STRATEGII DE CONDUCERE PENTRU APLICAŢII CU MAŞINI SINCRONE CU MAGNEŢI PERMANENŢI

Transcription

1 STRATEGII DE CONDUCERE PENTRU APLICAŢII CU MAŞINI SINCRONE CU MAGNEŢI PERMANENŢI Teză destinată obţinerii titlului ştiinţific de doctor inginer la Universitatea Politehnica Timişoara în domeniul INGINERIA SISTEMELOR de către ing. Cristina-Elena COMAN Conducător ştiinţific: prof.univ.dr.ing. Gheorghe-Daniel ANDREESCU Referenţi ştiinţifici: prof.univ.dr.ing. Clement FEŞTILĂ prof.univ.dr.ing. Ioan NAŞCU prof.univ.dr.ing. Toma-Leonida DRAGOMIR Ziua susţinerii tezei:

2 1. Introducere Cererea tot mai mare pentru eficienţă, răspuns rapid în regim tranzitoriu şi cuplu (putere) mare în raport cu un gabarit tot mai mic, a condus la utilizarea maşinilor sincrone cu magneţi permanenţi în acţionări electrice cu performanţe ridicate [Sul2011]. Maşinile sicrone cu magneţi permanenţi (MSMP) sunt utilizate pe scară tot mai largă în aplicaţii ca: pompe, ventilatoare, suflante, compresoare, centrifuge, maşini unelte, acţionări servo, roboţi, sisteme HVAC (încălzire, ventilaţie şi aer condiţionat), industria de automobile şi altele [Gie2010]. Printre avantajele MSMP se numără: densitate de flux mare în întrefier, raport mare putere / greutate, raport mare / inerţie, funcţionare la viteze mari, randament ridicat, factor de putere ridicat, construcţie compactă, etc. [Vas1998]. Metodele de conducere a MSMP se împart in două mari categorii: conducerea scalară şi conducerea vectorială. Diferenţa mare dintre cele două metode este că strategia de conducere scalară, numită şi conducere V/f (tensiune pe frecvenţă), este utilizată în aplicaţii cu performanţe mai scăzute unde timpul de calcul este limitat. Pe de altă parte, strategia de conducere vectorială se pretează în acţionări electrice cu performanţe ridicate. În această teză se studiază metoda de conducere scalară, şi anume V/f cu două bucle de stabilizare. Metodele de conducere vectorială sunt utilizate pentru implementarea topologiilor de observatoare studiate în capitolul 3, precum şi pentru compararea performanţelor structurii V/f dezvoltate în capitolul 4, dar nu fac obiectul studiului acestei teze Direcţiile tezei Scopul principal al acestei teze este de a dezvolta noi strategii de conducere pentru aplicații ale MSMP. În prima parte a studiului de cercetare au fost studiate diferite topologii de observare, utilizate pentru strategii de conducere fără senzori de mişcare (sensorless) a MSMP. Contribuția adusă pentru acest studiu a fost dezvoltarea observatorului neliniar de stare și perturbaţie (NSDO), utilizat în principal pentru estimarea poziției rotorului. O altă direcţie a cercetării a fost studiul metodelor de conducere scalară ale MSMP. Un mare avantaj al conducerii scalare îl reprezintă faptul că nu sunt necesare transformările de coordonate, deoarece mărimea de referință este frecvența electrică a tensiunii statorice. Principiul metodei de conducere V/f este de a menține constant raportul dintre amplitudinea și frecvența tensiunii statorice. De obicei conducerea V/f se face în buclă deschisă, dar pentru a menține condițiile de sincronism (la încărcare treaptă de cuplu) și pentru a îmbunătăți performanța sistemului, în [Per2003] se propune o metodă stabilă de conducere V/f. În cadrul studiului tezei a fost dezvoltată strategia de conducere V/f cu două bucle de stabilizare, şi anume o corecție de viteză a vectorului de tensiune și o corecție a amplitudinii vectorului de tensiune. Contribuțiile aduse în acest domeniu sunt publicate în [And2012], [Aga2013] și [Com2013]. O nouă direcție de cercetare a fost luată în considerare pentru utilizarea MSMP în industria de automobile, și anume conducerea pentru starter-alternator integrat (ISA). Studiile recente pentru conducerea ISA au dovedit necesitatea

3 pentru continuarea cercetărilor în acest domeniu. Sistemul de conducere propus pentru ISA ia în considerare următoarele: selectarea modurilor motor şi generator, modelul bateriei și simularea scenariilor reale de funcţionare. Rezultatele acestui studiu sunt publicate în [And2013] Obiectivele tezei 1) Studiul unor topologii de observatoare pentru estimarea poziţiei rotorului, utilizate în conducerea fără traductoare de mişcare a MSMP. 2) Dezvoltarea metodei de conducere stabilă de tip V/f cu două bucle de stabilizare. 3) Dezvoltarea unei metode de conducere pentru starter-alternator integrat (ISA), utilizat în topologiile de vehicule electrice hibride (HEV) Stuctura tezei După o scurtă introducere în domeniul de studiu, în capitolul 2 se prezintă modelul matematic și strategiile de conducere ale MSMP. Modelul matematic al MSMP este îmbunătăţit prin determinarea experimentală a inductanțelor L d, L q, precum și estimarea pierderilor în fier prin rezistența R Fe. Topologiile studiate de observatoare pentru estimarea poziției rotorului sunt detaliate în capitolul 3, împreună cu rezultatele de simulare. S-au luat în considerare următoarele topologii: i) integratoare modificate echivalente pentru estimarea fluxului statoric, utilizând conceptul de flux activ, ii) observator bazat pe modelul adaptiv de referinţă (MRAS), și iii) observator neliniar de stare și perturbaţie (NSDO). Dezvoltarea metodei stabile de conducere V/f cu două bucle de stabilizare este prezentată în capitolul 4. Rezultatele de simulare și rezultatele experimentale se prezintă pentru a demonstra performanțele metodei propuse V/f cu două bucle de stabilizare. S-au efectuat studii experimentale comparative cu metode de conducere vectorială, şi anume strategia de conducere orientată după flux (FOC) și strategia de conducere vectorială fără senzori de mişcare bazată pe flux activ (AF). Dezvoltarea metodei de conducere pentru starter-alternator integrat (ISA) este prezentată în capitolul 5. Acest capitol reprezintă o introducere în domeniul industriei de automobile. Standul experimental este detaliat în capitolul 6. Concluziile finale şi contribuţiile autoarei sunt prezentate în capitolul 7.

4 2. Maşini sincrone cu magneţi permanenţi 2.1. Ecuaţiile maşinii sincrone cu magneţi permanenţi Viteza electrică ω r în [rad/s] are expresia r 2 f (2.1) unde f este frecvenţa de alimentare [Hz]. Viteza mecanică ω m are expresia r m (2.2) p unde p este numărul de perechi de poli. Ecuaţiile de tensiune ale MSMP pot fi scrise în diferinte referenţiale, statorice sau rotorice. Cele două referenţiale statorice, abc şi αβ, sunt fixate de stator, pe când referenţialul rotoric dq este fixat de rotor. b β q d Re ω r θ r α a Re c Fig Corespondenţa dintre referenţialele statorice şi refernţialul rotoric Ecuaţiile vectorului de tensiune statorică în referenţial αβ sunt d v R s s si, s s 0 dt s0 v v s jv, i i ji, j s s unde R s este rezistenţa statorică, s s, este vectorul fluxului statoric. (2.3) i i,i este vectorul curentului statoric şi Ecuaţiile vectorului de tensiune statorică în referenţial dq [Bol2006a] au expresia d s vs Rsi s j r s (2.4) dt Componentele vectorului de tensiune statorică sunt definite de forma d v d d Rsid r q dt (2.5) d q vq Rsiq r d dt

5 Vectorul fluxului statoric s d j q are componentele dq d Ld id PM q Li q q (2.6) 2.2. Determinarea experimentală a inductanţelor dq Pentru o mai bună modelare a MSMP, inductanţele dq au fost determinate experimental cu ajutorul metodei stingerii de curent prezentată în [Com2013]. Expresia de calcul pentru inductanţele dq este: (2.7) Ld,q 2 Rs idt vd i dt 2 Icont unde R s rezistenţa statorică de fază; i curentul de stingere, v D (i)- căderea de tensiune pe diodă, I cont curentul măsurat înainte de stingere Estimarea pierderilor in fier Modelul real al MSMP este îmbunătăţit prin estimarea pierderilor în fier. Pierderile sunt calculate cu ajutorul a două componente, pierderilor prin histereză şi pierderile curenţilor turbionari: PFe khf s kef s (2.8) unde P Fe sunt pierderile miezului feromagnetic, k h şi k e sunt coeficienţii pierderilor prin histereză şi curenţilor turbionari, f este frecvenţa electrică şi λ s este amplitudinea fluxului statoric. Pierderile în fier sunt modelate cu ajutorul unei rezistenţe conectate în paralel cu tensiunea indusă. Acestă rezistenţă de pierderi se calculează cu expesiile: R s Fe (2.9) 2 PFe 2 6 RFe (2.10) ke k h / f unde k h =0.47 şi k e = Topologii de observatoare pentru conducerea fără sensori de mişcare a MSMP În acest capitol sunt studiate trei topologii de observatoare pentru conducerea fără senzori de mişcare (sensorless) a MSMP. Prima topologie studiată se referă la integratoarele echivalente modificate pentru estimarea fluxului statoric. Se prezintă trei tipuri de integratoare echivalente: - integratorul modificat cu limitarea amplitudinii fluxului statoric; - integratorul modificat cu corecţie adaptivă bazată pe ortogonalitatea dintre tensiunea indusă şi fluxul statoric; - integratorul modificat cu corecţie adaptivă bazată pe ortogonalitatea dintre componentele vectorului fluxul statoric.

6 Pentru estimarea poziţiei rotorului, se introduce conceptul de flux activ [Bol2008], care are proprietatea că unghiul fluxului activ este egal cu poziţia rotorului θλ θ act r. Se realizează un studiu comparativ pentru cele trei topologii de integratoare modificate şi se prezintă avantajele şi dezavantajele fiecărei structuri în parte. A doua topologie studiată este observatorul bazat pe modelul adaptiv de referinţă (MRAS). Această structură are în componenţă un observator de tip Luenberger, pentru estimarea tensiunii induse, şi un observator cu moduri alunecătoare, pentru estimarea vitezei rotorice. Se prezintă rezultate de simulare pentru viteze reduse şi ridicate. A treia topologie introdusă este un observator neliniar de stare şi perturbaţie (NSDO). Această structură propusă este studiată intensiv şi se prezintă rezultate de simulare pentru o gamă largă de viteze, inclusiv viteză zero. Observatorul neliniar de stare şi perturbaţie (NSDO) propus este supus unui studiu de robusteţe care dovedeşte stabilitatea sistemului pentru modificări ale inductanţei statorice şi inerţiei, dar prezintă sensibilitate la variaţia rezistenţei statorice, fluxului magnetului permanent şi poziţie iniţială diferită a rotorului. Acest din urmă dezavantaj se poate elimina prin identificarea în timp real a acestor parametri, rezistenţa statorică, fluxul magnetului permanent şi determinarea poziţiei iniţiale a rotorului. 4. Strategia de conducere V/f cu două bucle de stabilizare pentru acţionări ale MSMP 4.1. Strategia de conducere V/f cu factor de putere unitar În această secțiune este dezvoltată o strategie de conducere V/f cu două bucle de stabilizare, prezentată în [And2012]: corecția vitezei vectorului de tensiune, folosind variația puterii active; corecția amplitudinii vectorului de tensiune, bazat pe bucla de reglare a factorului de putere. Structura de conducere propusă V/f este prezentată în Fig. 4.1, având următoarele componente: strategia de conducere standard bază în buclă deschisă V/f, blocul invertor INV, MSMP, blocul de calcul al puterii active şi puterii reactive, filtrul trece-sus (HPF) pentru extragerea variației puterii active, filtrul trece-jos (LPF) pentru referința unghiului factorului de putere φ, regulatorul PI pentru unghiul factorului de putere care are ca ieşire corecția de amplitudine a tensiunii statorice ΔV, comutatorul pentru a selecta referinţa unghiului factorului de putere φ pentru regimurile motor şi generator.

7 Basic V/f Control ω r1 Rate limiter ω r - Δω r λ PM K sign(p) V 1 ΔV V 0 x : V 1c ΔP ω v ω r HPF φ 0 φ -π. LPF - PI V θ v P φ Polar to αβ transf. Active/ reactive power comput. ΔV Fig Structura de conducere propusă V/f cu două bucle de stabilizare v s i s V dc INV PMSM Pentru validarea acestei metode propuse V/f se prezintă rezultate de simulare, pentru o gamă largă de viteze, utilizând o maşină sincronă cu magneţi permanenţi interiori (IPMSM), publicate în [And2012]. În continuare sunt prezentate rezultate comparative de simulare şi experimentale pentru o maşină sincronă cu magneţi permanenţi de suprafaţă (SPMSM), publicate în [Com2013] Comparaţia experimentală dintre strategia propusă V/f fără senzori de mişcare şi strategia de conducere orientată după flux (FOC) cu senzori de mişcare În acest paragraf sunt prezentate rezultate experimentale pentru comparaţia dintre strategia V/f propusă (cu două bucle de stabilizare) şi strategia de conducere orientată după flux (FOC), cea din urmă folosind informaţii despre poziţia rotorului de la un encoder incremental. Acestă comparaţie dovedeşte performanţele structurii propuse V/f cu două bucle de stabilizare, care este de tip sensorless (fără traductoare de mişcare), similare rezultatelor obţinute cu strategia FOC, care este o structură de conducere vectorială cu senzori (superioară structurii de conducere scalare V/f), rezultate publicate în [Com2013] Strategia propusă V/f îmbunătăţită În această secțiune, strategia de conducere V/f cu două bucle de stabilizare (din Fig. 4.1) este îmbunătățită cu: - o corecție suplimentară a amplitudinii de tensiune ΔV p, proporțională cu puterea activă necesară pentru funcționarea la viteze mici;

8 - referinţa unghiului factorului de putere φ realizat de bucla de curent i d. Basic V/f Control ω r1 φ -π φ sign(p) i d =0 Rate limiter ^ i d. - ω r Δω r LPF PI - λ PM K φ φ 2 2Q LI ss 3ωvλ λ PM PM V 1 ΔV V 0 x : φ - V 1c ΔP ω v ω r Q ω v i s HPF PI ΔV φ V θ v P Q φ ΔV p K p Polar to αβ transf. Active/ reactive power comput. ΔV V dc v s INV i s SPMSM Fig Strategia propusă îmbunătăţită V/f cu două bucle de stabilizare pentru acţionări electrice cu maşini sincrone cu magneţi permanenţi de suprafaţă (SPMSM) Pentru această metodă îmbunătăţită V/f utilizată pentru maşini sincrone cu magneţi permanenţi de suprafaţă (SPMSM), se prezintă rezultate de simulare şi experimentale comparative pentru factor de putere unitar, cât şi rezultate experimentale pentru diferite valori ale unghiului factorului de putere. Aceste rezultate au fost publicate in [Aga2013] Comparaţia experimentală dintre strategia de conducere V/f îmbunătăţită şi strategia de conducere vectorială fără senzori de mişcare bazată pe flux activ Strategia de conducere V/f îmbunătăţită detaliată în acest paragraf utilizează referinţa unghiului factorului de putere φ realizat de bucla de curent i d. Se prezintă rezultatele comparaţiei experimentale cu strategia de conducere vectorială fără senzori de mişcare bazată pe flux activ, pentru funcţionarea la viteze reduse şi pentru funcţionarea la viteze mari.

9 5. Stuctura de conducere pentru starteralternator integrat (ISA) În acest capitol se dezvoltă o structură de conducere pentru starteralternator integrat (ISA), utilizat în topologia vehiculelor electrice hibride (HEV), din industria de automobile. Rezultatele din acest capitol sunt publicate în [And2013]. V DC - V DC battery T eg T em R-V DC T e FOC v s VSI i bat v s ISA (PMSM) i s i s θ ω ω ω - i a - R-ω i a R-i a i a u a ICE (DC Motor) Fig Structura de conducere propusă pentru starter-alternator integrat Sistemul de conducere propus pentru starter-alternator integrat (ISA), presupune utilizarea unei MSMP pentru modelarea ISA şi a unui motor de curent continuu pentru modelarea motorului cu combustie internă (ICE). Strategia de conducere utilizată este strategia vectorială orientată după flux (FOC), având ca referință cuplul electromagnetic. Selectarea regimurilor de motor şi generator se realizează cu ajutorul unui comutator, pentru regimul motor este selectat un cuplu electromagnetic extern şi pentru regimul de generator cuplul electromagnetic este realizat de bucla de tensiune de curent continuu a bateriei. Principalele contribuții sunt următoarele : - Selecţia cu ajutorul unui comutator a regimurilor motor / generator pentru ISA; - Bateria este gestionată în simulări folosind puterea activă, rezultând curentul bateriei, nefiind necesară modelarea invertorului; - Rezultatele de simulare, bazate pe scenarii reale, dovedesc buna funcţionare în regim de motor / generator a sistemului de conducere propus pentru ISA. Scenariile de simulare pentru ISA includ regimurile: de pornire, de contribuţie la cuplul mecanic al motorului cu combustie internă, și de generator pentru a încărca bateria de 42 V.

10 Bibliografie [Aga2013] Agarlita S.-C., Coman C.-E., Andreescu G.-D. and Boldea I., Stable V/f control system with controlled power factor angle for permanent magnet synchronous motor drives, IET Electric Power Applications, vol. 7, no. 4, pp , April [And2012] [And2013] [Bol2006a] [Com2013] [Per2002] [Per2003] Andreescu G.-D., Coman C.-E., Moldovan A. and Boldea I., Stable V/f control system with unity power factor for PMSM drives, Proc. 13th Int. Conf. Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM 2012), Braşov, Romania, pp , May Andreescu G.-D. and Coman C.-E., Integrated Starter-Alternator Control System for Automotive, Proc. 14th IEEE International Symposium on Computational Intelligence and Informatics (CINTI 2013), Budapest, Hungary, pp , November Boldea I., Synchronous Generators, CRC Press, Taylor & Francis Group, Coman C.-E., Agarlita S.-C. and Andreescu G.-D., V/f Control Strategy with Constant Power Factor for SPMSM Drives, with Experiments, Proc. 8th IEEE International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics (SACI 2013), Timişoara, Romania, pp , May Perera P.D.C., Sensorless control of permanent-magnet synchronous motor drives, Ph.D. Thesis, Institute of Energy Technology, Aalborg, Denmark, December Perera P.D.C., Blaabjerg F., Pedersen J.K. and Thogersen P., A sensorless, stable V/f control method for permanent-magnet synchronous motor drives, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 39, no. 3, pp , May/June [Sul2011] Sul S.-K., Control of Electric Machine Drive Systems, IEEE Press, [Vas1998] Vas P., Sensorless vector and direct torque control, Oxford University Press, 1998.