Peta vežba. Eksperimentalna analiza rada regulisanog elektromotornog pogona sa vektorskim upravljanjem

Transcript

1 Peta vežba Eksperimentalna analiza rada regulisanog elektromotornog pogona sa vektorskim upravljanjem Uvod Cilj vežbe je da se prouči način korišćenja i rada jednog industrijskog uređaja za upravljanje pogonom sa asinhronim motorom. Kroz ovu vežbu studenti stiču uvid u savremene pristupe profesionalne realizacije pogona različitih namena i stepena složenosti. U vežbi se koristi frekventni pretvarač Siemens serije Sinamics S120, koji ima sve odlike savremenih uređaja ove namene, ali se prevashodno koristi za vektorsko upravljanje pogonom sa asinhronim motorom. Studenti treba da se upoznaju sa radom pogona i načinom ponašanja u prelaznim stanjima pri ovom načinu upravljanja (puštanje u rad, opterećivanje i dr.). Za izvođenje vežbe koristi se Siemens-ov softver Starter koji je dostupan na sajtu proizvođača ( U softveru se mogu podešavati svi parametri pretvarača i mogu se pratiti veličine od interesa u formi vremenskih dijagrama. Da bi se vežba mogla uraditi, moraju se predstaviti i neki detalji vezani za korišćenje ovog uređaja i navedenog softvera (dokumenti na Internet prezentaciji Laboratorije za elektromotorne pogone Uputstvo.pdf, Sinamics S120-catalog.pdf i Sinamics S120- manual.pdf), međutim najbitnije je obratiti pažnju na suštinu pristupa jer je ona u osnovi ista i kod drugih proizvođača i sličnih uređaja. Opis vežbe Na laboratorijskom modelu grupe koju čini jednosmerni motor sa nezavisnom pobudom i trofazni asinhroni motor sa kaveznim rotorom, potrebno je proučiti i statičke i dinamičke režime rada pogona pri definisanim zadacima. Proučavanje dinamičkih režima rada odnosi se na analizu vremenskih dijagrama karakterističnih veličina, koji se prikazuju na ekranu računara i na osciloskopu, a pomoću softvera Starter, koji služi za komunikaciju između frekventnog pretvarača i računara. Frekventni pretvarač visokih performansi SINAMICS S120 namenjen je za potrebe upravljanja i napajanja asinhronog motora. Odgovarajućim podešavanjem određenih parametara pretvarača može se ostvariti i skalarno upravljanje i vektorsko upravljanje momentom asinhronog motora. U vežbi se koristi vektorsko upravljanje implementirano u upravljačkom algoritmu pretvarača. Opterećivanje asinhronog motora, vrši se pomoću mašine jednosmerne struje sa nezavisnom pobudom, koja radi u režimu dinamičkog kočenja. Mašine su međusobno spojeni kaišem. Osnovni podaci o asinhronom motoru: P n = 3 kw, n n = 2820 o/min, cos ϕ n = 0,83 M en = 10,16 Nm, I n = 7 A, U n = 380 V, sprega statora u trougao Osnovni podaci o jednosmernom motoru: P n = 8,5 kw, n n = 2000 o/min pobuda: U fn = 220V, I fn = 1,3 A indukt: U an = 410V, I an = 23,9 A

2 Na slici 1. prikazana je principijelna šema regulisanog pogona koji se koristi u vežbi. Slika 1. Principijelni blok dijagram regulisanog pogona Na slici 2. prikazana je postavka laboratorijske vežbe sa označenim glavnim elementima. 1- asinhroni motor, 2 motor za jednosmernu struju, 3 inkrementalni enkoder, 4 kaiš i kaišnici Frekventni pretvarač (Siemens Sinamics S120) 5 prekidač u kolu indukta, 6 ampermetar, 7 autotransformator za podešavanje napona pobude Slika 2. Osnovni delovi laboratorijske postavke 2

3 Priprema za vežbu a) Ponoviti gradivo iz Upravljanja elektromotornim pogonima koje se tiče vektorskog upravljanja asinhronim motorom i aktuatora za pogone sa asinhronim motorom. b) Proučiti uputstvo za rad sa frekventnim pretvaračem Sinamics S120. Zadatak 1) Unošenje osnovnih podataka o pogonu Uneti podatke o elektromotornom pogonu (motoru i pretvaraču). 2) Adaptacija parametara Izvršiti adaptaciju parametara pretvarača (upoznavanje upravljačkog sistema pretvarača sa povezanim motorom). 3) Provera parametara pogona sa regulacijom brzine Podesiti ili proveriti parametre soft-starta, limita zadate i ostvarene brzine, limita momenta, limita struje po d- i q-osi. Na koji način je određena vrednost referentne struje po d-osi? Koje su vrednosti parametara regulatora brzine? Da li postoji filter u povratnoj sprezi po brzini? 4) Pobuđivanje motora Pustiti motor u rad u režimu regulacije brzine, sa zadatom nultom brzinom. Posmatrati promenu sledećih veličina na vremenskom dijagramu na računaru: isa (t), id (t), udref (t), φd (t). Koliko traje proces pobuđivanja motora? 5) Rad u režimu brzinske regulacije Pustiti motor u režimu brzinske regulacije sa povratnom spregom sa davača na vratilu motora (enkodera). Zadati referentnu brzinu: 300 o/min, 500 o/min, 750 o/min i 1000 o/min. Posmatrati promene na vremenskom dijagramu: i sa (t), i d (t), i q (t), m e (t) i ω(t). 6) Revers pogona Uraditi revers, promenu smera obrtanja motora, zadavanjem referentne brzine sa +750 o/min na -750 o/min. Posmatrati m e (t), ω(t), i q (t), i d (t) i i sa (t). Uočiti zavisnost amplitude (efektivne vrednosti) fazne struje motora pri promeni i q i pri promeni brzine. 7) Opterećivanje motora Korišćenjem jednosmernog motora koji radi u režimu dinamičkog kočenja izvršiti opterećivanje motora. Struja indukta se prati na ampermetru, napon pobude se može podešavati na auto-transformatoru. Podešenu vrednost napona pobude ne treba menjati u toku vežbe! Opterećenje izvršiti nakon procesa zaletanja, sa referentnom brzinom od 1000 o/min. Posmatrati promene na vremenskom dijagramu ω(t), m e (t), i q (t), u q (t) i d (t) i u d (t). Da li postoji greška brzine u ustaljenom stanju? Šta se može reći za prelazni proces (na osnovu vremenskih dijagrame brzine i struje po q-osi? Zadati referentnu brzinu u iznosu od 1500 o/min, pri postojećem opterećenju i posmatrati promene karakterističnih veličina. Uočiti uticaj promene q komponente struje na vrednost momenta, brzine i napona po d i q osi. Rasteretiti motor. Konstruisati vektorski dijagram napona i struja u ustaljenim stanjima. 3

4 Postupak 1) Unošenje osnovnih podataka o pogonu Upotrebom programskog paketa Starter potrebno je uneti podatke o elektromotornom pogonu (motoru i pretvaraču). Uz pomoć dežurnog na vežbama, otvoriti unapred pripremljeni projekat u Starter-u (naziv datoteke Praktikum_UPE). Pogledati uputstva za korišćenje softvera (Uputstvo.pdf, dokument na Internet prezentaciji Laboratorije za elektromotorne pogone Uneti parametre sa natpisne pločice motora i invertora (Sekcija projekta Drives, Drive_1, dugme Configure DDS ). 2) Adaptacija parametara Posle unošenja parametara, pretvarač je spreman za dalji rad. Prvo je potrebno ostvariti Online komunikaciju između Startrer-a i frekventnog pretvarača, što se postiže klikom na ikonicu, a zatim je potrebno podešenja iz Starter - a prebaciti u memoriju pretvarača klikom na ikonicu. Posle ovoga, izborom Drive_1 Commissioning Control panel, pokretanje pogona je moguće ostvariti sa upravljačkog panela (Assume Control Priority, LM, Enables). Pri prvom puštanju u rad, odabirom opcije Drive on, klikom na ikonicu, aktiviraće se automatska identifikacija parametra motora, koja traje nekoliko sekundi. Pretvarač nakon završene identifikacije parametar ispiše poruku Ready for Switching On. Klikom na ikonicu motora u Toolbar-u, na radnoj površini (Motor Data) će se otvoriti tabela sa izračunatim parametrima motora, koje treba uneti u izveštaj. 3) Provera parametara pogona sa regulacijom brzine Klikom na ikonicu Drive navigator-a u Toolbar-u, na radnoj površini će se otvoriti blok dijagram upravljačkog dela pogona. Proveriti sve parametre i podešenja koja se traže u ovom zadatku. Popuniti tabelu datu u Izveštaju sa traženim vrednostima. 4) Pobuđivanje (magnetizacija) motora Na upravljačkom panelu u Starter-u zadati referentnu brzinu od 0 o/min. Pre nego što se komande za uključenje pobudne struje (struje statora po d-osi) i zadate brzine proslede pretvaraču, potrebno je omogućiti snimanje traženih veličina i sa (t), i d (t), u dref (t), φ d (t), pa je potrebno ići na: Drive_1 Commissioning Device trace. Na radnoj površini treba izabrati ikonicu koja označava katalog u koji su već uneti traženi signali i u kome treba kliknuti na UPE_Pobudjivanje, pa na Load. Zatim treba pokrenuti snimanje klikom na ikonicu play, a onda na ikonicu za pokretanje motora. Zaustaviti prikazivanje i snimiti vremenske dijagrame na računaru. 5) Rad u režimu brzinske regulacije U projektnom navigatoru ići na: Drive_1 Setpoint channel Ramp-function generator i kliknuti na ikonicu na radnoj površini. Promeniti ramp-up time na 3s i ramp-down time na 3s. Pustiti motor u režimu brzinske regulacije sa povratnom spregom sa davača na vratilu motora (enkodera). U projektnom navigatoru ići na: Drive_1 Open-loop/closed loop control Speed controller i na radnoj površini izabrati [21] Speed control (with encoder). Na upravljačkom panelu u Starter-u zadati referentnu brzinu od 300 o/min i kliknuti na ikonicu za pokretanje motora:. Istovremeno je potrebno početi i snimanje traženih veličina i sa (t), i d (t), i q (t), m e (t) i ω(t), pa je potrebno ići na: Drive_1 Commissioning Device trace. Na radnoj površini treba izabrati ikonicu koja označava katalog u koji su već uneti traženi signali i u kome treba kliknuti na 4

5 UPE_REGULACIJA_W, pa na Load. Zatim treba izabrati opciju Endless trace i pokrenuti snimanje klikom na ikonicu play. Dok je snimanje je u toku, potrebno je zadavati različite vrednosti za referentnu brzinu: 300 o/min, 500 o/min, 750 o/min i 1000 o/min. Kada se snimanje završi, potrebno je na radnoj površini ići na Time diagram gde će biti prikazan vremenski dijagram za: i sa (t), i d (t), i q (t), m e (t) i ω(t). Motor se zaustavlja u upravljačkom panelu klikom na ikonicu. Uneti dati vremenski dijagram u izveštaj. U projektnom navigatoru ići na: Drive_1 Setpoint channel Ramp-function generator i kliknuti na ikonicu na radnoj površini. Promeniti ramp-up time na 1s i ramp-down time na 1s. Na radnoj površini zatim treba izabrati ikonicu, izabrati UPE_REGULACIJA_W_TRIG, pa Load. Potrebno je zadati pogonu brzinu od 300 o/min, pokrenuti snimanje klikom na ikonicu play i dok je snimanje u toku, promeniti brzinu na 1300 o/min. Motor se zaustavlja u upravljačkom panelu klikom na ikonicu. Uneti dati vremenski dijagram u izveštaj. Komentarisati. Vratiti ramp-up time na 3s i ramp-down time na 3s. 6) Revers pogona U Device trace-u, otvoriti katalog UPE_REGULACIJA_W, pa kliknuti na Load. Zatim treba izabrati opciju Endless trace i pokrenuti snimanje klikom na ikonicu play. Pokrenuti motor zadavanjem referentne brzine od +750 o/min, i posle nekoliko sekundi izvršiti revers zadavanjem referentne brzine od -750 o/min. Kada se snimanje završi, isključuje se motor, a u Time diagram-u na radnoj površini će biti prikazan vremenski dijagram za: i sa (t), i d (t), i q (t), m e (t) i ω(t). Uočiti zavisnost amplitude (efektivne vrednosti) fazne struje motora i sa (t) pri promeni i q i pri promeni brzine i nacrtati odgovarajuće vremenske dijagrame u izveštaju. Posmatrati promenu fazne struje u toku prelaznog procesa. Da li je došlo do promene amplitude fazne struje? Uočiti naglu promenu faznog ugla fazne struje. Uočiti promenu učestanosti fazne struje. Kolika je učestanost struje kada je brzina jednaka nuli? Zaustaviti prikazivanje i isključiti prekidač. Snimiti vremenske dijagrame na računaru. Komentarisati 7) Opterećivanje motora U Device trace-u, otvoriti katalog UPE_OPTERECENJE i ići na Load, na radnoj površini će biti uneto:ω(t), m e (t), i q (t), u q (t) i d (t) i u d (t). Pokreće se snimanje klikom na ikonicu:. Pokrenuti motor zadavanjem referentne brzine od o/min, i posle nekoliko sekundi izvršiti opterećenje asinhronog motora uključenjem jednosmernog motora u režimu dinamičkog kočenja. Struja indukta se prati na ampermetru, napon pobude se može podešavati na auto-transformatoru. Podesiti napon pobude jednosmernog motora na vrednost oko 30 V. Posle nekoliko sekundi, promeniti brzinu motora na 1500 o/min. Isključiti opterećenje. Kada se snimanje završi, isključiti asinhroni motor, a u izveštaj uneti snimljene vremenske dijagrame iz Device trace-a. U stacionarnim stanjima pri brzinama od 1000 o/min i 1500 o/min odrediti i zapisati vrednosti napona po d i q osi, struja po d i q osi, brzine, učestanosti, rotorske učestanosti. Izračunati rotorsku učestanost na osnovu zadatih ili merenih struja po d i q osi. Uporediti izračunatu vrednost momenta pomoću struja po d i q osi sa zadatom vrednošću. Nacrtati prostorne vektore struje i napona u d-q koordinatnom sistemu za najmanje dve izabrane vrednosti momenta (u ustaljenom stanju). Komentarisati. 5

6 Izveštaj 1) Unošenje osnovnih podataka o pogonu Nominalni napon (indukta) motora Nominalna struja (indukta) motora Nominalna snaga motora Faktor snage motora Učestanost napajanja motora Brzina obrtanja motora Tip hlađenja motora p304(0) p305(0) p307(0) p308(0) p310(0) p311(0) p335(0) 2) Adaptacija parametara Nominalni napon (indukta) motora Nominalna struja (indukta) motora Nominalna snaga motora Faktor snage motora Učestanost napajanja motora Brzina obrtanja motora Tip hlađenja motora Otpornost statora u hladnom stanju Otpornost rotora u hladnom stanju Reaktansa rasipanja statora Reaktansa rasipanja rotora Induktivnost u grani magnećenja motora Struja megnetizacije motora Maksimalna brzina motora Moment inercije motora Odnos između ukupne inercije pogona i momenta inercije motora Težina motora Otpornost kabla Redna induktivnost Maksimalna brzina p304(0) p305(0) p307(0) p308(0) p310(0) p311(0) p335(0) p350(0) p354(0) p356(0) p358(0) p360(0) p320(0) p322(0) p341(0) p342(0) p344(0) p352(0) p353(0) p1082(0) 3) Parametri pogona sa regulacijom brzine Vreme zaletanja Vreme usporenja p1120(0) p1121(0) Minimalna granična vrednost za brzinu Granična vrednost brzine pri pozitivnom smeru obrtanja Maksimalna granična vrednost za brzinu Granična vrednost brzine pri negativnom smeru obrtanja Gornja granična vrednost momenta Donja granična vrednost momenta p1080(0) p1083(0) p1082(0) p1086(0) p1520(0) p1521(0) 6

7 Koje su vrednosti parametra regulatora brzine? Da li postoji filter u povratnoj sprezi po brzini? 4) Pobuđivanje (magnetizacija) motora Sruja statora po d-osi, i d Struja statora po q-osi, i q r76 r78 Koliko iznosi i na koji način je određena vrednost referentne struje po d-osi? Dijagram: Komentar: Koliko traje proces pobuđivanja motora? 7

8 5) Rad u režimu brzinske regulacije Dijagram 1: Dijagram 2: Uneti zapažanja u vezi vežbe: 8

9 6) Revers pogona Dijagram: Odgovori na pitanja: 9

10 7) Opterećivanje motora Da li postoji greška brzine u ustaljenom stanju? Šta se može reći za prelazni proces na osnovu vremenskih dijagrama brzine i struje po q-osi? 10

11 Merene veličine: M eref U d U q I d I q n f M e [%] [V] [V] [A] [A] [o/min] [Hz] [Nm] P2201[0] R1732[0] R1733[0] R29 R30 R21 R24 R31 Izračunate veličine Lr M + λ T r r = = = [s] Rr Rr 2 3 M P = [H] 2 L r 2 3 M Me = P Iqs mereno Ids mereno 2 Lr ( 2) ( 2) [Nm] (1) I način: ω 1 qs r I T r I ds (2) II način: ωr = 2 π f P n π [rad/s] 30 (3) Mereno Izračunato M eref M eref M e ω r ω r [%] [Nm] [Nm] [rad/s] [rad/s] P2201[0] R79 (1) (2) (3) Komentar: 11

12 Dijagram prostornih vektora napona i struja za zadatu vrednost momenta Dijagram prostornih vektora napona i struja za zadatu vrednost momenta 12