Περιεχόμενα Πρόλογος συγγραφέα... 7 Πρόλογος ελληνικής έκδοσης... 3 Σύμβολα... 5 Εισαγωγή... 35. Εισαγωγή...35. Στοιχεία ισχύος και διακοπτική διαδικασία...36.. Στοιχεία ισχύος...36.. Διακοπτική λειτουργία στοιχείων ισχύος...4.3 Κινητήριο σύστημα...43.3. Ηλεκτρικές μηχανές...43.3. Μετατροπείς ισχύος...48.3.3 Ελεγκτές...49.3.4 Φορτίο...50.4 Tο αντικείμενο του βιβλίου...5.5 Bιβλιογραφία...53 Μοντελοποίηση μηχανών συνεχούς ρεύματος... 55. Θεωρία λειτουργίας...55. Επαγόμενη ΗΕΔ...56.3 Ισοδύναμο κύκλωμα και ηλεκτρομαγνητική ροπή...58.4 Ηλεκτρομηχανολογικό μοντέλο...59.5 Μοντέλο εξισώσεων κατάστασης...59.6 Διαγράμματα βαθμίδων και συναρτήσεις μεταφοράς...60.7 Διέγερση του πεδίου...6.7. Μηχανή dc ξένης διέγερσης...6.7. Μηχανή dc παράλληλης διέγερσης...65.7.3 Μηχανή dc διέγερσης σειράς...65.7.4 Μηχανή dc σύνθετης διέγερσης...68.7.5 Μηχανή dc μόνιμου μαγνήτη...68.8 Μέτρηση των σταθερών του κινητήρα...69.8. Αντίσταση τυμπάνου...69.8. Επαγωγή τυμπάνου...70.8.3 Σταθερά ΗΕΔ...70.9 Διάγραμμα ροής υπολογισμού...7
8 Περιεχόμενα.0 Βιβλιογραφία...73. Ερωτήσεις για συζήτηση...73. Ασκήσεις...73 3 Ελεγχόμενα από τη φάση κινητήρια συστήματα DC... 75 3. Εισαγωγή...75 3. Αρχές ελέγχου της ταχύτητας του κινητήρα DC...76 3.. Θεμελιώδης σχέση...76 3.. Έλεγχος του πεδίου διέγερσης...76 3..3 Έλεγχος τυμπάνου...77 3..4 Έλεγχος τυμπάνου και πεδίου διέγερσης...77 3..5 Λειτουργία τεσσάρων τεταρτημορίων...83 3.3 Μετατροπείς ελεγχόμενοι από τη φάση...87 3.3. Μονοφασικός ελεγχόμενος μετατροπέας...87 3.3. Τριφασικός ελεγχόμενος μετατροπέας...9 3.3.3 Κύκλωμα ελέγχου...96 3.3.4 Μοντελοποίηση του ελέγχου του τριφασικού μετατροπέα...97 3.3.5 Πηγή ρεύματος...98 3.3.6 Ημιελεγχόμενος μετατροπέας...00 3.3.7 Μετατροπείς με ελεύθερη ροή ρεύματος...00 3.3.8 Διάταξη μετατροπέα για κινητήριο σύστημα DC τεσσάρων τεταρτημορίων...0 3.4 Ανάλυση στάσιμης κατάστασης κινητήρα DC τριφασικού μετατροπέα...03 3.4. Ανάλυση μέσων τιμών...03 3.4. Επίλυση στάσιμης κατάστασης με συμπερίληψη των αρμονικών...07 3.4.3 Κρίσιμη γωνία έναυσης...0 3.4.4 Ασυνεχής αγωγή ρεύματος... 3.5 Κινητήριο σύστημα DC δυο τεταρτημορίων με τριφασικό ελεγχόμενο μετατροπέα...5 3.6 Συναρτήσεις μεταφοράς των υποσυστημάτων...7 3.6. Κινητήρας DC και φορτίο...7 3.6. Μετατροπέας...9 3.6.3 Ελεγκτές ρεύματος και ταχύτητας...9 3.6.4 Ανάδραση ρεύματος...9 3.6.5 Ανάδραση ταχύτητας...9 3.7 Σχεδίαση των ελεγκτών...0 3.7. Ελεγκτής ρεύματος...0 3.7. Προσέγγιση πρώτου βαθμού του εσωτερικού βρόχου ρεύματος... 3.7.3 Ελεγκτής ταχύτητας...3 3.8 Κινητήριο σύστημα DC δυο τεταρτημορίων με εξασθένηση του πεδίου διέγερσης...34 3.9 Κινητήριο σύστημα DC τεσσάρων τεταρτημορίων...35 3.0 Επιλογή και χαρακτηριστικά του μετατροπέα...37
Περιεχόμενα 9 3. Προσομοίωση κινητήριου συστήματος DC ενός τεταρτημορίου...38 3.. Οι εξισώσεις του κινητήρα...38 3.. Φίλτρο στο βρόχο ανάδρασης της ταχύτητας...39 3..3 Ελεγκτής ταχύτητας...40 3..4 Γεννήτρια του ρεύματος αναφοράς...4 3..5 Ελεγκτής ρεύματος...4 3..6 Διάγραμμα ροής για προσομοίωση...4 3..7 Αποτελέσματα προσομοίωσης...4 3. Αρμονικές και συναφή προβλήματα...44 3.. Συντονισμός λόγω αρμονικών...44 3.. Μετατροπέας δώδεκα παλμών για κινητήρια συστήματα DC...49 3..3 Επιλεκτική εξάλειψη των αρμονικών και βελτίωση του συντελεστή ισχύος με μεταβάσεις...5 3.3 Ροπή έκτης αρμονικής...54 3.3. Συνεχής αγωγή ρεύματος...55 3.. Ασυνεχής αγωγή ρεύματος...58 3.4 Μελέτες εφαρμογών...6 3.5 Εφαρμογές...64 3.6 Ευαισθησία παραμέτρων...66 3.7 Έρευνα...68 3.8 Βιβλιογραφία...68 3.9 Ερωτήσεις για συζήτηση...69 3.0 Ασκήσεις...7 4 Κινητήριο σύστημα DC ελεγχόμενο από ψαλιδιστή...75 4. Εισαγωγή...75 4. Η αρχή λειτουργίας του ψαλιδιστή...75 4.3 Κύκλωμα ψαλιδιστή τεσσάρων τεταρτημορίων...77 4.3. Λειτουργία πρώτου τεταρτημορίου...77 4.3. Λειτουργία δεύτερου τεταρτημορίου...80 4.3.3 Λειτουργία τρίτου τεταρτημορίου...8 4.3.4 Λειτουργία τέταρτου τεταρτημορίου...8 4.4 Ψαλιδιστής που χρησιμοποιείται για αντιστροφή...84 4.5 Ψαλιδιστής με άλλες συσκευές ισχύος...84 4.6 Το μοντέλο του ψαλιδιστή...85 4.7 Η είσοδος του ψαλιδιστή...85 4.8 Άλλα κυκλώματα ψαλιδιστών...86 4.9 Ανάλυση στάσιμης κατάστασης του ελεγχόμενου από ψαλιδιστή κινητήρα DC...88 4.9. Ανάλυση μέσων τιμών...88 4.9. Στιγμιαίος υπολογισμός της στάσιμης κατάστασης...90 4.9.3 Συνεχής αγωγή ρεύματος...90 4.9.4 Ασυνεχής αγωγή ρεύματος...9 4.0 Ονομαστικά μεγέθη των συσκευών...96 4. Παλλόμενες ροπές...98
0 Περιεχόμενα 4. Λειτουργία κλειστού βρόχου...04 4.. Σύστημα οδήγησης ελεγχομένης ταχύτητας...04 4.. Βρόχος ελέγχου του ρεύματος...04 4..3 Ελεγκτής ρεύματος διαμορφωμένου εύρους παλμών...05 4..4 Ελεγκτής ρεύματος υστέρησης...08 4..5 Μοντελοποίηση των ελεγκτών ρεύματος...0 4..6 Σχεδιασμός του ελεγκτή ρεύματος... 4..7 Σχεδιασμός του ελεγκτή ταχύτητας με τη μέθοδο της συμμετρικής βελτιστοποίησης... 4.3 Δυναμική προσομοίωση κινητήριου συστήματος dc ελεγχόμενης ταχύτητας...4 4.3. Εξισώσεις κινητήρα...5 4.3. Ανάδραση ταχύτητας...5 4.3.3 Ελεγκτής ταχύτητας...6 4.3.4 Γεννήτρια εντολής του ρεύματος...7 4.3.5 Ελεγκτής ρεύματος...7 4.3.6 Προσομοίωση του συστήματος...7 4.4 Εφαρμογή... 4.5 Βιβλιογραφία...5 4.6 Ερωτήσεις για συζήτηση...6 4.7 Ασκήσεις...7 5 Πολυφασικές επαγωγικές μηχανές...9 5. Εισαγωγή...9 5. Κατασκευή και αρχή λειτουργίας...30 5.. Η κατασκευή της μηχανής...30 5.. Αρχή λειτουργίας...36 5.3 Ισοδύναμο κύκλωμα επαγωγικού κινητήρα...37 5.4 Εξισώσεις απόδοσης στάσιμης κατάστασης του επαγωγικού κινητήρα...40 5.5 Λειτουργία στάσιμης κατάστασης...44 5.6 Μέτρηση των παραμέτρων της μηχανής...50 5.6. Αντίσταση στάτη...50 5.6. Δοκιμή χωρίς φορτίο...50 5.6.3 Δοκιμή κλειδωμένου δρομέα...5 5.7 Δυναμική μοντελοποίηση επαγωγικών μηχανών...54 5.7. Μοντέλο πραγματικού χρόνου μιας διφασικής επαγωγικής μηχανής...55 5.7. Μετασχηματισμοί για την παραγωγή σταθερών πινάκων...58 5.7.3 Μετασχηματισμός από τις τρεις φάσεις στις δύο...6 5.7.4 Ισοδυναμία ισχύος...67 5.7.5 Γενικευμένο μοντέλο σε αυθαίρετα επιλεγμένους άξονες αναφοράς...68 5.7.6 Ηλεκτρομαγνητική ροπή...7 5.7.7 Δημιουργία των πιο συχνά χρησιμοποιούμενων μοντέλων επαγωγικού κινητήρα...7 5.7.7. Μοντέλο πλαισίων με αναφορά στο στάτη....7 5.7.7. Μοντέλο πλαισίων με αναφορά στο δρομέα...73 5.7.7.3 Μοντέλο σύγχρονα περιστρεφόμενων πλαισίων αναφοράς...74
Περιεχόμενα 5.7.8 Εξισώσεις μαγνητικών ροπών...78 5.7.9 Μοντέλο ανά μονάδα...80 5.8 Δυναμική προσομοίωση...83 5.9 Εξισώσεις μικρού σήματος της επαγωγικής μηχανής...87 5.9. Εξαγωγή...87 5.9. Κανονικοποιημένες εξισώσεις μικρού σήματος...95 5.0 Υπολογισμός χαρακτηριστικών ελέγχου της επαγωγικής μηχανής...97 5.0. Συναρτήσεις μεταφοράς και αποκρίσεις συχνότητας...97 5.0. Υπολογισμός των χρονικών αποκρίσεων...99 5. Μοντέλο χωρικού διανύσματος...304 5.. Βασικές αρχές...304 5.. Παραγωγή του μοντέλου των ροών DQ...304 5..3 Μοντέλο επαγωγικής μηχανής βασισμένο στο γεωμετρικό τόπο των ιδιοτιμών σε άξονες DQ...306 5..4 Εξαγωγή του μοντέλου χωρικού διανύσματος...308 5..5 Γεωμετρικός τόπος των χαρακτηριστικών ριζών του μοντέλου χωρικού διανύσματος της επαγωγικής μηχανής...309 5..6 Ο τύπος της ηλεκτρομαγνητικής ροπής...30 5..7 Αναλυτική επίλυση της δυναμικής της μηχανής...34 5..8 Γράφημα σήματος-ροής του μοντέλου χωρικού διανύσματος του επαγωγικού κινητήρα...35 5. Η αρχή ελέγχου του επαγωγικού κινητήρα...36 5.3 Βιβλιογραφία...30 5.4 Ερωτήσεις για συζήτηση...3 5.5 Ασκήσεις...3 6 Επαγωγικό κινητήριο σύστημα ελεγχόμενο από τη φάση...35 6. Εισαγωγή...35 6. Έλεγχος της τάσης του στάτη...36 6.. Κύκλωμα ισχύος και παλμοδότηση...36 6.. Αντιστρεπτός ελεγκτής...36 6..3 Ανάλυση στάσιμης κατάστασης...39 6..4 Προσεγγιστική ανάλυση...330 6..4. Μοντέλο κινητήρα και γωνία αγωγής...330 6..4. Ανάλυση Fourier της τάσης...333 6..4.3 Κανονικοποιημένα ρεύματα...335 6..4.4 Υπολογισμός απόδοσης σε στάσιμη κατάσταση...336 6..4.5 Περιορισμοί...336 6..5 Χαρακτηριστικές ροπής-ταχύτητας με φασικό έλεγχο...337 6..6 Αλληλεπίδραση του φορτίου...337 6..6. Υπολογισμός της αλληλεπίδρασης του φορτίου στη στάσιμη κατάσταση...339 6..7 Λειτουργία κλειστού βρόχου...343 6..8 Απόδοση...344 6..9 Εφαρμογές...346
Περιεχόμενα 6.3 Διάταξη ανάκτησης ολισθαίνουσας ισχύος...348 6.3. Αρχή λειτουργίας...348 6.3. Διάταξη ανάκτησης ολισθαίνουσας ισχύος...349 6.3.3 Ανάλυση στάσιμης κατάστασης...350 6.3.3. Εύρος ολίσθησης....35 6.3.3. Ισοδύναμο κύκλωμα...35 6.3.3.3 Χαρακτηριστικές απόδοσης...354 6.3.4 Εκκίνηση...36 6.3.5 Ονομαστική τιμή μετατροπέα...36 6.3.5. Ονομαστικές τιμές ανορθωτών γέφυρας...363 6.3.5. Ελεγχόμενος από τη φάση μετατροπέας...363 6.3.5.3 Πηνίο φίλτρου...363 6.3.6 Έλεγχος κλειστού βρόχου...364 6.3.7 Παλλόμενες ροπές έκτης αρμονικής...366 6.3.8 Αρμονικές ροπές...369 6.3.9 Στατικό κινητήριο σύστημα Scherbius...370 6.3.0 Εφαρμογές...37 6.4 Βιβλιογραφία...374 6.5 Ερωτήσεις για συζήτηση...375 6.6 Ασκήσεις...378 7 Έλεγχος συχνότητας επαγωγικών μηχανών...38 7. Εισαγωγή...38 7. Στατικοί μετατροπείς συχνότητας...38 7.3 Αντιστροφέας τάσης-πηγής...385 7.3. Τροποποιημένος αντιστροφέας McMurray... 385 7.3. Λειτουργία αντιστροφέα πλήρους γέφυρας... 388 7.4 Επαγωγικός κινητήρας τάσης-πηγής οδηγούμενος από αντιστροφέα...389 7.4. Κυματομορφές τάσης... 389 7.4. Πραγματική ισχύς... 39 7.4.3 Άεργος ισχύς... 39 7.4.4 Έλεγχος ταχύτητας... 39 7.4.5 Έλεγχος σταθερού λόγου volt/hz... 394 7.4.5. Σχέση μεταξύ τάσης και συχνότητας...394 7.4.5. Εφαρμογή της στρατηγικής volt/hz...397 7.4.5.3 Απόδοση στάσιμης κατάστασης...399 7.4.5.4 Δυναμική προσομοίωση...400 7.4.5.5 Αποκρίσεις μικρού σήματος...409 7.4.5.6 Άμεσος υπολογισμός στάσιμης κατάστασης...4 7.4.6 Έλεγχος σταθερής ταχύτητας ολίσθησης... 46 7.4.6. Στρατηγική οδήγησης...46 7.4.6. Ανάλυση στάσιμης κατάστασης...47 7.4.7 Έλεγχος σταθερής ροής διακένου... 4 7.4.7. Αρχή λειτουργίας...4 7.4.7. Στρατηγική οδήγησης...4 7.4.8 Κυματώσεις ροπής... 46 7.4.8. Γενικά...46 7.4.8. Υπολογισμός των κυματώσεων...46 7.4.8.3 Επίδραση των χρονικών αρμονικών...43
Περιεχόμενα 3 7.4.9 Έλεγχος των αρμονικών... 434 7.4.9. Γενικά...434 7.4.9. Έλεγχος μετατόπισης φάσης...434 7.4.9.3 Διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM)...438 7.4.0 Εκτίμηση στάσιμης κατάστασης με τάσεις PWM... 440 7.4.0. Παραγωγή τάσεων PWM...440 7.4.0. Μοντέλο μηχανής...443 7.4.0.3 Άμεση εκτίμηση του διανύσματος ρεύματος στάσιμης κατάστασης με την τεχνική ταύτισης των οριακών συνθηκών...444 7.4.0.4 Υπολογισμός της απόδοσης στάσιμης κατάστασης...445 7.4. Λειτουργία εξασθενημένου πεδίου... 449 7.4.. Εξασθένιση πεδίου...449 7.4.. Υπολογισμός της ολίσθησης...45 7.4..3 Μέγιστη συχνότητα στάτη...453 7.5 Επαγωγικοί κινητήρες πηγής ρεύματος...454 7.5. Γενικά...454 7.5. ASCI...455 7.5.. Μεταγωγή...455 7.5.. Αντιστροφή ακολουθίας τάσεων...457 7.5..3 Αναγεννητική πέδηση...457 7.5..4 Σύγκριση μετατροπέων κινητήρων ac και dc...458 7.5.3 Απόδοση στάσιμης κατάστασης...459 7.5.4 Άμεσος υπολογισμός στάσιμης κατάστασης επαγωγικού κινητήριου συστήματος αντιστροφέα πηγής ρεύματος έξι βημάτων (CSIM)...463 7.5.5 Σύστημα οδήγησης CSIM κλειστού βρόχου...47 7.5.6 Δυναμική προσομοίωση του κινητήριου συστήματος CSIM κλειστού βρόχου...47 7.6 Εφαρμογές...480 7.7 Βιβλιογραφία...48 7.8 Ερωτήσεις για συζήτηση...48 7.9 Ασκήσεις...485 8 Επαγωγικά κινητήρια συστήματα διανυσματικού ελέγχου...487 8. Εισαγωγή...487 8. Η αρχή του διανυσματικού ελέγχου...488 8.3 Άμεσος διανυσματικός έλεγχος...49 8.3. Περιγραφή...49 8.3. Επεξεργαστής ροπής και ροής...493 8.3.. Περίπτωση (i): Τερματικές τάσεις...493 8.3.. Περίπτωση (ii): Επαγόμενη ΗΕΔ από τα πηνία ανίχνευσης ροής ή αισθητήρες Hall...497 8.3.3 Υλοποίηση με πηγή-ρεύματος έξι βημάτων...499 8.3.4 Υλοποίηση με πηγή τάσης...50 8.3.5 Άμεσος διανυσματικός (αυτό) έλεγχος σε πλαίσιο αναφοράς στάτη με διαμόρφωση χωρικού διανύσματος...503 8.4 Εξαγωγή της διάταξης έμμεσου διανυσματικού ελέγχου...54 8.5 Διάταξη έμμεσου διανυσματικού ελέγχου...57 8.6 Υλοποίηση του έμμεσου διανυσματικού ελέγχου...59
4 Περιεχόμενα 8.7 Ρύθμιση του διανυσματικού ελεγκτή...534 8.8 Διάγραμμα ροής υπολογισμού των δυναμικών μεταβλητών...537 8.9 Αποτελέσματα δυναμικής προσομοίωσης...538 8.0 Ευαισθησία παραμέτρων επαγωγικού κινητήρα με έμμεσο διανυσματικό έλεγχο...540 8.0. Οι επιδράσεις της ευαισθησίας των παραμέτρων όταν ο εξωτερικός βρόχος ταχύτητας είναι ανοιχτός...54 8.0.. Έκφραση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής...54 8.0.. Έκφραση των ροών του δρομέα...543 8.0..3 Αποτελέσματα στάσιμης κατάστασης...544 8.0..4 Χαρακτηριστικές μετάβασης...547 8.0. Οι επιδράσεις της ευαισθησίας παραμέτρων σε ένα ελεγχόμενο από την ταχύτητα επαγωγικό κινητήριο σύστημα... 550 8.0.. Χαρακτηριστικές στάσιμης κατάστασης...55 8.0.. Εξέταση των χαρακτηριστικών μετάβασης...555 8.0..3 Ευαισθησία παραμέτρων άλλων κινητηρίων συστημάτων...557 8. Αντιστάθμιση ευαισθησίας παραμέτρων...557 8.. Διάταξη αντιστάθμισης της διαμορφωμένης άεργης ισχύος...558 8.. Αντιστάθμιση παραμέτρων με έλεγχο ανάδρασης της ισχύος διακένου...560 8... Απόδοση στάσιμης κατάστασης...56 8... Δυναμική απόδοση...565 8. Λειτουργία εξασθενημένης ροής...567 8.. Εξασθένηση ροής σε διατάξεις ελέγχου πλεγμένης ροής στάτη...568 8.. Εξασθένηση ροής σε διατάξεις ελέγχου πλεγμένης ροής δρομέα...569 8..3 Αλγόριθμος δημιουργίας αναφοράς πλεγμένης ροής δρομέα...57 8..4 Λειτουργία σταθερής ισχύος...574 8.3 Ελεγκτής ταχύτητας για επαγωγικό σύστημα έμμεσου διανυσματικού ελέγχου...575 8.3. Εξαγωγή διαγράμματος βαθμίδων...576 8.3.. Διανυσματικά ελεγχόμενη επαγωγική μηχανή...576 8.3.. Αντιστροφέας...579 8.3..3 Ελεγκτής ταχύτητας...579 8.3..4 Συναρτήσεις μεταφοράς αναδράσεων...579 8.3. Απλοποίηση του διαγράμματος βαθμίδων...580 8.3.3 Απλοποιημένη συνάρτηση μεταφοράς βρόχου ρεύματος...58 8.3.4 Σχεδίαση του ελεγκτή ταχύτητας...583 8.4 Απόδοση και εφαρμογές...587 8.4. Εφαρμογή: Κινητήριο σύστημα φυγοκεντριστή...588 8.5 Επίπεδο έρευνας...589 8.6 Βιβλιογραφία...590 8.7 Ερωτήσεις για συζήτηση...594 8.8 Ασκήσεις...597 9 Σύγχρονα και χωρίς ψήκτρες κινητήρια συστήματα DC μόνιμου μαγνήτη...60 9. Εισαγωγή...60 9. Μόνιμοι μαγνήτες και χαρακτηριστικές...60 9.. Μόνιμοι μαγνήτες...60 9.. Γραμμή διακένου...603
Περιεχόμενα 5 9..3 Πυκνότητα ενέργειας...606 9..4 Όγκος μαγνήτη...607 9.3 Σύγχρονες μηχανές με μόνιμους μαγνήτες...607 9.3. Διατάξεις μηχανών...607 9.3. Κατανομή πυκνότητας ροής...60 9.3.3 Σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη εκκίνησης γραμμής...6 9.3.4 Τύποι σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη...6 9.4 Διανυσματικός έλεγχος των σύγχρονων μηχανών PM (PMSM)...64 9.4. Μοντέλο της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη (PMSM)...64 9.4. Διανυσματικός έλεγχος...66 9.4.3 Σχηματική απεικόνιση συστήματος οδήγησης...69 9.5 Στρατηγικές ελέγχου...60 9.5. Έλεγχος σταθερής γωνίας ροπής (δ = 90 )...6 9.5. Έλεγχος μοναδιαίου συντελεστή ισχύος...64 9.5.3 Έλεγχος σταθερής αμοιβαία πλεγμένης ροής διακένου...66 9.5.4 Έλεγχος βέλτιστης ροπής ανά μονάδα ρεύματος (Ampere)...68 9.6 Λειτουργία εξασθένημενης ροής...69 9.6. Μέγιστη ταχύτητα...630 9.6. Αλγόριθμος άμεσης εξασθένησης της ροής...63 9.6.. Διάταξη ελέγχου...633 9.6.. Ελεγκτής λειτουργίας σταθερής ροπής...633 9.6..3 Ελεγκτής εξασθένησης ροής...635 9.6..4 Απόδοση του συστήματος...637 9.6.3 Έμμεση εξασθένηση της ροής...639 9.6.3. Μέγιστη επιτρεπτή ροπή...640 9.6.3. Διάταξη ελέγχου ταχύτητας...64 9.6.3.3 Στρατηγική υλοποίησης...64 9.6.3.4 Απόδοση συστήματος...644 9.6.3.5 Ευαισθησία παραμέτρων...644 9.7 Σχεδιασμός του ελεγκτή ταχύτητας...647 9.7. Εξαγωγή διαγράμματος βαθμίδων...647 9.7. Βρόχος ρεύματος...649 9.7.3 Ελεγκτής ταχύτητας...650 9.8 Έλεγχος χωρίς αισθητήρες...656 9.9 Ευαισθησία παραμέτρων...66 9.9. Ο λόγος της τιμής της ροπής προς την τιμή αναφοράς της...66 9.9. Ο λόγος της τιμής της αμοιβαία πλεγμένης ροής προς την τιμή αναφοράς της...663 9.9.3 Αποκατάσταση των παραμέτρων μέσω ελέγχου ανάδρασης της ισχύος διακένου...664 9.9.3. Αλγόριθμος...665 9.9.3. Απόδοση...668 9.0 Κινητήρας DC μόνιμου μαγνήτη χωρίς ψήκτρες (PMBDCM)...673 9.0. Μοντελοποίηση κινητήρα dc μόνιμου μαγνήτη χωρίς ψήκτρες...674 9.0. Διάταξη οδήγησης του κινητήριου συστήματος PMBDCM...676 9.0.3 Δυναμική προσομοίωση...678 9.0.4 Κυμάτωση ροπής μεταγωγής...678 9.0.5 Προπορεία φάσης...68 9.0.6 Κανονικοποιημένες εξισώσεις συστήματος...684
6 Περιεχόμενα 9.0.7 Κινητήρια συστήματα μισού κύματος PMBDCM...685 9.0.7. Τοπολογία διαίρεσης της τροφοδοσίας του μετατροπέα...686 9.0.7. Τοπολογία C-dump...70 9.0.7.3 Τοπολογία μετατροπέα μεταβλητής σύνδεσης dc...708 9.0.8 Έλεγχος χωρίς αισθητήρες του κινητήριου συστήματος PMBDCM...7 9.0.9 Εξομάλυνση της ροπής...76 9.0.0 Σχεδιασμός ελεγκτών ταχύτητας και ρεύματος...76 9.0. Ευαισθησία παραμέτρων του κινητήριου συστήματος PMBDCM...76 9. Βιβλιογραφία...77 9. Ερωτήσεις για συζήτηση...78 9.3 Ασκήσεις...74 Ευρετήριο...75
.3 Κινητήριο σύστημα 43 αναφορές. Όπου κρίνουμε απαραίτητο, περιλαμβάνουμε μια σύντομη περιγραφή του μετατροπέα ισχύος στο κείμενο..3 Κινητήριο σύστημα Ένα σύγχρονο σύστημα μεταβλητής ταχύτητας αποτελείται από τέσσερα στοιχεία. (i) Ηλεκτρικές μηχανές εναλλασσόμενου (ac) ή συνεχούς ρεύματος (dc). (ii) Μετατροπέα ισχύος ανορθωτές, ψαλιδιστές, αντιστροφείς και κυκλομετατροπείς. (iii) Ελεγκτές Εναρμόνιση του κινητήρα και του μετατροπέα ισχύος με τις απαιτήσεις του φορτίου. (iv) Φορτίο. Ρεύματα/Τάσεις Κατάσταση Εντολή Ροπής/Ταχύτητας/Θέσης Ελεγκτής Μετατροπέας ισχύος Κινητήρας Ροπή/Ταχύτητα/Θέση Φορτίο Σχήμα.8 Πίεση/Ροπή/Θερμοκρασία, κ.λπ. Σχηματικό διάγραμμα κινητήριου συστήματος Το σύστημα παρουσιάζεται στο διάγραμμα του Σχήματος.8. Στις επόμενες ενότητες δίνεται μια σύντομη περιγραφή των στοιχείων του συστήματος..3. Ηλεκτρικές μηχανές Οι ηλεκτρικές μηχανές που χρησιμοποιούνται στις μέρες μας για εφαρμογές ελέγχου της ταχύτητας είναι οι ακόλουθες: (i) Μηχανές συνεχούς ρεύματος κινητήρες παράλληλοι, εν σειρά, σύνθετης διέγερσης, ξένης διέγερσης, συνεχούς ρεύματος και μηχανές μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης. (ii) Μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος επαγωγικές, σύγχρονες τυλιγμένου δρομέα, σύγχρονες μόνιμου μαγνήτη, σύγχρονες μαγνητικής αντίστασης, και μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης. (iii) Ειδικές μηχανές μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης.
44 Κεφάλαιο Εισαγωγή Όλες οι μηχανές είναι διαθέσιμες στο εμπόριο σε μεγέθη από υποδιαιρέσεις του kw έως ΜW, εκτός από τις σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη, τις σύγχρονες μηχανές μαγνητικής αντίστασης και τις μηχανές μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης οι οποίες είναι διαθέσιμες μέχρι το επίπεδο των 50 kw. Οι τελευταίες μηχανές είναι διαθέσιμες και σε υψηλότερα επίπεδα ισχύος, αλλά είναι οικονομικά ασύμφορες από εμπορικής άποψης, καθώς απαιτούν σχεδιασμό κατόπιν ειδικής παραγγελίας. Η επιλογή μιας μηχανής για μια συγκεκριμένη εφαρμογή καθορίζεται από διάφορους παράγοντες: (i) Κόστος (ii) Θερμική χωρητικότητα (iii) Απόδοση (iv) Σχέση ροπής-στροφών (v) Επιτάχυνση (vi) Πυκνότητα ισχύος, όγκος κινητήρα (vii) Παλλόμενες ροπές και ροπές λόγω των οδοντώσεων (viii) Διαθεσιμότητα εφεδρικών και δευτερευουσών πηγών (ix) Στιβαρότητα (x) Καταλληλότητα σε αντίξοο περιβάλλον (xi) Η δυνατότητα μέγιστης ροπής Γενικά, δεν είναι κατάλληλες για όλες τις εφαρμογές. Κάποιες υπερτερούν έναντι των άλλων. Για παράδειγμα, τα επικρατέστερα χαρακτηριστικά για το σχεδιασμό μιας ε- φαρμογής σερβομηχανισμού θέσης, είναι η μέγιστη ροπή και οι θερμικές δυνατότητες σε συνδυασμό με τις παλλόμενες ροπές και τις ροπές λόγω των οδοντώσεων. Οι υψηλές μέγιστες ροπές μειώνουν τους χρόνους επιτάχυνσης/επιβράδυνσης, οι μικρές παλλόμενες ροπές και ροπές οδοντώσεων βοηθούν στην επίτευξη υψηλής επαναληψημότητας τοποθέτησης, ενώ η υψηλή θερμική ικανότητα προσδίδει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του κινητήρα και επιτρέπει μεγαλύτερη φόρτιση. Σε αυτό το βιβλίο θα εξετάσουμε μόνο μηχανές συνεχούς ρεύματος, επαγωγικές μηχανές, σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη και μηχανές συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες και θα εξαγάγουμε τα μοντέλα στάσιμης κατάστασης και δυναμικής κατάστασης. Η τεχνολογία των σύγχρονων μηχανών τυλιγμένου δρομέα και των κινητήριων συστημάτων έχει καθιερωθεί και ελάχιστα έχει αλλάξει τα τελευταία 40 χρόνια. Οι σύγχρονες μηχανές μαγνητικής και μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης και τα κινητήρια συστήματά τους είναι σαφώς πιο πρόσφατα, αλλά δεν έχουν καταφέρει να εδραιωθούν ακόμα στην αγορά. Πολύ λίγοι μηχανικοί ασχολούνται με αυτά τα θέματα. Επειδή, όμως, πολλοί απασχολούνται στο βιομηχανικό τομέα των μηχανών συνεχούς ρεύματος, των επαγωγικών μηχανών, των σύγχρονων μηχανών, των μηχανών μόνιμου μαγνήτη και των μηχανών συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες, σε αυτό το βιβλίο θα καλύψουμε μόνο αυτά τα θέματα. Υπολογισμός απόδοσης. Το βασικότερο κίνητρο για την εισαγωγή των κινητήριων συστημάτων μεταβλητής ταχύτητας σε μερικές βιομηχανίες είναι η εξοικονόμηση ε- νέργειας. Γι αυτόν το λόγο, όταν έχουμε λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας, συνήθως,
.3 Κινητήριο σύστημα 45 υπολογίζουμε την απόδοση των ηλεκτρικών κινητήρων. Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή του υπολογισμού της απόδοσης των ηλεκτρικών κινητήρων. Οι τιμές ισχύος, τάσης και ταχύτητας που αναγράφονται στην πινακίδα χαρακτηριστικών του κινητήρα είναι ονομαστικές, δηλαδή, αναφέρονται σε συνεχή λειτουργία στάσιμης κατάστασης. Προσέξτε την αντιστοιχία της ισχύος με την ισχύ εξόδου στον άξονα. Η ροπή εξόδου ή ροπή άξονα T o, της μηχανής υπολογίζεται ως εξής: Ισχύς, W P0 745,6 T = 0,N.m Ταχύτητα, rad/sec = ω m (.5) π Nr ωm =, rad/sec 60 όπου P ο είναι η ισχύς εξόδου σε hp, N r είναι η ταχύτητα σε rpm, και ωm είναι η ταχύτητα σε rad/sec. Η εσωτερική ροπή, T e, του κινητήρα είναι το άθροισμα της ροπής εξόδου και των απωλειών ροπής στον άξονα, δηλαδή οι ροπές τριβών και ανεμισμού. Η τριβή παράγεται από τα έδρανα (συνήθως είναι ανάλογη της ταχύτητας), ενώ ο ανεμισμός οφείλεται στην επίδραση της κυκλοφορίας του αέρα στα περιστρεφόμενα μέρη (είναι ανάλογος του τετραγώνου της ταχύτητας). Ας συμβολίσουμε τις απώλειες ισχύος άξονα ως P sh και τις απώλειες ροπής ως T lo. Η εσωτερική ροπή δίνεται τότε από τη σχέση T,N.m e = T0 + Tl0 (.6) Αυτή η εσωτερική ροπή είναι γνωστή ως ροπή διάκενου ή ηλεκτρομαγνητική ροπή, επειδή είναι η ροπή που αναπτύσσει ο κινητήρας στο διάκενο λόγω της ηλεκτρομαγνητικής ζεύξης. Η ροπή διάκενου αναπτύσσεται από την ισχύ που διασχίζει το διάκενο και προέρχεται από το τύμπανο (συνήθως ο δρομέας στις μηχανές συνεχούς ρεύματος και ο στάτης στις μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος) και είναι γνωστή ως ισχύς διακένου, P a. Γενικά, λαμβάνεται από την ισχύ εισόδου του τυμπάνου P i και τις απώλειές του P l λόγω αντίστασης (γνωστές ως απώλειες χαλκού), τις απώλειες πυρήνα, και τις απροσδιόριστες απώλειες (γνωστές ως απώλειες δινορρευμάτων, που κυμαίνονται μεταξύ 0,5 και % της ισχύος εξόδου). Σημειώστε ότι η ροπή διακένου υπολογίζεται από την ισχύ διακένου ως εξής: Pa Te =, N.m (.7) ωm Ο βαθμός απόδοσης υπολογίζεται τότε ως Ισχύς εξόδου P0 Απόδοση, η = = (.8) Ισχύς εισόδου Pi Για ιδιαίτερες περιπτώσεις κινητήρων, οι λεπτομέρειες των υπολογισμών παρουσιάζονται στα αντίστοιχα κεφάλαια. Σημειώστε ότι η ροπή εξόδου είναι ίση με τη ροπή του φορτίου T l. Σημειώστε, επίσης, ότι αν θεωρήσουμε ότι οι απώλειες ροπής στον άξονα είναι αμελητέες, η ηλεκτρομαγνητική ροπή ισούται με τη ροπή του φορτίου.
46 Κεφάλαιο Εισαγωγή Ονομαστικά μεγέθη κινητήρα. Στο Σχήμα.9 φαίνονται οι τυπικές γραφικές παραστάσεις της ροπής και της ταχύτητας ενός ηλεκτρικού τρένου για μία περίοδο. Παρατηρούμε ότι ούτε η ροπή του φορτίου ούτε η ταχύτητά του είναι σταθερές, αλλά και οι δύο μεταβάλλονται. Τα φορτία αυτά συναντώνται και στην πράξη. ω m, p.u 0 t, s T e, p.u T T 0 t t t 3 t 4 t, s T 3 Σχήμα.9 Γραφικές παραστάσεις της ροπής και της ταχύτητας για μία περίοδο ενός ηλεκτρικού τρένου Σε αυτή την περίπτωση, η επιλογή των ονομαστικών τιμών ροπής και ισχύος του κινητήρα δεν είναι απλή υπόθεση, όπως στα κινητήρια συστήματα σταθερής ταχύτητας. Στην περίπτωση που το φορτίο μεταβάλλεται, η ροπή και η ισχύς του κινητήρα επιλέγονται με βάση την ενεργό ροπή και ισχύ. Η ενεργός ροπή υπολογίζεται από τη χαρακτηριστική του φορτίου, όπως αυτή που φαίνεται στο Σχήμα.9. Για παράδειγμα, η ενεργός ηλεκτρομαγνητική ροπή για την περίοδο φόρτισης που παρουσιάζεται στο Σχήμα.9, αμελώντας την περίοδο ηρεμίας, υπολογίζεται ως εξής: T t + T t + T3 t3 T e = (.9) t + t + t Παρόμοια, η ενεργός ισχύς υπολογίζεται από τη σχέση της ισχύος με το χρόνο. Αυτοί οι υπολογισμοί μάς δίδουν την ενεργό ροπή και ισχύ. Ακόμα και αν φροντίσουμε η ε- νεργός ροπή και η ισχύς εξόδου να είναι αρκετά μικρότερες ή ίσες με τις ονομαστικές τιμές της μηχανής, δεν διασφαλίζουμε ότι η μηχανή θα λειτουργεί εντός των θερμικών σχεδιαστικών ορίων της. Τα θερμικά ονομαστικά μεγέθη επηρεάζουν τη λειτουργία του κινητήρα. Τα θερμικά ονομαστικά μεγέθη εξαρτώνται από τις απώλειες του κινητήρα, οι οποίες, με τη σειρά τους, στην περίπτωση μηχανών dc, επηρεάζονται κυρίως από το ενεργό ρεύμα, καθώς επίσης και από πρόσθετους παράγοντες, όπως είναι η συχνότητα του στάτη και οι ασκούμενες τάσεις στην περίπτωση των μηχανών ac. Για να καθορίσουμε εάν η μηχανή λειτουργεί στα θερμικά όρια των ονομαστικών απωλειών ισχύος, είναι απαραίτητο να υπολογίσουμε τις ενεργές απώλειες της μηχανής για μία περίοδο φόρτισης. Αν οι ενεργές απώλειες είναι χαμηλότερες από τις ονομαστικές α- πώλειες τότε η μηχανή είναι θερμικά ασφαλής για να λειτουργήσει. 3
.3 Κινητήριο σύστημα 47 Παράδειγμα. Δύο ηλεκτρικές μηχανές πρόκειται να οδηγήσουν ένα φορτίο. Οι ονομαστικές τιμές της ροπής και της ταχύτητας των μηχανών είναι ίδιες. Τα θερμικά όρια των μηχανών αντιστοιχούν στις ονομαστικές ωμικές απώλειες του τυμπάνου. Οι σχέσεις μεταξύ ροπής-ρεύματος τυμπάνου για τις μηχανές και είναι οι παρακάτω: () T i e () Te i Κατά το πρώτο μισό του χρόνου μίας περιόδου φόρτισης, το φορτίο έχει διπλάσια ροπή από την ονομαστική και μηδενική για το υπόλοιπο μισό της περιόδου. Βρείτε ποια μηχανή είναι κατάλληλη για την εφαρμογή. Λύση Αμελώντας τις απώλειες ροπής στον άξονα, η ροπή του φορτίου ισούται με την ηλεκτρομαγνητική ροπή. Έστω T b η ονομαστική ροπή, I b το ονομαστικό ρεύμα, και I b R οι ονομαστικές απώλειες. Η ενεργός ηλεκτρομαγνητική ροπή είναι Te = Tb d = Tb = Tb όπου d είναι ο κύκλος λειτουργίας. Μηχανή : Από τη σχέση που μας δείχνει ότι η ηλεκτρομαγνητική ροπή είναι ανάλογη του τετραγώνου του ρεύματος, βρίσκουμε το ρεύμα του φορτίου ως εξής: T I b Tb I Το ρεύμα στο τύμπανο για το φορτίο είναι I = I b Η ενεργός τιμή (RMS) του ρεύματος τυμπάνου είναι b I r = I b d = I b = I b Απώλειες = I r R = I b R = Ονομαστικές απώλειες Μηχανή : Καθώς η ηλεκτρομαγνητική ροπή είναι ανάλογη του ρεύματος, μπορούμε να βρούμε το ρεύμα του φορτίου για τη συγκεκριμένη μηχανή ως εξής: Tb Ib Tb I Το ρεύμα τυμπάνου για το συγκεκριμένο φορτίο είναι I = I b Η ενεργός τιμή (RMS) του ρεύματος τυμπάνου είναι I r = I b d = I b = I b
48 Κεφάλαιο Εισαγωγή Απώλειες = I rr = Ib R = * Ονομαστικές απώλειες Συνεπώς, μόνο η μηχανή ικανοποιεί το θερμικό όριο των ονομαστικών απωλειών, οπότε είναι κατάλληλη για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Σημειώστε ότι αν και η ενεργός ροπή είναι μεγαλύτερη από την ονομαστική ροπή, η λειτουργία για την περίπτωση ποτ εξετάζουμε είναι θερμικά ασφαλής..3. Μετατροπείς ισχύος Οι μετατροπείς ισχύος που οδηγούν ηλεκτρικές μηχανές είναι: (i) Ελεγχόμενοι ανορθωτές: Τροφοδοτούνται από μονοφασικές και τριφασικές πηγές τροφοδοσίας ac και παρέχουν μία έξοδο dc για τον έλεγχο των μηχανών dc. Μερικές φορές, στην περίπτωση μηχανών ac, παρέχουν στους αντιστροφείς και είσοδο τροφοδοσίας ac. Τριφασική πηγή τροφοδοσίας 3 Ελεγχόμενος ανορθωτής Ελεγχόμενη τάση dc v dc = K r v c v c v c Σήμα ελέγχου τάσης (i) Ελεγχόμενος ανορθωτής Τροφοδοσία dc v c Αντιστροφέας 3 Τριφασική έξοδος μεταβλητής τάσης, μεταβλητής συχνότητας v a,b,c = f(v c,f c ) f c v c Εντολή εύρους τάσης f c Εντολή συχνότητας (ii) Αντιστροφέας Τριφασική τροφοδοσία ac σταθερής συχνότητας v c 3 Κυκλομετατροπέας 3 Τριφασική έξοδος μεταβλητής τάσης, μεταβλητής συχνότητας v a,b,c = f(v c,f c ) f c (iii) Κυκλομετατροπέας Σχήμα.0 Σχηματικά διαγράμματα μετατροπέων ισχύος
.3 Κινητήριο σύστημα 49 (ii) Αντιστροφείς: Παρέχουν μεταβαλλόμενες εναλλασσόμενες τάσεις και ρεύματα κατάλληλης συχνότητας και φάσης για τον έλεγχο μηχανών ac. Η τροφοδοσία εισόδου dc στους αντιστροφείς λαμβάνεται είτε από μια μπαταρία (όπως στην περίπτωση των ηλεκτρικών οχημάτων) είτε από μια ανορθωμένη πηγή ac με ε- λεγχόμενους ή μη ελεγχόμενους (με διόδους) ανορθωτές. Εξαιτίας του ενδιάμεσου κυκλώματος dc (το οποίο είναι γνωστό και ως ζεύξη dc ή δίκτυο dc) μεταξύ της πηγής τροφοδοσίας ac και της εξόδου του αντιστροφέα, δεν υπάρχει περιορισμός στην λαμβανομένη συχνότητα εξόδου εκτός από αυτόν που επιβάλλεται στους διακόπτες ισχύος των αντιστροφέων. (iii) Κυκλομετατροπείς: Παρέχουν άμεση μετατροπή μιας εναλλασσόμενης τάσης/ρεύματος σταθερής συχνότητας σε μεταβλητή τάση/ρεύμα μεταβλητής συχνότητας για τον έλεγχο των μηχανών ac. Η συχνότητα εξόδου συνήθως περιορίζεται στο 33-50% της συχνότητας της τροφοδοσίας εισόδου, για να αποφευχθεί η παραμόρφωση της κυματομορφής. Γι αυτό το λόγο, χρησιμοποιούνται μόνο σε χαμηλής ταχύτητας, αλλά υψηλής ισχύος, κινητήρια συστήματα ac. Αυτοί οι μετατροπείς ισχύος μπορούν να θεωρηθούν ως μαύρα κουτιά με συγκεκριμένες συναρτήσεις μεταφοράς. Σε αυτή την περίπτωση οι προαναφερθέντες μετατροπείς μπορούν να παρασταθούν συμβολικά όπως φαίνεται στο Σχήμα.0. Οι συναρτήσεις μεταφοράς για διαφόρους μετατροπείς εξάγονται στη συνέχεια του κειμένου..3.3 Ελεγκτές Οι ελεγκτές χρησιμοποιούν τους νόμους που διέπουν τις χαρακτηριστικές του φορτίου και του κινητήρα, και τις αλληλεπιδράσεις τους. Για το συνδυασμό του φορτίου και του κινητήρα μέσω του μετατροπέα ισχύος ο ελεγκτής ελέγχει την είσοδο του μετατροπέα ισχύος. Έχουν διατυπωθεί πολλές μέθοδοι ελέγχου για διάφορα κινητήρια συστήματα. Οι ελεγκτές εκτελούν τους αλγορίθμους αυτών των μεθόδων. Για παράδειγμα, ο έλεγχος της ροής του πεδίου και της ροπής απαιτεί συντονισμό των ρευμάτων διέγερσης (πεδίου) και του τυμπάνου σε ένα κινητήρα ξένης διέγερσης dc. Στην περίπτωση ενός επαγωγικού κινητήρα ac ακολουθείται η ίδια μέθοδος, με συντονισμό των Διαταγές ροπής/ταχύτητας/θέσης Ανάδραση ροπής/ταχύτητας/θέσης από κινητήρα/φορτίο Θερμικές αναδράσεις, κ.λπ. Ελεγκτής Σήματα έναρξης/ τερματισμού λειτουργίας v c, f c, κ.λπ. Σχήμα. Σχηματικό διάγραμμα ελεγκτή
50 Κεφάλαιο Εισαγωγή τριών ρευμάτων του στάτη, ενώ για τον έλεγχο ενός συγχρόνου κινητήρα απαιτείται έλεγχος τόσο των τριών ρευμάτων του στάτη όσο και του ρεύματος διέγερσης (πεδίου). Οι νόμοι που διέπουν τον έλεγχό τους είναι πολύπλοκοι και αποτελούν το βασικό αντικείμενο αυτού του βιβλίου. Το σχηματικό διάγραμμα του ελεγκτή παρουσιάζεται στο Σχήμα.. Η είσοδός του αποτελείται από τα ακόλουθα: (i) Ροπή, ροή, ταχύτητα και/ή εντολές καθορισμού θέσεως. (ii) Το ρυθμό των διακυμάνσεών τους για τη διευκόλυνση ομαλής εκκίνησης και τη διατήρηση της μηχανικής ακεραιότητας του φορτίου. (iii) Τη μετρούμενη ροπή, ροή, ταχύτητα και/ή τη θέση για τον έλεγχο της ανάδρασης. (iv) Οριακές τιμές των ρευμάτων, της ροπής, της επιτάχυνσης, κ.λπ. (v) Ανάδραση της θερμοκρασίας και στιγμιαίες τιμές ρευμάτων και/ή τάσεων στον κινητήρα και/ή στο μετατροπέα. (vi) Τις σταθερές στους ελεγκτές ταχύτητας και θέσης, όπως είναι τα αναλογικά, ολοκληρωτικά και διαφορικά κέρδη. Η έξοδος του ελεγκτή καθορίζει το σήμα ελέγχου για το μέγεθος της τάσης vc, στην περίπτωση των αντιστροφέων, και το σήμα ελέγχου για τον καθορισμό της συχνότητας f c. Αυτές οι λειτουργίες μπορούν να συγχωνευτούν και μόνο τα τελικά σήματα έναυσης να οδηγούνται άμεσα στις βάσεις/πύλες του μετατροπέα ισχύος. Μπορεί επίσης να πραγματοποιεί λειτουργίες προστασίας και επίβλεψης και να αντιμετωπίζει καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, όπως ξαφνική απώλεια πεδίου ή απώλεια ισχύος. Οι ελεγκτές υλοποιούνται με αναλογικά και ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η παρούσα τάση είναι να χρησιμοποιούνται κυρίως μικροεπεξεργαστές, μικροελεγκτές ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος (chip), επεξεργαστές ψηφιακών σημάτων [DSP], VLSI, και ειδικά προσαρμοσμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα, (γνωστά και ως ολοκληρωμένα κυκλώματα ειδικών εφαρμογών [ASIC]), με στόχο την ενσωμάτωση ενός συνόλου λειτουργιών στον ελεγκτή. Η υπολογιστική ικανότητα πραγματικού χρόνου αυτών των ελεγκτών επιτρέπει την εκτέλεση περίπλοκων αλγορίθμων ελέγχου. Επίσης, μπορούν να ελέγχονται μέσω λογισμικού και τηλεχειρισμού και συνεπώς, επιτρέπουν τη χρήση συστημάτων ευέλικτης παραγωγής και αυτοματισμών υψηλού βαθμού..3.4 Φορτίο Ο κινητήρας οδηγεί ένα φορτίο το οποίο έχει συγκεκριμένες απαιτήσεις χαρακτηριστικής ροπής- ταχύτητας. Γενικά, η ροπή του φορτίου είναι συνάρτηση της ταχύτητας και x μπορεί να γραφεί ως T ω m όπου x είναι ακέραιος ή κλάσμα. Για παράδειγμα, η ροπή φορτίου είναι ανάλογη της ταχύτητας σε συστήματα με τριβές, όπως, για παράδειγμα, σε έναν οδηγό τροφοδοσίας. Σε ανεμιστήρες και αντλίες, η ροπή φορτίου είναι ανάλογη του τετραγώνου της ταχύτητας.
.3 Κινητήριο σύστημα 5 B Κινητήρας J m N T ω T ω N Φορτίο J B N, N Αριθμός δοντιών στο γρανάζι B, B Έδρανα και οι συντελεστές τριβής τους J, J m Ροπή αδρανείας του κινητήρα και του φορτίου Σχήμα. Σχηματικό διάγραμμα της σύνδεσης κινητήρα-φορτίου μέσω γραναζιών Σε μερικές περιπτώσεις, ο κινητήρας συνδέεται με το φορτίο μέσω μιας ομάδας γραναζιών. Η σχέση που υπάρχει μεταξύ των γραναζιών τα καθιστά μετασχηματιστές ροπής. Στο Σχήμα. παρουσιάζεται σχηματικά η σύνδεση κινητήρα-γραναζιώνφορτίου. Τα γρανάζια χρησιμοποιούνται κυρίως για να ενισχύσουν τη ροπή από την πλευρά του φορτίου, όπου η ταχύτητα είναι χαμηλότερη συγκριτικά με την ταχύτητα του κινητήρα. Ο κινητήρας σχεδιάζεται έτσι ώστε να λειτουργεί σε υψηλές ταχύτητες, καθώς έχει παρατηρηθεί ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητά του τόσο μικρότερος είναι ο όγκος και το μέγεθός του. Επειδή, όμως, οι μικρές ταχύτητες είναι ποιο χρήσιμες, η σύνδεση κινητήρα-φορτίου απαιτεί τη χρήση γραναζιών. Τα γρανάζια μπορούν να μοντελοποιηθούν με βάση τους ακόλουθους παράγοντες [5]: (i) Η ισχύς που διαχειρίζονται τα γρανάζια είναι ίδια και στις δύο πλευρές. (ii) Η ταχύτητα κάθε γραναζιού είναι αντιστρόφως ανάλογη του αριθμού των οδόντων του. Συνεπώς, T = (.0) ω Tω και ω Τ = Τ (.) ω ω Ν = (.) ω Ν
5 Κεφάλαιο Εισαγωγή Αντικαθιστώντας την εξίσωση (.) στην (.) παίρνουμε: Τ Ν = (.3) Τ Ν Σημειώστε ότι για να λάβουμε αυτή την εξίσωση υποθέτουμε ότι οι απώλειες στα γρανάζια είναι μηδενικές, ενώ αν επιθυμούμε μεγαλύτερη ακρίβεια, θα πρέπει να μοντελοποιήσουμε αυτές τις απώλειες. Σε αυτή την περίπτωση, για να πάρουμε τη ροπή εξόδου του γραναζιού Τ, πρέπει να πολλαπλασιάσουμε τη διαφορά μεταξύ της ροπής T και της απώλειας ροπής με το λόγο μετασχηματισμού Ν /Ν. Όπως και στην περίπτωση του μετασχηματιστή, οι σταθερές του φορτίου ανηγμένες στην πλευρά του κινητήρα γράφονται ως εξής: J B (ανηγμένο) J N (ανηγμένο) B N N = (.4) N = (.5) Ο λόγος Ν προς Ν είναι πολύ μικρός. Έτσι, σε πολλά συστήματα, οι ανηγμένες σταθερές αδράνειας και τριβής θεωρούνται αμελητέες Επομένως, οι προκύπτουσες μηχανικές σταθερές είναι J J N = J + m N (.6) N B = B + B N (.7) Η εξίσωση της ροπής του συνδυασμού κινητήρα-φορτίου είναι dω N J + Bω = Τ Τ (ανηγμένο) = T T dt N (.8) Για να μοντελοποιήσουμε το κινητήριο σύστημα, είναι σημαντικό να έχουμε ένα φυσικό μοντέλο του φορτίου του, με τα χαρακτηριστικά της τριβής, της αδρανείας, των γραναζιών, της μηχανικής αντίδρασης, και τη σχέση ροπής-ταχύτητας. Η μοντελοποίηση των φυσικών συστημάτων βρίσκεται στις αναφορές [8, ]..4 Tο αντικείμενο του βιβλίου Το βιβλίο αυτό έχει ως αντικείμενο τη μελέτη του ελέγχου της στάσιμης και δυναμικής κατάστασης των μηχανών ac και dc που τροφοδοτούνται από μετατροπείς ισχύος και την προσαρμογή τους στο φορτίο. Όπου κρίνεται αναγκαίο, εξετάζεται ο σχεδιασμός και οι εφαρμογές των ελεγκτών. Η θεώρηση της ανάλυσης και του σχεδιασμού του κινητήριου συστήματος γίνεται σε σχέση με τις τρέχουσες πρακτικές εφαρμογές. Έχουν αναπτυχθεί αλγόριθμοι ελέγχου και αναλύσεις που διευκολύνουν τη δυναμική προσο-
.5 Bιβλιογραφία 53 μοίωσή τους σε προσωπικούς υπολογιστές. Επίσης, παρουσιάζονται εφαρμογές κινητήριων συστημάτων, επιλεγμένες από το βιομηχανικό περιβάλλον..5 Bιβλιογραφία. B. D. Bedford και R. G. Hoft, Principles of Inverter Circuits, John Wiley and Sons, New York, 964.. Bimal K. Bose, Power Electronics and ac Drives, Prentice Hall, New York, 985. 3. Samir K. Datta, Power Electronics and Controls, Reston Publishing Company, Inc., Reston, VA, 985. 4. V. Del Toro, Electric Machines and Power Systems, Prentice Hall, 985. 5. S. B. Dewan, G. R. Slemon, και A. Straughen, Power Semiconductor Drives, John Wiley and Sons, New York, 984. 6. S. B. Dewan και A. Straughen, Power Semiconductor Circuits, John Wiley and Sons, New York, 975. 7. A. E. Fitzgerald, C. Kingsley, και S. D. Umans, Electric Machinery, McGraw-Hill Book Co., 983. 8. Hans Gross, Electrical Feed Drives for Machine Tools, John Wiley and Sons Limited, Berlin, 983. 9. John D. Harnden, Jr., και Forest B. Golden, Power Semiconductor Application, Τόμοι I και II, IEEE Press, New York, 97. 0. R. G. Hoft, Semiconductor Power Electronics, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 986.. Benjamin C. Kuo, Automatic Control Systems, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 98.. W. Leonhard, Electric Drives, Springer-Verlag, New York, 984. 3. J. F. Lindsay και M. H. Rashid, Electromechanics and Electrical Machinery, Prentice Hall, 986. 4. Matsch και Morgan, Electromagnetic and Electromechanical Machines, MIT Press, Cambridge, MA, 97. 5. W. McMurray, The Theory and Design of Cycloconverters, MIT Press, Cambridge, MA, 97. 6. Gottfried Moltgen, Line Commutated Thyristor Converters, Pitman Publishing, London, 97. 7. S. A. Nasar και Unnewher, Electromechanics and Electric Machines, John Wiley and Sons, New York, 979. 8. B. R. Pelly, Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters, John Wiley and Sons, New York, 97. 9. G. R. Slemon και A. Straughen, Electric Machines, Addison Wesley Publishing Company, 980. 0. P. C. Sen, Principles of Electric Machines and Power Electronics, John Wiley and Sons, 989.. N. Mohan, T. M. Undeland, και W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications and Design, John Wiley and Sons, 989.