Elektrotehnički fakultet

Univerziteta u Beogradu

Laboratorija za elektromotorne pogone

SEMESTRALNI RAD

Savremene metode upravljanja regulisanog elektromotornog pogona sa jednosmernim motorom

1. Uvod

1

U ovom radu će biti ispitani neki aspekti korišćenja tiristorskog ispravljača DCS 800 firme ABB pri napajanju motora za jednosmernu struju. Izvršeno je povezivanje ovog pretvarača sa motorom i podešavanje parametara. Posle toga je izvršeno puštanje u rad pogona i ispitivanje mogućnosti programiranja korišćenjem adaptivnog programa. To je ujedno bio i zadatak ovog rada.

Korišćeni ispravljač je tiristorski, dakle ima trofazni most sa upravljivim elementima-tiristorima za podešavanje jednosmernog napona. Takođe, postoji unutrašnji sistem za napajanje pobudnog namotaja koji se sastoji od tiristorskog mosta i zaštita. Uočavamo da postoji mogućnost promene polja u mašini promenom pobudne struje jer je napojni most tiristorski. Ova činjenica nagoveštava da je moguće sa datim ispravljačem raditi i u oblasti slabljenja polja gde su nam potrebni manji fluksevi u mašini od nominalnog.

U ovom radu koristimo pretvarač sa oznakom ABB DCS 800-S02-0025-04. Njegova oznaka nam daje njegove osnovne i najvažnije podatke. Ovaj tiristorski ispravljač je DCS 800 serije, S02 označava da je to ispravljački modul sa dva antiparalalno vezana trofazna tiristorska mosta, jedan za rad u ispravljačkom a drugi u invertorskom režimu rada. To omogućava da sa ovim uređajem radimo u sva četiri kvadranta, u motornom i generatorskom režimu rada. Deo oznake 0025 nam govori da je ovaj uređaj projektovan za nominalnu struju od 25 ampera, a 04 da je predviđen za napajanje iz 400 V mreže.

Važno je reći da je kod korišćenog uređaja u ovom radu tiristorski most za napajanje pobude motora u sklopu samog uređaja. Napaja se trofazno iz mreže, tj. vezan je paralelno tiristorskom mostu za napajanje armaturnog namotaja, a na izlazu daje jednosmerni napon i struju pobude motora.

2

Slika 1.1

Na slici 1.1 je prikazana uprošćena šema vezivanja uređaja energetske elektronike i motora na mrežu. Važno je pomenuti da ovo nije šema veza preporučena od proizvođača ispravljača, već je znatno uprošćena, bez nekolicine elemenata preporučenih od ABB-a. Tu spadaju EMC filtar, linijske prigušnice i sl. U ovom radu je korišćena gornja šema veza jer nam je bio cilj da ispitamo mogućnosti rada tiristorskog ispravljača, a ne da za trajno koristimo motor i elektroniku. Na slici 1.1 su dati elementi koji su neophodni za uopšte funkcionisanje pogona i elementi za osnovnu zaštitu uređaja. Sa trofazne gradske mreže je preko autotransformatora napajan pogon. Autotransformator služi za postepeno dovođenje pogona pod napon i kao zamena za prigušnice. Odmah posle njega u šemi vezivanja se nalaze tri osigurača u tri faze za zaštitu pogona od kratkih spojeva. Sledi tropolni kontaktor za uključenje pogona na mrežu. Takođe se preko osigurača O1 uzima monofazni napon i dovodi do DCS 800 uređaja. On služi za napajanje samog pretvarača i relejne šeme.

Šema za napajanje koju je preporučila firma ABB je data:

3

Slika1. 2

4

Na slici 1.2 je dat preporučeni način povezivanja kada se planira eksploatacija pogona tokom dužeg vremena u realnim radnim uslovima i njega se treba pridržavati u što je moguće većoj meri.

Nakon povezivanja pogona i priključivanja na mrežu potrebno je izvršiti podešavanja parametara. Prvi korak je unošenje poznatih nominalnih vrednosti parametara motora koji su dati na pločici motora. To se može uraditi ili preko LCD ekrana na samom pretvaraču ili preko računara koji se može priključiti na pretvarač. Uneti parametri motora, u našem slučaju, su:

Un=410V, In=23.9A,Ωn=2000 o/min, Ufn=220V, Ifn=1,3A

Drugi korak se naziva identifikacija parametara i svodi se na puštanje identifikacionog procesa koji izvršava sam pretvarač automatski i kao rezultat se dobijaju procenjeni parametri motora. Ovaj proces je definisan od strane proizvođača pretvarača. Na ovaj način smo pretvaraču dali sve potrebne podatke o pogonjenom motoru i sada možemo da pokrenemo jednosmerni motor.

5

1.1 Zaletanje motora jednosmerne struje napajanog iz pretvarača

Korišćenjem programa DriveWindowLight dobijenog uz uzeđaj se može uspostaviti komunikacija između personalnog računara i ispravljača i samim tim se može vršiti upravljanje radom pogona direktno sa računara. Prvo se izvrši povezivanje računara sa pogonom, pa se onda uključi kontaktor i zada željena brzina obrtanja. Sve ovo se zadaje u okviru DriveWindowLight programa. Motor će početi postepeno da ubrzava i novo stacionarno stanje će se imati po dostizanju zadate brzine.

Na slici 1.1.3 je prikazana zadata brzina. Naime, zadata je brzina od 1500 o/min a da je pre toga pogon mirovao. Tako smo dobili step funkciju brzine koju je pogon trebao dostići. Malo posle 40 s zaletanja smo zadali brzinu 0 o/min i pogon je počeo usporavati.

0 10 20 30 40 50 60 700

500

1000

1500

t(s)

o/m

in

Zadana brzina

Slika 1.1.3

6

0 10 20 30 40 50 60 70-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

t(s)

o/m

in

Brzina motora

Slika 1.1.4

Na slici 1.1.4 je prikazano realno zaletanje pogona. Pošto fizički nije moguće trenutno napraviti skok od 1500 o/min, a pošto bi veliki gradijenti promene brzine značili da nam je potreban ogroman momenat (struja), u DCS 800 uređaju je ugrađen soft start koji služi za postepeno povećanje brzine pogona, odnosno porast brzine sa nekim konačnim i prihvatljivim gradijentom. Na ovaj načim ograničavamo polaznu struju pogona i tako štitimo i napojne tiristore od pregorevanja i motor od velikih mehaničkih naprezanja.

Na slici 1.1.5 je prikazana promena armaturnog napona motora u funkciji vremena. Da bi se motor zaleteo sa konačnim gradijentom porasta brzine potrebno mu je postepeno povećavati napon armaturnog namotaja. Kada se dostigne željena brzina napon je konstantan, da bi se smanjivao pri zaustavljanju pogona. Zbog toga je napon trapezoidnog oblika.

Na slici 1.1.6 je prikazana struja armaturnog namotaja pri zaletanju motora. Na početku se struja povećava što dovodi do povećavanja elektromagnetskog momenta i ubrzavanja pogona. Kada se dostigne željena brzina moment elektromagnetski se izjednači sa otpornim momentom, brzina i struja postaju konstantne.

Sve ovo vreme je napon pobudnog namotaja motora konstantan, kao i pobudna struja, jer nismo ušli u oblast slabljenja polja. Ovo se vidi na slici 1.1.7. Kada zadamo brzinu veću od nominalne za dati motor, pri dostizanju nominalne brzine bi trebalo da ispravljač smanji pobudni napon i struju, oslabi polje u mašini, i omogući pogonu da pri konstantnom naponu povećava brzinu.

7

0 10 20 30 40 50 60 70-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

t(s)

%

Armaturni napon

Slika 1.1.5.

0 10 20 30 40 50 60 700

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t(s)

%

Moment

Slika 1.1.6.

8

0 10 20 30 40 50 60 700

20

40

60

80

100

120

t(s)

%

Pobudna struja

Slika 1.1.7.

9

2. Funkcionalnost i mogućnosti adaptivnog programa (AP)

Adaptivni program je aplikacija u programu DriveWindow light na drajvu DCS800 koja služi da se izvedu određeni jednostavniji programi a bez upotrebe nekog komplikovanog programskog jezika i što je najvažnije bez upotrebe dodatnog procesora (PLC-a ili nekog drugog programabilnog hardvera). Samo programiranje se vrši u programu DriveAP. Programiranje je olakšano jer se programira pomoću parametara, konstanti i veoma ograničenog broja gotovih funkcija, ali je samim tim i ograničena primena ovakvog programiranja.

U biblioteci funkcija ovog programa postoji dvadesetak osnovnih funkcija (ADD, AND, ABS..). One su spakovane u funkcionalne blokove sa svojim ulazima i izlazom. Svaki funkcionalni blok, ma koju funkciju predstavljao, ima tri ulaza i jedan izlaz. U programu DriveAP postoji okruženje gde se od funkcionalnih blokova prave programi. Ulazi u blok mogu biti konstante, digitalni ulazi drajva, parametri stanja procesa (brzina, vrednost struje, pozicija…) ili izlazi nekog drugog bloka. Unošenjem i povezivanjem funkcionalnih blokova pravimo program u zavisnosti od toga kakvu logiku želimo da program izvršava. U jedan adaptivni program moguće je uneti samo 16 funkcionalnih blokova, što je još jedno ograničenje primene adaptivnog programa.

Program se izvršava u cikličnim ponavljanjima, gde se u svakom ciklusu očitavaju vrednosti konstanti i parametara stanja i izvršava program. Svaki izlaz iz bloka ima posebnu memoriju na koju upisuje rezultate proračuna posle svakog proračunavanja.

Perioda ciklusa moše da bude 5ms, 20ms, 100ms ili 500ms. Perioda se bira zavisno od brzine promene veličina koje su ulazi ili izlaz adaptivnog programa.

Zadatak ovog semestralnog rada bio je i da se ispita mogućnost programiranja u DriveAP-u. Napravljen je jednostavan program čiji je ulaz pozicija vratila motora u opsegu 0˚..360˚, a izlaz digitalni signal koji će biti jednak jedinici kada je vratilo u nekom opsegu koji smo mi zadali, a koji je unutar opsega punog obrtaja vratila, npr da je digitalni signal jednak jedinici kada je vratilo između 180˚ i 280˚. Digitalni izlaz programa je sproveden na digitalni izlaz drajva, tako da je bilo moguće merenje ovog signala ili njegovo iskorišćenje u nekoj automatici.

Program je realizovan kao što je pokazano na slici 2.1. Parametar 3.07 daje podatak o poziciji vratila. To je šesnaestobitna lokacija gde je izvršeno sledeće skaliranje 0˚=0 i 360˚=65536. U DriveAP-u promenljive su tipa integer, tj. u opsegu -32767..32767. Pri čitanju pozicije sa 3.07 u DriveAP-u se pozicija od 0 do 32767 očitava pravilno, ali kada od pola opsega nastavi do punog opsega DriveAP to očitava kao vrednosti od -32767 do 0, što nije dobro. Da bi promena pozicije bila pravilno očitana, prvo smo u bloku MulDiv signal podelili sa 2 i potom, ukoliko je signal manji od nule, na njega dodali 32767 ili 0 ukoliko je signal veći od nule. Na ovaj način signal pozicije je skaliran kao 0˚=0 i 360˚=32767. Tako dobijen signal poredili smo sa konstantama 85.01 i 85.02, pri čemu je prva konstanta veća od druge, a obe su iz opsega 0..32767. Konstante 85.01 i 85.02 upotrebljene su iz razloga da se opseg koji želimo da detektujemo može menjati promenom parametara a bez

10

modifikacije programa u DriveAP-u. Kada se ostvari da je signal manji od konstante 85.01 i veći od konstante 85.02, izlaz iz AND kola postaje jednak -1, a kada prodje kroz blok koji računa apsolutnu vrednost, digitalni izlaz se postavlja na jedinicu.

Slika 2.1

2.1 Opisi funkcionalnih blokova korišćenih u izradi programa u adapdivnom programu:

ADD

Blok ADD (Slika 2.1.1) je sabirač sa tri ulaza. Izgled bloka i i njegova funkcionalnost prikazani su na (Slika 2.1.1):

Slika 2.1.1

Svi ulazi i izlaz su tipa integer šesnaestobitni (15 bita+znak).

11

AND

Blok AND (Slika 2.1.2) je logičko ’’I’’ kolo sa tri ulaza. Izgled bloka i i njegova funkcionalnost prikazani su na (Slika 2.1.2):

Slika 2.1.2

Sva tri ulaza su tipa Bool, a izlaz je tipa integer.

ABS

Blok ABS (Slika 2.1.3) daje na izlaz apsolutnu vrednost ulaza IN1, pomnoženu sa IN2 i podeljenu sa IN3. Izgled bloka i i njegova funkcionalnost prikazani su na (Slika 2.1.3):

Slika 2.1.3

COMPARE

Blok COMPARE (Slika 2.1.4) je komparator. Izgled bloka i i njegova funkcionalnost prikazani su na (Slika 2.1.4):

12

Slika 2.1.4

Kao što vidimo iz tabele i formule kada je ulaz IN1 veći od IN2, tada je na izlazu OUT vrednost 1, tj. nulti bit ima vrednost jednaku jedinici. Kada je IN1=IN2 tada je samo prvi bit izlaza jednak jedinici, tj. izlaz daje vrednost 2. Kada je IN1 manje od IN2, samo drugi bit izlaza OUT postaje jednak jedinici, tj. vrednost izlaza postaje 4.

Aktivan je i treći bit šesnaestobitnog izlaza, koji se setuje na jedinicu kada IN1 postane veće od IN2, a resetuje se, odnosno postavlja na nulu kada je IN1<(IN2-IN3).

Na taj način se postiže histerezis širine IN3.

Ostali biti izlaza od 4..15 su neaktivni.

Ulazi su tipa integer. Izlaz je takođe tipa integer samo što se izlaz posmatra kao paket od 16 bita koji su tipa Bool.

MulDiv

Blok MulDiv (Slika 2.1.5) vrši množenje ulaza IN1 i IN2, proizvod deli sa IN3 i taj rezultat prosleđuje na izlaz OUT. Izgled bloka i i njegova funkcionalnost prikazani su na (Slika 2.1.5):

Slika 2.1.5

Svi ulazi i izlaz su tipa integer šesnaestobitni (15 bita+znak).

13

Switch – I

Blok Switch – I (Slika 2.1.6) vrši odabir ulaza IN2 i IN3 koje prosleđuje na izlaz OUT u zavisnosti od vrednosti bita IN1. Kada je IN1=0 tada je OUT=IN3, a kada je IN1=1 tada je OUT=IN2. Izgled bloka i i njegova funkcionalnost prikazani su na (Slika 2.1.6):

Slika 2.1.6

Ulaz IN1 je tipa Bool.Ulazi IN2, IN3 i izlaz su tipa integer šesnaestobitni (15 bita+znak).

14

2.2 Analiza dobijenih rezultata

Da bi potvrdili ispravnost rada programa izvršili smo merenje digitalnog izlaza drajva, koji ustvari predstavlja izlaz adaptivnog programa, i ostvarene pozicije vratila. Za konstante 85.01 i 85.02 uzeli smo 32767(360˚) i 16383(180˚) redom. Dobijen je sledeći grafik (Slika 2.2.1):

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

50

100

150

200

250

300

350

400

Slika 2.2.1

Donji signal je ostvarena pozicija, a gornji digitalni izlaz. Mereni signali su naknadno skalirani da bi se bolje uočavali na grafiku. Vidimo da program obavlja zadanu funkciju.

Za sliku 2.2.2 uradjeno je isto merenje samo su ovaj put konstante 85.01 i 85.02 promenjene tako da se detektuje manji opseg, tj. tokom konstantnog okretanja vratila na izlazu će duže vremena biti nula nego jedinica. Vrednosti konstanti su menjane bez korišćenja DriveAP-a. Jedinica na digitalnom izlazu treba da se pojavi kada je vratilo u opsegu 70%..80% od ukupne pozicije vratila.

15

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

50

100

150

200

250

300

350

400

Slika 2.2.2

Donji signal je ostvarena pozicija, a gornji digitalni izlaz. Vidimo da program očekivano radi.

2.3 Zaključak

Adaptivni program je koristan kada je potrebno odraditi neku prostiju logiku u nekom automatski regulisanom procesu ili za detekciju alarmnih situacija i signalizacije, gde može da ima zaštitnu ulogu. Ovaj program nije podesan za komplikovane i obimne procese.

Najveća vrlina ovog programa je jednostavnost korišćenja i činjenica da pri kupljenom drajvu adaptivni program dolazi uz njega, tj. nisu potrebna dodatna ulaganja. Kada postoji prilika adaptivni program svakako treba koristiti.

16

3. Dodatak

Korišćena oprema:

1. Autotransformator, kom1,

2. Automatski prekidači, kom5,

3.Kontaktor, kom1,

4. Grebenasti prekidač,

5. DCS800.

Merni instrumenti:

1. Multimer.

Korišćeni softveri:

1. DriveWindow Light,

2.AP for DCS800,

3. Matlab.

17