UNIVERZITET U KRAGUJEVCU TEHNIKI FAKULTET AAK DIPLOMSKI RAD

UNIVERZITET U KRAGUJEVCU TEHNIČKI FAKULTET ČAČAK DIPLOMSKI RAD Realizacija frekventnog regulatora sa mikrokontrolerom MC 3 PHAC i invertorom STGIPS 10 K 60 A Student: Petar Kolarski 256/2005 Mentor: dr Miroslav Bjekić Čačak, oktobar 2011.

1. UVOD TEORIJSKI DEO: • Istorijski razvoj (istorijski osvrt na razvoj emp), • Asinhroni elektromotori (kratak prikaz teorije asinhronog elektromotora), • Frekventna regulacija (vrste, podela). PRAKTIČNI DEO: • Frekventni regulator (glavni deo diplomskog; konkretan regulator). ZAVRŠNE NAPOMENE (primena i problemi). ZAKLJUČAK DODATAK (laboratorijska vežba). PRILOG (kataloški podaci).

2. ISTORIJSKI RAZVOJ Akademik Boris Semjonovič Jakobi (Moritz Hermann von Jacobi) je 13. septembra 1838 godine, na reci Nevi, uspešno testirao barku koju je pokretao elektromotor jednosmerne struje. Barka dužine oko 9 metara sa 14 putnika se kretala uzvodno, brzinom od oko 4, 5 km/h. Izvor energije je bila baterija elektrohemijskih elemenata, koja je napajala motor jednosmerne struje. Jakobijev motor iz 1838 g. Učešće emp u ukupnoj instalisanoj snazi svih pogona: • 1890 -te: oko 5% , • krajem 20 -tih godina XX-og veka oko 75%, • danas preko 90%. B. S. Jakobi

3. ASINHRONI ELEKTROMOTORI • • sa namotanim rotorom (klizno-kolutni), sa kaveznim (kratkospojenim) rotorom. Ekvivalentna šema asinhronog elektromotora Stator: Rotor:

Veza između momenta na osovini, snage i obrtaja je data izrazom: Snaga koja se sa statora prenosi na rotor se naziva elektromagnetna snaga: Izraz za struju rotora svedenu na stator glasi:

Uvrštavanjem izraza za I 2’ u izraz za Pem , a zatim tog izraza u izraz za Mem , dobija se: Generatorsko kočenje Protivstrujno Motorni rad kočenje Elektromehanička karakteristika elektromotora

Vrednost maksimalnog (prevalnog) momenta za motorski režim rada se dobija iz uslova da je (d. M/ds)=0: Količnik M/Mmax se naziva Klosova formula: pri čemu je: i:

Kod motora srednjih i velikih snaga je R 1<<X 1 , pa je ε ≈ 0. Rezultat je uprošćena Klosova jednačina: Proizvođači elektromotora u katalozima obično navode vrednosti za ns , nn , Mn , kao i podatak o preopteretivosti motora: Uvrštavanjem , i u uprošćenu Klosovu jednačinu, dobija se vrednost momenta pri zadatoj brzini obrtanja rotora.

Promenu klizanja (odnosno brzine obrtanja rotora) pri konstantnom momentu moguće realizovati pomoću: 1. upravljanja sa strane rotora: • promenom otpora R 2, • uvođenjem dodatne ems u kolo rotora. 2. upravljanja sa strane statora: • promenom impendanse u kolu statora (R 1 i X 1), • promenom napona U 1, • promenom frekvencije f 1. Ovim diplomskim radom obuhvaćeno je upravljanje trofaznim asinhronim motorom promenom frekvencije napona napajanja.

4. FREKVENTNA REGULACIJA ELEKTROMOTORNOG POGONA Danas postoji desetak različitih metoda regulacije, koje se mogu svrstati u dve grupe: 1. skalarna, i 2. vektorska. Klasifikacija metoda frekventne regulacije asinhronih elektromotora

4. 1. Vektorska regulacija • Početkom 70 -tih godina XX-og veka nastaju teorijske osnove vektorske regulacije: Karl Hase (K. Hasse) za indirektnu i Ferdinand Blaške (F. Blaschke) za direktnu metodu kontrole fluksa rotora (Field Oriented Control-FOC). • Polovinom 80 -tih godina Takahaši (Takahashi) i Dependbrok (Dependbrok) kreiraju matematičke modele za usavršene tipove vektorske kontrole: direktna kontrola momenta (Direct Torque Control-DTC), odnosno direktna samokontrola (Direct Self Control-DSC). Ovi modeli su osnov svakog savremenog regulatora kada je reč o rešenjima zahtevnim u pogledu dinamike. • Znatno preciznije upravljanje i bolje dinamičke performanse (brži odziv na promene i širi opseg brzine rotora) od regulatora sa skalarnom regulacijom.

4. 2. Skalarna regulacija • Najstariji (i najjednostavniji) tip frekventne regulacije. • Zasniva se na kontroli odnosa amplitude i frekvencije napona napajanja elektromotora, čime se kontroliše moment. • Vrste: sa otvorenom i sa zatvorenom petljom (povratnom spregom). • Promena frekvencije uzrokuje promenu brzine obrtanja rotora i utiče na struju motora. Niža frekvencija => veća struja, veći fluks, veće zagrevanje motora. • Neophodno je kontrolisati fluks:

• Naponska ograničenja: Uboost > U 1 n => oblast konstantnog fluksa. Naponsko-frekventna karakteristika skalarnog regulatora

U 1 > U 1 n => oblast slabljenja fluksa. Mehaničke karakteristike za sinhrone brzine više od prirodne

Ustart > U 1 > Uboost => kompenzacija pada napona na otporu R 1. Mehaničke karakteristike za sinhrone brzine niže od prirodne

4. 3 • Energetska blok-šema frekventnog regulatora Mostni ispravljački blok Diodni ispravljač, monofazni ili trofazni. • Blok jednosmerne struje Filterski elektrolitski kondenzator, sklop za zaštitu filterskog kondenzatora, otpornik za pražnjenje filterskog kondenzatora i sklop za otporno kočenje.

• Regulator Mikrokontroler (specijalizovani ili univerzalni), sa pomoćnim sklopovima (oscilator, PWM generator, sklopovi za zaštitu, za merenje napona, struje faza i td). Najčešće se koristi PWM modulacija sa nosećom učestanošću (Carrier Based-CBPWM), tj. sinusoidalna (SPWM). Blok-šema SPWM generatora

Generisanje PWM signala Napon PWM T 1 pobuđuje gornji tranzistor u polumostu jedne faze invertora, a napon PWM T 2 donji tranzistor u istom polumostu iste faze.

Najveći nedostatak ovakvog PWM signala je ograničenje amplitude linijskog napona na izlazu iz invertora na 86% od vrednosti jednosmernog napona. Talasni oblici napona na izlazu iz invertora x + * napon između izlaza jedne faze i negativnog pola jednosmernog napona, napon između izlaza jedne faze invertora i neutralne tačke, napon između dva izlaza invertora, tj. linijski napon.

Najjednostavnije rešenje je superpozicija napona čija se frekvencija podudara sa frekvencijom trećeg harmonika modulišućeg napona. To je PWM sa trećim harmonikom (Third Harmonic PWM - THIPWM). Napon na ulazu u PWM generator u slučaju THIPWM Ovaj napon sadrži treći harmonik, pa je upotreba ovakvih regulatora ograničena na motore čiji su namotaji vezani u trougao.

• Invertor Sklop koji jednosmernu struju pretvara u naizmeničnu. Sastavljen je od više tranzistora u mostnom (monofazni) ili u polumostnom spoju (trofazni), tipa MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor) ili IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Trofazni polumostni invertorski stepen

Tokom rada motora, tranzistori jednog polumosta rade naizmenično: kada je gornji u zasićenju (provodi), donji mora biti u stanju zakočenja i obrnuto. U slučaju da oba tranzistora istovremeno provode, to bi za jednosmerni napon napajanja bio kratak spoj. Problem se onemogućava: hardverski i softverski. 1. Hardverska blokada tranzistora (Interlocking Function). Talasni oblici napona na ulazima i izlazima pobudnog stepena

2. Vreme mirovanja izlaznih tranzistora (Dead Time-TD). Vreme isključenja (toff) invertorskih tranzistora je duže od vremena uključenja (ton). Otkaz IGBT se sprečava primenom kašnjenja trenutka uključenja svakog tranzistora u invertoru.

5. FREKVENTNI REGULATOR U okviru ovog rada realizovan je frekventni regulator sa skalarnom regulacijom sa otvorenom petljom, pomoću specijalizovanog mikrokontrolera MC 3 PHAC (Freescale Semiconductor) i inteligentnog invertorskog modula STGIPS 10 K 60 A (ST Microelectronics). 5. 1. Mikrokontroler MC 3 PHAC Mikrokontroler visokih performansi, posebno konstruisan za regulaciju trofaznih motora u pogonima koji pretežno rade u stacionarnim režimima, pri različitim obrtajima rotora. MC 3 u sebi sadrži: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 8 -bitni mikrokontroler (HC 08, Motorola), 6 -kanalni PWM modulator, 4 -kanalni analogno/digitalni konvertor, 24 -kanalni digitalni filter, PLL oscilator, sklop za podnaponsku zaštitu, sklop za blokadu rada izlaza, sklop za otporno kočenje, sklop za serijsku komunikaciju. Modul regulatora

Režimi rada Samostalni i kontolisani režimu (pomoću serijske komunikacije i softvera Free Master). Generisanje trofaznih talasnih oblika MC 3 PHAC generiše šest PWM signala, tipa THIPWM. Noseću frekvenciju (f. PWM) je moguće birati između 4 ponuđene vrednosti: 5, 291[k. Hz], 10, 582[k. Hz], 15, 873[k. Hz] i 21, 164[k. Hz]. Kontrola brzine rotora Brzina obrtanja rotora se može menjati u bilo kom trenutku, od 1 do 128[Hz] ako je postavljen most JP 1, odnosno do 64[Hz] ako nije postavljen. Kontrola ubrzanja i usporavanja Ubrzanje se može menjati od 0, 5 [Hz/s] do 128[Hz/s]. Vrednost ubrzanja rotora je istovremeno i vrednost usporavanja.

Pobuda gornjih IGB tranzistora Mikrokontroler pre svakog pokretanja motora najpre generiše povorku PWM impulsa samo za donje IGBT, kako bi omogućio rad butstrep kola. Naponsko/frekventna karakteristika U slučaju MC 3 napon porasta (Uboost) se definiše kao napon napajanja motora pri brzini obrtanja rotora od 0[Hz]. Naponsko-frekventna karakteristika MC 3

Promenljivi polaritet PWM napona Polaritet se određuje tokom inicijalizacije, zajedno sa sinhronom frekvencijom napona napajanja motora (fs). Kombinacije polariteta i osnovne frekvencije Vreme mirovanja IGB tranzistora (TD) Minimalna vrednost vremena mirovanja je 0, 5[μs]. Za promenu ovog vremena neophodan je reset.

Zaštita 1. Spoljašnja a) zaštita od previsokog napona UDC , b) zaštita od prevelike struje IDC , c) zaštita od previsoke temperature izlaznih tranzistora invertora. 2. Unutrašnja a) zaštita od nestanka takt-signala, b) zaštita od niskog napona napajanja mikrokontrolera (UDD < 4, 5[V]), c) zaštita od niskog i visokog jednosmernog napona (0, 5 UDCn < UDC < 1, 28 UDCn). Dinamička kontrola bruma jednosmernog napona sabirnice (UDC) a) MC 3 stalno meri UDC i vrši korekciju PWM napona na svojim izlazima.

Kontrola rekuperacije Pri rekuperativnom kočenju višak energije za posledicu ima povišenje napona na elektrolitskom kondenzatoru. Problem se rešava na dva načina: 1. Automatska kontrola kočenja Ako prilikom naglog usporavanja napon na filterskom kondenzatoru (UDC) ipak poraste preko 110% od UDCn , MC 3 će smanjiti usporavanje. 2. Otporno kočenje Ako prilikom naglog usporavanja napon na filterskom kondenzatoru (UDC) poraste preko 110% od UDCn biće aktiviran sklop za otporno kočenje.

Šeme Kontroler

Zaštita

Komunikacija

Napajanje

5. 2. Invertor STGIPS 10 K 60 A je invertorski modul nove generacije (SLLIMM - Small Low-Loss Intelligent Molded Module), namenjen za pobudu trofaznih indukcionih elektromotora male snage (do oko 2[k. W]). Odabrani hladnjak omogućava trajan rad modula sa motorom do 1[k. W]. STGIPS 10 K 60 A Idealno je za primenu u aparatima za domaćinstvo kao što su veš - mašine, frižideri i klima - uređaji. Integrisano kolo sadrži u sebi: 1. 6 IGBT, po dva u svakom polumostu, 2. 3 pobudna stepena sa kontrolnom logikom, 3. NTC otpornik.

IGB tranzistori Po dva snažna IGBT u polumostnom spoju čine izlazni stepen svake faze invertora. IGBT-i mogu da izdrže kratak spoj u trajanju do najviše 5[μs]. Pobudni stepen Napaja se naponom UCC =15[V] i sadrži kontrolna logička kola za: 1. podnaponsku zaštitu napona UCC i napona na butstrep kondenzatoru (UCb), 2. blokadu izlaznih tranzistora. Butstrep kolo

Butstrep dioda je brza ispravljačka dioda i deo je integrisanog kola. Kondenzator se dodaje kao diskretna komponenta (keramički ili metal-film kondenzator). Treba ga smestiti što bliže integrisanom kolu. NTC otpornik Služi za određivanje trenutne temperature izlaznog stepena invertora, u cilju zaštite modula od pregrevanja. Zavisnost otpora NTC otpornika od temperature je data izrazom: R(T) = R 25 x ℮ B x (1/T – 1/298)

1 Na štampanoj ploči invertora se nalaze: 2 3 4 5 6 1. butstrep kondenzatori, 2. invertor STGIPS 10 K 60 A, 3. sklop za zaštitu i pražnjenje mrežnog kondenzatora, 4. mrežni elektrolitski kondenzator, 5. mrežni mostni ispravljač, 6. izlazni MOSFET kočnice, 7. mrežni osigurač, 8. stepen za napajanje mikrokontrolera i invertora (UCC ), 9. sklop za otporno kočenje, 10. otporni delitelj za NTC otpornik. 10 9 8 Invertorski modul 7

Šema

6. ZAVRŠNE NAPOMENE Savremeni industrijski pogoni postaju sve zahtevniji u pogledu mogućnosti regulacije elektromotora. U ovom trenutku, najbolje rešenje su frekventni regulatori. Regulisani elektromotorni pogoni se uvode zbog: 1. Automatizacije elektromotornog pogona Prilagođavanje brzine i momenta tehnološkom procesu i uslovima pogona. 2. Smanjenja potrošnje električne energije Najveće uštede energije se postižu kod ventilatora, kompresora i centrifugalnih pumpi. 3. Zaštite mreže, motora i radne mašine Smanjenjem polazne struje omogućeno je pokretanje znatno snažnijih elektromotora iz iste mreže. Zaštite motora: prenaponska, podnaponska, od preopterećenja, od asimetrije napona, ispada jedne faze. . . Smanjenjem polazne struje smanjena su dinamička naprezanja motora i radne mašine tokom prelaznih stanja.

Primena frekventnih regulatora u elektromotornim pogonima donosi i neke probleme kojih nema u neregulisanim pogonima: 1. Smanjenjem brzine obrtanja rotora smanjuje se hlađenje, odnosno raste temperatura motora. 2. Frekventni regulator može izazvati pojavu napona viših harmonika u mreži iz koje se napaja, što može izazvati smetnje u radu drugih uređaja. 3. Usled prisustva viših harmonika dolazi do dodatnog zagrevanja površine rotora i osovine motora, kao i namotaja statora i rotora. 4. Velika brzina porasta napona (du/dt ≈ 50 V/[ns]) izaziva dodatna naponska naprezanja izolacije elektromotora. 5. Zbog nesimetrije napona zvezdišta, brzih promena napona (du/dt) i visoke frekvencije na kojoj radi invertor, javljaju se ležajne struje. Problem se rešava primenom posebnih filtera na izlazu iz regulatora, upotrebom simetričnih energetskih kablova i izolacijom ležajeva. Unutrašnji prsten ležaja rotora

7. ZAKLJUČAK U ovom diplomskom radu je opisan i realizovan konkretan frekventni regulator kojim je moguće ostvariti frekventnu regulaciju trofaznog asinhronog elektromotora. Pored teorijskog dela dat je i opis konkretne konstrukcije invertorskog sklopa i prikazane su detaljne elektronske šeme sa opisom rada svih funkcionalnih celina. Frekventni regulator je realizovan pomoću dva modula: mikrokontrolerskog i invertorskog (izlaznog). Frekventni regulator sa MC 3 PHAC i STGIPS 10 K 60 A

Mikrokontrolerski modul je konstruisan kao prototip i pruža mogućnost projektantnu da eksperimentalnim putem proveri teorijske postavke i izvrši korekcije konstrukcije pre realizacije komercijalnog rešenja frekventnog regulatora. Na samom sklopu je izvedeno 16 priključnih mernih tačaka (TP 1 – TP 16). Za potrebe univerzitetske nastave ovakav sklop je višestruko koristan. Omogućava studentima da snime sve bitne signale frekventnog regulatora u različitim režimima rada ih uporede sa graficima i karakteristikama koje su upoznali na predavanjima, a otvara i mogućnosti daljeg rada na realizovanom elektronskom sklopu, u vidu osmišljavanja novih seminarskih ili diplomskih radova.

8. DODATAK Sastavni deo ovog rada je laboratorijska vežba pod nazivom “Snimanje karakteristika skalarnog frekventnog regulatora i trofaznog asinhronog elektromotora u stacionarnim režimima”. Predviđeno je snimanje dve najznačajnije karakteristike, pri različitim opterećenjima: 1. naponsko – frekventne, i 2. momentno – frekventne. Šema povezivanja