Váltakozó áramú motorok skaláris és vektoriális szabályozási struktúrái
6. Szabályozási rendszerek szimulációs eredményei
A tanulmányaink során indukciós- és szinkron motor szimulációit végeztük el skaláris és vektoriális vezérlésekre MATLAB-Simulink környezetben. Ezeknek a névleges adataik a következők:
kalickásforgórészű indukciós motor (az 1. ábrán WoRIM jelöléssel)
-PN= 5.5 kW, nN= 720 min-1, fsN= 50 Hz, UN= 220/380 Vrms, IN= 24.3/14 Arms, cosN = 0.735;
állandómágnes forgórészű szinkronmotor (a 2. ábrán PMSyM jelöléssel) -PN=540 W, nN=1000 min-1 (50 Hz-en), UN= 220 Vrms, IN= 1.6 Arms.
Az indukciós motor nyílthurkú működését az 5. ábrán bemutatott V/Hz skaláris vezérlés esetén vizsgáltuk. A 8. ábrán látható szimulációk esetében a frekvenciát 50 Hz/0.4 s meredekséggel futtatjuk fel a névleges értékre. A feszültség a (2) képlet szerint változik.
Terhelő nyomaték (load torque) nélküli indításkor - néhány átmeneti lengés után - a motor sebessége eléri az üresjárati értéket. A 0,6 s időpontban ugrásszeren leterheljük a gépet a névleges nyomatékkal. Egy rövid tranziens folyamat után a névleges sebességen állandósul a mozgás és a fluxus is stabilizálódik a névleges értéken. Hasonlóképpen indul, a már kezdeti pillanattól, a névleges nyomatékkal leterhelt motor is, viszont nagyobb lesz a gép által
kifejtett elektromágneses nyomaték (electromagnetic torque). Mindkét esetben a villamos szögsebesség (electrical angular speed) követi az előírt frekvenciát.
a) Felfuttatott, terhelés nélküli indítás b) Felfuttatott, névleges leterhelésű indítás 8. ábra
Indukciós motor skaláris szabályozása nyílt hurokban a V/Hz elv szerint felfutó alapjellel
a) Indítás névleges fordulatszámra
állandó alapjelle. b) Terhelés nélküli felfuttatott indítás és mezőgyengítéses üzem a névleges fordulatszám
kétszeresén 9. ábra
Indukciós motor skaláris szabályozása nyílt hurokban a V/Hz elv szerint sajátos esetekben
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
rotor angular speed, w [rad/sec]
load torque, mL [Nm]
electromagnetic torque, me [Nm]
module of stator flux, psis [Wb]
rotor angular speed, w [rad/sec]
load torque, mL [Nm]
electromagnetic torque, me [Nm]
module of stator flux, psis [Wb]
module of rotor flux, psir [Wb]
module of stator current, is [A]
a) Sebesség- és forgórész-fluxus szabályozás b) Sebesség- és állórész-fluxus szabályozás 10. ábra
Indukciós motor skaláris szabályozása zárt hurokban csúszás-kompenzációval
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
rotor angular speed w [rad/sec]
load torque m
L [Nm]
electromagnetic torque me [Nm]
module of stator flux psis [Wb]
module of rotor flux psi
r [Wb]
rotor angular speed w [rad/sec]
load torque mL [Nm]
electromagnetic torque me [Nm]
module of stator flux psis [Wb]
module of rotor flux psir [Wb]
stator current module is [A]
isqls [A]
isdlr [A]
a) Sebesség- és forgórész-fluxus szabályozás, forgórész-fluxus-orientáció esetén
b) Sebesség- és állórész-fluxus szabályozás, állórész-fluxus-orientáció esetén 11. ábra
Áramban vezérelt frekvenciaváltóról táplált indukciós motor vektoriális szabályozása zárt hurokban a mező-orientációs elv szerint
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
rotor angular speed w [rad/sec]
load torque mL [Nm]
electromagnetic torque me [Nm]
module of stator flux psi
s [Wb]
Rotor angular speed w [rad/sec]
Electromagnetic torque me [Nm]
Load torque m
a) Sebesség- és forgórész-fluxus szabályozás, forgórész-fluxus-orientáció esetén
b) Sebesség- és állórész-fluxus szabályozás, állórész-fluxus-orientáció esetén 12. ábra
Feszültségben vezérelt frekvenciaváltóról táplált indukciós motor vektoriális szabályozása zárt hurokban a mező-orientációs elv szerint
Állandó-mágnes forgórészű szinkronmotor vektoriális szabályozása zárt hurokban forgórész-orientációval
A 9 a) ábrán látható szimuláció esetén az fsRef előírt alapjel-frekvencia a kezdeti pillanattól a névleges értéken van. A terhelés nélküli motor ebben az esetben is eléri az előírt fordulatszámot. A 9 b) ábra 50 Hz/0.5 s meredekséggel felfuttatott, terhelés nélküli indítást ábrázol. A gép állandó sebességen üzemel 0,8 s időpontig, miután majd a névleges érték kétszeresére (100 Hz-re) futtatjuk fel 50 Hz/0,4 s meredekséggel. Ebben az üzemmódban a motor mezőgyengítéssel dolgozik. Az ábrán jól követhető miként csökken a fluxus a fordulatszám növekedésével.
Az indukciós motor zárthurkú működését egy olyan skaláris struktúrával tanulmányoztuk, mely csupán egy sebesség- és egy fluxus-szabályozót tartalmaz. A állórész frekvenciát, a 6.
ábrán bemutatott, a skaláris rendszerekre jellemző összeadóból származtatjuk. A motort áramban vezérelt frekvenciaváltóról tápláljuk, ezért beavatkozó jelet is áramban generáljuk.
Ez a lehető legegyszerűbb kéthurkú skaláris szabályozási struktúra. A 10. a) ábrán látható szimuláció esetében a forgórész fluxusát szabályoztuk, míg a 10. b) ábrán az állórész fluxus szabályozása lett megvalósítva.
A 11. és 12. ábrákon vektoriális struktúrákkal szabályozott indukciós motor szimulációs eredményei láthatók. A motort áramban (11. ábra), illetve feszültségben (12. ábra) vezérelt frekvenciaváltóról tápláljuk. Mindegyik struktúra ugyanazt a két szabályozót tartalmazza, mint az előzőleg leírt skaláris rendszer. A vektoriális szabályozásoknál a 11. a) illetve 12. a.
ábrákon forgórész-fluxus, míg a 11. b) és 12. b) ábrákon állórész-fluxus orientáción alapuló struktúrák szimulációs eredményeit mutatjuk be. A 11. a) ábrának megfelelő struktúra a lehető legegyszerűbb kéthurkú vektoriális szabályozási rendszer. A 12. ábráknak megfelelő struktúrákban a feszültség beavatkozó-jeleit a kereszthatás figyelembevételével generáltuk.
Az ábrázolt mennyiségek a motor sebessége, elektromágneses illetve terhelő nyomatéka, a forgórész-, illetve állórész-fluxusok és a az eredő állórész-áram modulusa (ezenkívül vektoriális szabályozás esetén ezen áram hossz-, illetve keresztirányú-összetevői is, forgó koordinátarendszerben ábrázolva).
Az előző esetekben (10., 11. és 12. ábra), azaz úgy a skaláris-, mint a vektoriális szabályozási struktúrák esetében, a motort üresben indítjuk, 1 másodperc elteltével a névleges nyomatékkal ugrásszerűen leterheljük, 1.5 s időpillanatban terhelés alatt irányváltást alkalmazunk, végül 2.3 s-nál levesszük a terhelést és ismét üresjáratban futtatjuk.
A 13. ábrán nagy légréssel rendelkező, állandó-mágnes forgórészű szinkronmotor vektoriális vezérlési struktúráinak szimulációja nyomán nyert eredmények találhatók. A 13. a) ábrán áramban, míg a 13. b) ábrán feszültségben vezérelt frekvenciaváltóról tápláljuk a motort. A szabályozási elvet már a 4. fejezet végén bemutattuk. Mindkét esetben forgórész-orientációt alkalmaztunk, ugyanis ezek vezetnek a legegyszerűbb struktúrákhoz. A 13. b) esetben is a feszültség beavatkozó-jel generálásánál, a (8) egyenlet alapján, figyelembe vettük a kereszthatást. Az ábrázolt mennyiségek a fordulatszám, a motor elektromágneses-, illetve terhelőnyomatéka, az armatúraáram modulusa és ennek vetületei a forgórészhez rögzített koordinátarendszerben ábrázolva.