1. Omówić zasadę częstotliwościowej regulacji prędkości silnika indukcyjnego – zasada regulacji, charakterystyki regulacyjne i mechaniczne, układ regulacji zamkniętej (sterowanie skalarne)

Metody regulacji wynikają z zależności $\mathbf{\mathrm{\Omega} = \ }\mathbf{\mathrm{\Omega}}_{\mathbf{s}}\left( \mathbf{1 - s} \right)\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{2}\mathbf{\pi}\mathbf{f}_{\mathbf{s}}}{\mathbf{p}_{\mathbf{b}}}\mathbf{(1 - s)}$

Możemy zmieniać częstotliwość zasilającą (f_s), poślizg¹ (s) oraz liczbę par biegunów² (p_b).

Regulacja częstotliwościowa jest z tych wszystkich metod najbardziej efektywna. Równocześnie ze zmianą częstotliwości musimy regulować amplitudę napięcia lub prądu stojana zasilającego silnik.

Regulację sterowania częstotliwościowego silników klatkowych umożliwiają statyczne przemienniki częstotliwości: przemienniki bezpośrednie (cyklokonwertory) i przemienniki pośrednie³.

Podstawą regulacji częstotliwościowej jest utrzymanie stałej wartości przeciążalności momentem silnika w całym zakresie, a także ograniczenie strat poślizgowych. Uzyskuje się to przez utrzymanie stałej wartości strumienia stojana lub wirnika.

Metody regulacji częstotliwości dzielą się na: skalarne (polegające na kształtowaniu amplitud sygnałów sterujących) i wektorowe (polegające na kształtowaniu amplitud i położeń kątowych (wektorów) sygnałów sterujących).

Sterowanie skalarne można zrealizować na 2 sposoby:

• Poprzez sterowanie amplitudą i częstotliwością napięcia stojana

• Poprzez sterowanie amplitudą prądu stojana i częstotliwością wirnika (f_r = sf_s)

Sterowanie skalarne opiera się na 2 zależnościach: $\mathbf{s}_{\mathbf{k}}\mathbf{\sim}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{\omega}_{\mathbf{0}}\mathbf{s}}$ oraz $\mathbf{M}_{\mathbf{k}}\mathbf{\sim}\left( \frac{\mathbf{U}_{\mathbf{s}}}{\mathbf{\omega}_{\mathbf{0}}\mathbf{s}} \right)^{\mathbf{2}}$.

Wynika z nich, że:

• Poślizg krytyczny silnika indukcyjnego przy regulacji częstotliwościowej zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do częstotliwości

• Wartość momentu krytycznego zależy od kwadratu stosunku $\frac{\mathbf{U}_{\mathbf{s}}}{\mathbf{\omega}_{\mathbf{0}}\mathbf{s}}$

1. Charakterystyki regulacyjne

2. Charakterystyki mechaniczne

Schemat układu regulacji skalarnej prędkości silnika indukcyjnego klatkowego ze stabilizacją strumienia przez sterowanie amplitudą napięcia stojana

1. Serwonapęd z silnikiem indukcyjnym: podstawy metody FOC, struktury sterowania DFOC i IFOC, właściwości

Metoda FOC (orientacja wektora pola) jest wektorową metodą sterowania częstotliwościowego. Polega ona na niezależnym sterowaniu składowymi wektora prądu stojana zorientowanymi względem pola SI tak, aby strumień zachowywał stałą amplitudę i położenie względem wektora prądu. Dzieli się ona na IFOC (pośrednia orientacja wektora pola) i DFOC (bezpośrednia orientacja wektora pola). Różnice pomiędzy tymi strukturami polegają na sposobie wyznaczania informacji o aktualnym położeniu wektora przestrzennego strumienia wirnika.

Metoda IFOC jest metodą pośrednią: informację uzyskujemy na podstawie zmierzonej wartości prędkości kątowej i obliczonej wartości pulsacji poślizgu wirnika. Jeśli dochodzi do częstych zmian prędkości napędu, lub prędkości te są niewielkie, to dochodzi do pogorszenia właściwości dynamicznych układu. Zaletą tej struktury jest prosta realizacja i brak estymatora strumienia wirnika.

Metoda DFOC jest metodą bezpośrednią. Konieczne jest posiadanie informacji o aktualnej wartości strumienia wirnika. Informacja ta może być uzyskana za pomocą estymatorów (np. filtr Kalmana). Zaletą tej struktury są bardzo dobre właściwości dynamiczne układu zarówno przy małych prędkościach, jak i wyższych od znamionowej. Wadą jest to, iż struktura DFOC jest skomplikowana (transformacje układów współrzędnych, realizacja estymatora strumienia wirnika). Niestety, struktura ta jest wrażliwa na zmiany parametrów maszyny.

Cechy metody FOC:

• Analogia do sterowania momentem silnika prądu stałego

• Sterowanie prędkości w układzie zamkniętym

• Moment sterowany pośrednio – składowa wektora prądu stojana

• Zalety: szybka odpowiedź momentu silnika; dokładne sterowanie prędkości; pełny moment przy prędkości zero

• Wady: konieczność zastosowania przekształcenia układu współrzędnych; prędkościowego sprzężenie zwrotnego; modulatora. Wysoki koszt układu

1. Serwonapęd z silnikiem indukcyjnym sterowanym metodą DTC: podstawy metody, struktura sterowania, właściwości

Metoda DTC jest to metoda wektorowa sterowania częstotliwościowego. Jest to metoda bezpośredniej regulacji momentu i strumienia.

Strumień stojana może być sterowany poprzez napięcie stojana. Wektor napięcia wyjściowego falownika przyjmuje 6 wartości niezerowych (wektory aktywne) i 2 zerowe (wektory nieaktywne). Przy kolejnym załączaniu wektorów aktywnych wektor strumienia stojana porusza się ze stałą prędkością kątową, która jest proporcjonalna do napięcia zasilania falownika. Załączenie stanów zerowych powoduje zatrzymanie wektora strumienia nie zmieniając kształtu jego trajektorii.

Przy szybkich zmianach strumienia stojana strumień wirnika się nie zmienia. Regulację uzyskujemy poprzez zmianę kąta pomiędzy wektorem strumienia stojana, a wektorem strumienia wirnika. Jeśli kąt ten zawiera się w przedziale 0-180^o, to wytwarzany jest moment napędowy. Jeśli nie, to wytwarzany jest moment hamujący.

Cechy metody DTC:

• prosta w działaniu (niezawodna), niewrażliwa na zmiany parametrów silnika i nie wymaga trygonometrycznych przekształceń układu współrzędnych

• Kształt strumienia i prądu stojana jest sinusoidalny

• Możliwe sterowanie momentem bez zamkniętego toru regulacji prędkości

• Moment sterowany bezpośrednio

• Bardzo szybka odpowiedź momentu

• Pełny moment przy prędkości zero

• Bardzo dokładne sterowanie prędkością (przy zastosowaniu sprzężenia prędkości)

• Niepotrzebny modulator

• Mały koszt

1. Układy napędowe z silnikami synchronicznymi z magnesami trwałymi BLDC i PMSM: zasada działania, metody sterowania, struktury, właściwości

Cechy silnika z magnesami trwałymi: mały moment bezwładności, małe stałe czasowe mechaniczne, duża przeciążalność momentem, rozwija moment obrotowy w czasie postoju, szeroki zakres regulacji prędkości.

Zadania serwonapędu: statyczne pozycjonowanie, dynamiczne realizowanie zadanej trajektorii (śledzenie).

Silnik z magnesami trwałymi posiada dwie konstrukcje: BLDC (silnik z trapezoidalnym rozkładem siły elektromotorycznej) oraz PMSM (silnik z sinusoidalnym rozkładem siły elektromotorycznej).

Silnik BLDC:

• Na wirniku dodatkowo czujniki położenia wirnika

• Spotykana budowa odwrócona, tj. nieruchomy stojan, a wirnik z magnesami trwałymi na zewnątrz – np. silniki umieszczone w kole

Układ sterowania silnikiem BLDC

Sekwencja przełączeń zaworów komutatora elektronicznego dla klasycznych strategii sterowania

Klasyczna strategia sterowania – każdy tranzystor komutatora elektronicznego przewodzi prąd przez okres 120^o elektrycznych, komutacja faz następuje w równych odstępach 60^o, natomiast informacja o aktualnej pozycji wirnika pochodzi z czujnika położenia wirnika.

Ogólna sekwencja przełączeń zaworów komutatora jest identyczna dla wszystkich rozpatrywanych strategii sterowania. Poszczególne metody sterowania różnią się między sobą pod względem tego, która grupa zaworów pełni rolę regulacyjną, jaki jest okres pełnienia tej funkcji oraz co jest wielkością regulowaną

Właściwości silnika BLDC:

• Wyższa trwałość – brak komutatora mechanicznego

• Większość strat w nieruchomym stojanie, który można łatwo schłodzić

• Trwałość zależy od łożysk

• Wysoka sprawność

• Mniejsze wymiary

• Wysoka cena

• Skomplikowany układ sterowania

• Brak możliwości regulacji wartości strumienia

Silnik PMSM:

Strategie sterowania:

• Zachowanie stałego kąta mocy δ = π/2

• Zachowanie stałego współczynnika mocy cosφ=1

• Zachowanie stałej wartości amplitudy strumienia skojarzonego stojana ψ_s = constant

• Maksymalizacja stosunku momentu elektromagnetycznego do amplitudy prądu

• Struktura sterowania położeniem składa się z dwóch warstw: podporządkowanej (URP, układ MSI falownika) i nadrzędnej (GTR, układ regulacji położenia i prędkości).

---

1. Poślizg opisuje różnicę pomiędzy aktualną prędkością wirnika, a prędkością silnika synchronicznego (idealną). Wyraża się wzorem $\mathbf{s = 1 - \ }\frac{\mathbf{n}}{\mathbf{n}_{\mathbf{s}}}$, gdzie n jest prędkością aktualną, n_s prędkością synchroniczną. Jeśli jest równy 1, to znaczy, że wirnik się nie porusza, a jeśli jest równy 0, to znaczy, że wirnik porusza się z prędkością synchroniczną↩

2. Liczba par biegunów mówi nam o uzwojeniach stojana. Im jest większa, tym więcej uzwojeń. Jest to parametr konstrukcyjny↩

3. ze względu na budowę dzielą się one na przemienniki z:

   Falownikiem prądu i regulowanym prądem obwodu pośredniego

   Falownikiem napięcia i regulowanym napięciem obwodu pośredniego

   Falownikiem napięcia z modulacją szerokości impulsów wyjściowych MSI i stałą wartością napięcia obwodu pośredniego↩