO) s parametry do 5 kv, 3000 A. Plánuje se vývoj těchto tyristorů se stále lepšími funkčními parametry. Na druhé straně spektra, tj. u nejmenších výkonů, je vedle sebe několik konkurentů, především bipolární tranzistory a tranzistory MOS. U těchto malých výkonů se začalo s určitou integrací, místo diskrétních součástek se do měničů montují celé dvoufázové nebo trojfázové můstky, obsahující potřebné ochranné obvody, galvanické oddělení pro řídicí signály, jistící a diagnostické zařízení. Tyto výkonové obvody jsou nazývány inteligentní (smart) a jejich používání se stále rozšiřuje. Výkonové měniče Jejich úkolem je měnit některou veličinu proudové soustavy a tuto přeměnu v potřebném rozsahu řídit. Nejobvyklejší jsou měniče frekvence se stejnosměrným meziobvodem. Frekvence se mění ve dvou stupních. Vstupní frekvence se mění na nulovou, vstupní proud a napětí se usměrňují v primárním měniči. Stejnosměrný proud a napětí se v sekundárním měniči - střídači mění na střídavé o požadované frekvenci. Podle typu komutace proudu z jedné fáze na druhou je střídač napěťového nebo proudového typu (viz přednáška č. 5). V současné době je měnič s napěťovým střídačem považován za nejekonomičtější uspořádání pro pohony bez rekuperačního brždění. U měničů frekvence lze zaznamenat také některé nové tendence a principy, např.: 1) U nepřímého měniče kmitočtu s napěťovým střídačem je možno místo diodového usměrňovače použít tranzistorový usměrňovač s PWM (pulzně šířkovou modulací), tzv. pulsním usměrňovačem, jehož předností je sinusový odběr síťového proudu při účiníku cos ϕ = 1. viz obr Obr Nepřímý měnič kmitočtu s napěťovým střídačem a pulsním usměrňovačem 2) Pro některé speciální aplikace se začíná používat rezonančních měničů, jejichž výhodou je snížení spínacích ztrát využitím tzv. měkkého spínání při nulovém napětí nebo při nulovém proudu. Frekvence kmitání napětí v meziobvodu u těchto rezonančních měničů je řádově 100 khz, tj. vysoko nad hranicí slyšitelnosti, která je 20 khz. Hlavní myšlenkou u těchto měničů je to, že stejnosměrný meziobvod lze nahradit obvodem se stejnosměrným pulzujícím napětím (u tzv. měniče s paralelním rezonančním obvodem) nebo proudem (u tzv. měniče s proudovým rezonančním obvodem). Pro komutaci se využijí okamžiky, kdy je napětí

23 meziobvodu nulové (v případě prvním), nebo proud meziobvodu nulový (v případě druhém). Pro polovodičovou součástku jde tedy o zmíněné měkké spínání. Řízení a regulace V řídicích částech elektrického pohonu jsou některé tendence zcela zřejmé, jiné ne tak docela. Zcela zřejmé je využívání programovatelných prostředků výpočetní techniky v řídicích obvodech. Ještě před ne tak vzdálenou dobou se zdálo, že v jediném pohonu budou vedle sebe přirozeně spolupracovat analogové řídicí systémy s číslicovými. Ukazuje se však, že z mnoha důvodů šlo o stav přechodný, že současnost i budoucnost patří plně číslicovým systémům. Tato skutečnost souvisí s přechodem na trojfázové motory s měniči frekvence a tím na podstatně náročnější řídicí algoritmy, jež by se analogovou technikou realizovaly dosti krkolomně. Číslicová technika nejen nahrazuje regulační vlastnosti dosažitelné předcházejícími generacemi, ale přináší nové možnosti a nebývalý komfort pro výrobce i uživatele. Stačí připomenout např. automatické nastavování parametrů regulátorů, rychlou indikaci poruchy, snadnou diagnostiku atd. Klasická teorie regulace vytvořila algoritmy v době analogové regulační techniky. Číslicovými prostředky se nejprve pouze nahradily známé algoritmy. Teoretická fronta však i zde přinesla nové přístupy, které se začínají uplatňovat při řízení pohybu a které inspirují nová řešení. Jde o jisté optimalizační a optimální procesy, o robustnost řízení, o způsoby stavového řízení, mechatronické principy a další. Do pohonů začíná pronikat i fuzzy řízení a neuronové sítě, jež můžeme zařadit mezi systémy, v nichž se regulačních účinků dosahuje způsoby blízkými logickému řízení. Na těchto problémech se široce pracuje, i když budoucnost těchto řešení lze dnes těžko odhadnout. Závěr Regulované pohony se střídavými motory dospěly k takovému stupni rozvoje, že jsou využívány v zařízeních, v nichž kdysi převládal pohon se stejnosměrným motorem. Další rozvoj elektrických pohonů je úzce spjat s rozvojem výkonové elektroniky, mikropočítačové techniky a moderní teorie řízení. V oblasti výkonové elektroniky to bude vedle zvyšování parametrů prvků (především IGBT) i jejich integrace a nástup rezonančních měničů. S ohledem na narůstající problémy související s elektromagnetickou kompatibilitou se rozšíří využívání pulsních usměrňovačů. Vedle pasivních síťových filtrů se začne využívat i filtrace aktivní. V oblasti motorů zůstanou dominantními asynchronní motory a pro servopohony synchronní motory s permanentními magnety. Pro řízení pohonů se budou používat výkonné signálové procesory, mikropočítače s integrovanými I/O obvody pro řízení pohonů (A/D a D/A převodníky, PWM a pod.), speciální mikroprocesory pro hardwareové řešení transformace souřadnic a další zákaznické obvody. Z moderních algoritmů se začne používat metod umělé inteligence, jako fuzzy logické řízení a neuronové řízení, v jejichž možnostech je zlepšení řízení i nelineárních soustav.