ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗΣ ΘΕΣΗΣ ΡΟΜΕΑ ΑΥΤΟΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΥ ΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΧΩΡΙΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΟ ΘΕΣΗΣ Α.Π. Σακαρέλλος, Μ.Π. Θεοδωρίδης ΤΕΙ Αθήνας Τµήµα Ενεργειακής Τεχνολογίας Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών & Κινητήριων Συστηµάτων Αγίου Σπυρίδωνα -12210 Αιγάλεω Τηλ. +30 210 5385351, Fax +30 210 5385306, e-mail: emdlab@teiath.gr, m.p.theodoridis@gmail.com Περίληψη Για τα συστήµατα µεταβλητής ταχύτητας τα οποία περιλαµβάνουν αυτοελεγχόµενο σύγχρονο τριφασικό κινητήρα που τροφοδοτείται µέσω αντιστροφέα και τα οποία χρησιµοποιούνται σε πολλές εφαρµογές λόγω των πλεονεκτηµάτων τους, έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές ελέγχου. Βασικό στοιχείο των τεχνικών αυτών είναι ο προσδιορισµός της θέσης του δροµέα του κινητήρα, διότι η θέση καθορίζει την παλµοδότηση του αντιστροφέα. Για τον προσδιορισµό της θέσης του δροµέα έχουν χρησιµοποιηθεί διάφορα αισθητήρια θέσης ή τεχνικές έµµεσης αναγνώρισης θέσης. Στην εργασία αυτή αναπτύσσεται µια τεχνική αναγνώρισης θέσης του δροµέα του κινητήρα, η οποία βασίζεται στα ρεύµατα τροφοδότησης του στάτη χωρίς να γίνεται χρήση κάποιου αισθητηρίου θέσης. Η τεχνική αυτή υλοποιήθηκε µε την κατασκευή πειραµατικού πρωτοτύπου. Η αναγνώριση της θέσης επιτυγχάνεται µε επεξεργασία πληροφοριών που προέρχονται από τις κυµατοµορφές των ρευµάτων του κινητήρα. Η επεξεργασία γίνεται σε διάφορα στάδια µε διαδικασίες όπως πολύπλεξη, διαφόριση, µετατόπιση φάσης κ.λπ., µετά το τέλος των οποίων τα παραγόµενα σήµατα οδηγούνται σε µια γεννήτρια παλµών, η οποία µε τη σειρά της παράγει τα κατάλληλα σήµατα παλµοδότησης του αντιστροφέα. Η εγκυρότητα της τεχνικής διαπιστώθηκε από δοκιµές που πραγµατοποιήθηκαν σε µόνιµη και µεταβατική κατάσταση. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα συστήµατα µεταβλητής ταχύτητας µε αυτοελεγχόµενο σύγχρονο τριφασικό κινητήρα παρουσιάζουν υψηλό βαθµό απόδοσης, ιδιαίτερες δυνατότητες ελέγχου, ανταποκρίνονται ικανοποιητικά σε δυναµικές καταστάσεις και εµφανίζουν χαρακτηριστικά παρόµοια µε αυτά των συστηµάτων µε κινητήρες συνεχούς ρεύµατος, χωρίς όµως τους περιορισµούς και τα προβλήµατα που συνοδεύουν τα τελευταία εξαιτίας του συλλέκτη και των ψηκτρών. Οι εφαρµογές είναι ποικίλες και καλύπτουν ακόµη και τις περιπτώσεις ιδιαίτερα µεγάλης ισχύος και υψηλής ταχύτητας. Ειδικότερα τα συστήµατα µε αυτοελεγχόµενο σύγχρονο τριφασικό κινητήρα που τροφοδοτείται µέσω αντιστροφέα πηγής τάσης χρησιµοποιούνται σε αντικατάσταση συστηµάτων µε κινητήρες συνεχούς ρεύµατος σε εφαρµογές µεταβλητής ταχύτητας καθώς και σε σερβοµηχανισµούς, καλύπτοντας ακόµη και απαιτήσεις µικρής ισχύος. Για τα ανωτέρω συστήµατα έχουν αναπτυχθεί µαθηµατικά µοντέλα και µέσω προσοµοιώσεων έχουν µελετηθεί η µόνιµη και µεταβατική συµπεριφορά σε διάφορες καταστάσεις [1]-[5]. Επίσης έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές ελέγχου. Μέρος των διαδικασιών ελέγχου είναι και ο προσδιορισµός της θέσης του δροµέα του κινητήρα, η οποία καθορίζει την παλµοδότηση του αντιστροφέα που χρησιµοποιείται. Για τον προσδιορισµό της θέσης του δροµέα, ανάλογα µε τον τύπο του συγκεκριµένου κινητήριου συστήµατος, έχουν χρησιµοποιηθεί διάφορα αισθητήρια θέσης, διατάξεις που βασίζονται στις τάσεις του στάτη του κινητήρα, υπολογιστικές µέθοδοι κ.λπ. [6]-[13]. Στην εργασία αυτή αναπτύσσεται µια τεχνική αναγνώρισης της θέσης του δροµέα του κινητήρα, η οποία βασίζεται στα ρεύµατα τροφοδότησης του στάτη, χωρίς να γίνεται χρήση κάποιου αισθητηρίου θέσης τοποθετηµένου στον άξονα του κινητήρα. Αρχικά γίνεται µια σύντοµη αναφορά σε διάφορες τεχνικές αναγνώρισης θέσης που έχουν εφαρµοστεί και παρουσιάζονται ορισµένα από τα χαρακτηριστικά των. Στη συνέχεια περιγράφεται η λειτουργία του συστήµατος αναγνώρισης θέσης που κατασκευάστηκε και παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα των δοκιµών που πραγµατοποιήθηκαν. -1-
(α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 1. ιάφορες διατάξεις ηλεκτροµηχανικών αισθητηρίων. Σχήµα 2. Ηλεκτροµηχανικό αισθητήριο θέσης και ο µέσος χρόνος παρουσίασης βλάβης σ αυτό. 2. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗΣ ΘΕΣΗΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΥ ΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Ένα πλήθος τεχνικών αναγνώρισης θέσης του δροµέα σύγχρονου τριφασικού κινητήρα έχει παρουσιαστεί στη διεθνή βιβλιογραφία για εφαρµογή σε διάφορα κινητήρια συστήµατα µε αυτοελεγχόµενο σύγχρονο κινητήρα. Η τεχνική που βασίζεται στην άµεση λήψη της πληροφορίας της θέσης του δροµέα χρησιµοποιεί ηλεκτροµηχανικά αισθητήρια θέσης [6], [10]. Τα αισθητήρια αυτά συνδέονται µηχανικά µε τον άξονα του δροµέα του κινητήρα και περιλαµβάνουν ένα οπτοηλεκτρονικό ή, σε ορισµένες περιπτώσεις, ηλεκτροµαγνητικό σύστηµα, µε την βοήθεια των οποίων παρέχεται η πληροφορία της θέσης του δροµέα. Για παράδειγµα, ένα οπτοηλεκτρονικό αισθητήριο θέσης περιλαµβάνει έναν οπτικά κωδικοποιηµένο δίσκο, σχ. 1, ο οποίος περιστρεφόµενος, ενώ είναι συνδεδεµένος µε το δροµέα του κινητήρα, διακόπτει ή επιτρέπει τη διέλευση ακτίνων φωτός, που προέρχονται από υπέρυθρες πηγές, µε αποτέλεσµα να παράγονται σήµατα που σχετίζονται µε τη θέση του δίσκου και αντίστοιχα τη θέση του δροµέα. Η κωδικοποίηση του οπτικού δίσκου καθώς και η διάταξη των οπτικών αισθητήρων είναι τέτοια ώστε η έξοδος του αισθητηρίου θέσης είτε άµεσα, σχ. 1α, είτε µετά από κάποιο στάδιο αποκωδικοποίησης, σχ. 1β, 1γ, 1δ, να µπορεί να οδηγήσει τη -2-
(α) (β) (γ) Σχήµα 3. Αναγνώριση θέσης µε παρακολούθηση των τάσεων του κινητήρα σε σύστηµα µε αντιστροφέα CSI. (α) οµικό διάγραµµα της διάταξης (β) Αισθητήρας τάσης ακροδεκτών κινητήρα (γ) Πολλαπλασιαστής συχνότητας µονάδα παλµοδότησης του αντιστροφέα. Επιπλέον υπάρχει και η δυνατότητα πρόσθετης κωδικοποίησης του δίσκου ώστε να παρέχεται και η πληροφορία της ταχύτητας του δροµέα, σχ. 1β, 1δ. Επίσης µπορούν να χρησιµοποιηθούν ειδικοί τρόποι κωδικοποίησης ώστε να εξαλειφθούν τυχόν σφάλµατα ευθυγράµµισης του οπτικού δίσκου, σχ. 1β. Η ανωτέρω τεχνική λαµβάνεται συχνά ως αναφορά για τη σύγκριση άλλων τεχνικών, καθώς η πληροφορία της θέσης του δροµέα από ένα τέτοιο αισθητήριο είναι ακριβής και δεν επηρεάζεται από µεταβλητές και παραµέτρους του κινητήρα. Η µέθοδος όµως που χρησιµοποιείται στην τεχνική αυτή συνοδεύεται από ορισµένα προβλήµατα, τα οποία σχετίζονται µε τη µείωση της στιβαρότητας και ανθεκτικότητας του όλου συστήµατος λόγω της ύπαρξης των κινητών µερών του αισθητηρίου, µε τους περιορισµούς που αφορούν την επιτυγχανόµενη ανάλυση και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του αισθητηρίου, µε την έντονη εξάρτηση από τη θερµοκρασία του µέσου χρόνου παρουσίασης βλάβης του αισθητηρίου, σχ. 2, µε την ευαισθησία αυτού σε διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες, µε το σχετικά υψηλό κόστος σε περιπτώσεις απαιτήσεων υψηλής ανάλυσης κ.λπ. [9], [13]. Στα πλαίσια των προσπαθειών για την εξέλιξη και βελτίωση των συστηµάτων, αναπτύχθηκαν εναλλακτικά και τεχνικές έµµεσης αναγνώρισης θέσης, οι οποίες δεν χρησιµοποιούν ηλεκτροµηχανικά αισθητήρια [7]-[9], [11]-[13]. Ειδικά για συστήµατα µε σύγχρονο τριφασικό κινητήρα που τροφοδοτείται µέσω αντιστροφέα πηγής ρεύµατος (CSI), έχει διαδοθεί η τεχνική η οποία χρησιµοποιεί τις τάσεις των ακροδεκτών του κινητήρα για την αναγνώριση της θέσης. Η τεχνική βασίζεται σε τρεις όµοιους αισθητήρες τάσης οι οποίοι συνδέονται µεταξύ των ακροδεκτών των τριών φάσεων του κινητήρα καθώς και σε έναν πολλαπλασιαστή συχνότητας που συνδέεται στη έξοδο αυτών, σχ. 3. Με τους αισθητήρες τάσης ανιχνεύονται η πολικότητα και τα σηµεία διέλευσης από το µηδέν των πολικών τάσεων των ακροδεκτών του κινητήρα, ενώ µε τον πολλαπλασιαστή συχνότητας προσδιορίζεται η ταχύτητα αυτού. Στη συνέχεια γίνεται επεξεργασία των ανωτέρω δεδοµένων, τα αποτελέσµατα της οποίας χρησιµοποιούνται για την παλµοδότηση και τον έλεγχο του αντιστροφέα του συστήµατος. Για τα συστήµατα µε αντιστροφέα πηγής τάσης (VSI) έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές, οι οποίες ανταποκρίνονται σε συγκεκριµένες δοµές συστηµάτων που προκύπτουν από το συνδυασµό διαφόρων τύπων σύγχρονων κινητήρων (ηµιτονοειδούς ή τραπεζοειδούς κατανοµής) µε διάφορων τύπων αντιστροφείς µέσω των οποίων τροφοδοτούνται οι κινητήρες (αντιστροφέας τετραγωνικής τάσης ή αντιστροφέας µε διαµόρφωση εύρους παλµών). Στο σχ. 4 φαίνεται ενδεικτικά το δοµικό διάγραµµα του κυκλώµατος αναγνώρισης θέσης που χρησιµοποιείται σε σύστηµα µε κινητήρα τραπεζοειδούς κατανοµής που τροφοδοτείται µέσω αντιστροφέα τετραγωνικής τάσης. Η τροφοδότηση του κινητήρα γίνεται µε τέτοιο τρόπο ώστε οποιαδήποτε χρονική στιγµή µία από τις τρεις φάσεις του κινητήρα να µην τροφοδοτείται και να παραµένει έτσι ανοιχτή, µε αποτέλεσµα να είναι δυνατή η δειγµατοληψία της τάσης στο άκρο αυτής της φάσης. Το σύστηµα παρακολουθεί τις κυµατοµορφές των τάσεων των ακροδεκτών του κινητήρα και ανιχνεύει τις χρονικές στιγµές διέλευσης αυτών από το µηδέν, οι οποίες σύµφωνα µε την ανάλυση του κυκλώµατος αντιστοιχούν σε συγκεκριµένες θέσεις του δροµέα του κινητήρα. Τα σήµατα που παράγονται από την ανίχνευση των χρονικών αυτών στιγµών υπόκεινται σε µετατόπιση φάσης και τελικά προκύπτουν τα κατάλληλα σήµατα για την παλµοδότηση του αντιστροφέα. Τα συστήµατα αυτού του τύπου παρουσιάζουν δυσκολίες στον ακριβή -3-
(α) (β) Σχήµα 4. Αναγνώριση θέσης µε παρακολούθηση των τάσεων του κινητήρα µε τραπεζοειδή κατανοµή σε σύστηµα µε µετατροπέα VSI. (α) Ισοδύναµο κύκλωµα κατά τη δειγµατοληψία της τάσης της ανοιχτής φάσης (β) Κύκλωµα ανίχνευσης διέλευσης της τάσης από το µηδέν Σχήµα 5. Αναγνώριση θέσης µε υπολογιστική µέθοδο. Σχήµα 6. Αναγνώριση θέσης µε υπολογιστική µέθοδο σε συνδυασµό µε διανυσµατικό έλεγχο. προσδιορισµό της διέλευσης των τάσεων από το µηδέν σε πολύ χαµηλές ταχύτητες, διότι υπό τις συνθήκες αυτές η τάση εξ επαγωγής στα τυλίγµατα του κινητήρα και αντίστοιχα η τάση στους ακροδέκτες του κινητήρα, είναι πολύ µικρή. Κατά συνέπεια, για τα συστήµατα αυτά απαιτείται η χρήση µιας µεθόδου εκκίνησης. Το δοµικό διάγραµµα µιας άλλης τεχνικής για σύγχρονο τριφασικό κινητήρα οδηγούµενο από αντιστροφέα VSI, η οποία βασίζεται σε υπολογιστική µέθοδο, φαίνεται στο σχ. 5. Η αναγνώριση της θέσης του δροµέα γίνεται µε παρακολούθηση µεταβλητών του κινητήρα και περαιτέρω επεξεργασία αυτών. Συγκεκριµένα, λαµβάνονται υπόψη οι τιµές των ρευµάτων και των τάσεων του κινητήρα που παρακολουθούνται και υπολογίζονται οι διάφορες µαγνητικές ροές στο εσωτερικό αυτού, οι οποίες κατόπιν µαθηµατικής ανάλυσης αποδεικνύεται ότι µπορούν να προσδιορίσουν τη θέση του δροµέα. Η ανάγκη επίλυσης των εξισώσεων που διέπουν το σύστηµα καθιστά απαραίτητη τη χρήση ενός µικροεπεξεργαστή. Η λύση αυτή συνοδεύεται από πλεονεκτήµατα, όπως π.χ. ευελιξία που προσφέρει ο προγραµµατισµός, αλλά και από µειονεκτήµατα, όπως ο περιορισµός της δυναµικής κλίµακας των µετρήσεων που λαµβάνονται από τον κινητήρα λόγω της ψηφιοποίησης. Το συγκεκριµένο σύστηµα έχει επίσης κάποιους περιορισµούς αναφορικά µε την εκκίνηση του κινητήρα. Στο σχ. 6 φαίνεται το δοµικό διάγραµµα µιας ακόµα τεχνικής, η οποία βασίζεται επίσης σε υπολογιστική µέθοδο, χρησιµοποιεί όµως λιγότερες µεταβλητές του κινητήρα. Στην περίπτωση αυτή παρακολουθούνται οι τιµές των ρευµάτων γραµµής δύο φάσεων του κινητήρα. Η θέση του δροµέα του κινητήρα προσδιορίζεται µε την χρησιµοποίηση σχετικού αλγορίθµου, ο οποίος βασίζεται στο µαθηµατικό µοντέλο του κινητήρα και λαµβάνει υπόψη τις τιµές των ανωτέρω ρευµάτων καθώς και τις τάσεις του κινητήρα που προκύπτουν από την εφαρµογή διανυσµατικού ελέγχου στον κινητήρα. Ένας επιπλέον αλγόριθµος χρησιµοποιείται για την αναγνώριση της αρχικής θέσης του δροµέα του κινητήρα. Η τεχνική αυτή χαρακτηρίζεται από την ανάγκη χρήσης ενός σχετικά ισχυρού µικροεπεξεργαστή, εξαρτάται από ορισµένες παραµέτρους του κινητήρα και υπόκειται σε κάποιους περιορισµούς σχετικά µε την εκκίνηση του κινητήρα. Άλλες τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί χρησιµοποιούν την τρίτη αρµονική της τάσης του κινητήρα ή την παρεµβολή διαγνωστικών σηµάτων στα τυλίγµατα του κινητήρα ή τις µεταβάσεις του αντιστροφέα ή κάποια ειδικά τυλίγµατα ή αισθητήρια στο εσωτερικό του κινητήρα. Καθεµία από τις τεχνικές αυτές συνοδεύεται εν γένει από περιορισµούς που αφορά τον τύπο του κινητήρα ή τη συνδεσµολογία αυτού (αστέρας / τρίγωνο), ή ειδικά χαρακτηριστικά του -4-
Σχήµα 7. Σύστηµα αυτοελεγχόµενου σύγχρονου κινητήρα τροφοδοτούµενου µέσω αντιστροφέα VSI 6 παλµών. Σχήµα 8. Κυµατοµορφές φασικής τάσης και ρεύµατος αυτοελεγχόµενου σύγχρονου κινητήρα τροφοδοτούµενου µέσω αντιστροφέα VSI 6 παλµών. Σχήµα 9. Το δοµικό διάγραµµα του νέου συστήµατος αναγνώρισης θέσης. κινητήρα όπως αυξηµένη τρίτη αρµονική ή µεταβαλλόµενη επαγωγική αντίδραση ή τα όρια ταχύτητας του κινητήρα και την εκκίνηση ή την απαιτούµενη υπολογιστική ισχύ. Η παρούσα εργασία αναφέρεται σε σύστηµα µε αυτοελεγχόµενο σύγχρονο κινητήρα µε ηµιτονοειδή κατανοµή, που τροφοδοτείται µέσω αντιστροφέα VSI, 6 παλµών, σχ. 7. Για τέτοιου τύπου κινητήρια συστήµατα έχουν χρησιµοποιηθεί ηλεκτροµηχανικά αισθητήρια θέσης [10]. Η τεχνική αναγνώρισης θέσης που θα αναπτυχθεί παρακάτω βασίζεται στη λήψη πληροφοριών από τις κυµατοµορφές των ρευµάτων γραµµής του κινητήρα και στην επεξεργασία αυτών µέσω ειδικών κυκλωµατικών διατάξεων. 4. ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ KAI ΟΜΗ ΤΟΥ ΝΕΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗΣ ΘΕΣΗΣ Για τη θεωρητική προσέγγιση του συστήµατος µε σύγχρονο τριφασικό κινητήρα που τροφοδοτείται µέσω αντιστροφέα VSI 6 παλµών, έχουν γίνει διάφορες εργασίες [1]-[5]. Στην παρούσα εργασία η προσοµοίωση του συστήµατος αυτού έγινε µε τη βοήθεια του λογισµικού Scilab. Στο σχ. 8 φαίνονται οι κυµατοµορφές του ρεύµατος γραµµής i a και της τάσης µιας φάσης v a του κινητήρα, που προέκυψαν από την προσοµοίωση. Το σύστηµα αναγνώρισης θέσης που αναπτύχθηκε βασίζεται στην ανίχνευση των σηµείων καµπής των κυµατοµορφών δύο ρευµάτων γραµµής του κινητήρα, τα οποία (σηµεία) χρησιµοποιούνται ως χρονικά σηµεία αναφοράς, τα οποία σχετίζονται άµεσα µε τη θέση του δροµέα του κινητήρα. Στο σχ. 9 φαίνεται η δοµή του νέου συστήµατος αναγνώρισης θέσης που αναπτύχθηκε. Οι κυµατοµορφές των δύο ρευµάτων γραµµής του κινητήρα οδηγούνται σε αντίστοιχους ενισχυτές (AMP) και στη συνέχεια σε ένα πολυπλέκτη (MPX). Σκοπός του πολυπλέκτη είναι να επιλέγει προς επεξεργασία ένα από τα δύο ρεύµατα κάθε φορά, καθώς η πληροφορία της θέσης του δροµέα υπάρχει στην κυµατοµορφή του ενός ρεύµατος µόνο για χρονικό διάστηµα ίσο µε τα 2/3 της περιόδου. Για το υπόλοιπο χρονικό διάστηµα, 1/3 της περιόδου, πρέπει να γίνει συλλογή της πληροφορίας αυτής από την κυµατοµορφή του άλλου ρεύµατος. Το σήµα εξόδου του πολυπλέκτη, που περιέχει τις πληροφορίες της θέσης του δροµέα για ολόκληρη την περίοδο, οδηγείται σε ένα διαφοριστή (DIFF) και στη συνέχεια σε ένα ανιχνευτή διέλευσης από το µηδέν (ZCD), στην έξοδο του οποίου λαµβάνονται παλµοί που αντιστοιχούν στη θέση του δροµέα. Παράλληλα παράγονται και κάποιοι άλλοι, µη χρήσιµοι, παρασιτικοί παλµοί, οι οποίοι πρέπει να εξαλειφθούν. Λόγω του µικρότερου εύρους των παρασιτικών παλµών σε σχέση µε τους παλµούς θέσης, το αρµονικό περιεχόµενο των πρώτων είναι πλουσιότερο από αυτό των παλµών θέσης και έτσι, για την εξάλειψη αυτών, το σύνολο των παλµών οδηγείται σε ένα βαθυπερατό φίλτρο (LPF). Στη συνέχεια, οι παλµοί που περιέχουν την πληροφορία της θέσης οδηγούνται σε µία διάταξη µετατόπισης φάσης (PHS), από την έξοδο της οποίας λαµβάνεται µια παλµοσειρά που -5-
Σχήµα 10. Φασική τάση τροφοδότησης του κινητήρα. Σχήµα 11. ύο από τα ρεύµατα γραµµής του κινητήρα. Κλίµακες: t 10ms/div, I 2A/div. Σχήµα 12. υναµική δοκιµή του συστήµατος µε βηµατική µεταβολή της τάσης τροφοδότησης. Άνω ίχνος: ταχύτητα n 100RPM/div, κάτω ίχνος: ρεύµα γραµµής Ι 5A/div. περιέχει τις πληροφορίες για την παλµοδότηση του αντιστροφέα. Η παλµοσειρά αυτή οδηγείται στη γεννήτρια παλµών (PG), η οποία παράγει τα σήµατα παλµοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα. Η γεννήτρια παλµών παράγει επίσης και σήµατα συγχρονισµού, τα οποία οδηγούνται στον πολυπλέκτη (MPX) και στη µονάδα µετατόπισης φάσης (PHS). Τα συστήµατα της κατηγορίας αυτής, τα οποία δεν χρησιµοποιούν ηλεκτροµηχανικά αισθητήρια θέσης, από τη φύση τους απαιτούν µια διαδικασία η οποία περιλαµβάνει πολλά επιµέρους στάδια επεξεργασίας της αρχικής πληροφορίας για την αναγνώριση της θέσης του δροµέα. Εν προκειµένω, στην τεχνική που αναπτύχθηκε, η αρχική πληροφορία προήλθε από κατάλληλα επιλεγµένα σηµεία των κυµατοµορφών των ρευµάτων του κινητήρα, µε κατάλληλη δε σχεδίαση του συστήµατος επιτεύχθηκε η επεξεργασία της πληροφορίας αυτής έτσι ώστε η παλµοδότηση των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα να είναι ακριβής και ασφαλής. Παράλληλα το κόστος κατασκευής της διάταξης ήταν σχετικά χαµηλό. Για την εφαρµογή της τεχνικής δεν απαιτείται η χρήση µικροεπεξεργαστή, στην περίπτωση όµως που χρησιµοποιηθεί δεν απαιτείται να έχει µεγάλη υπολογιστική ισχύ. 5. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Το ανωτέρω περιγραφόµενο σύστηµα εφαρµόστηκε σε σύγχρονο τριφασικό κινητήρα ισχύος 1kW, που τροφοδοτείται µέσω αντιστροφέα πηγής τάσης µε διακοπτικά στοιχεία τύπου MOSFET, σχ. 7. Το σύστηµα δοκιµάστηκε στη µόνιµη κατάσταση καθώς και σε διάφορες µεταβατικές καταστάσεις προκειµένου να διαπιστωθεί η αξιοπιστία του. Στο σχ. 10 φαίνεται η φασική τάση τροφοδότησης του κινητήρα σε µόνιµη κατάσταση λειτουργίας η οποία είναι µία χαρακτηριστική κυµατοµορφή 6 παλµών. Για την ίδια κατάσταση λειτουργίας στο σχ. 11 φαίνονται δύο από τα ρεύµατα γραµµής του κινητήρα. Παρατηρούµε ότι οι κυµατοµορφές των ρευµάτων αυτών είναι όµοιες µε αυτές που προέκυψαν από την προσοµοίωση µε βάση το προσεγγιστικό µοντέλο του κινητήρα, σχ. 8. Από τις µεταβατικές καταστάσεις που εξετάστηκαν παρουσιάζεται στο σχ. 12 ενδεικτικά η περίπτωση βηµατικής µεταβολής της συνεχούς τάσης τροφοδότησης του αντιστροφέα, µειούµενη και αυξανόµενη διαδοχικά. Στο σχήµα φαίνονται οι κυµατοµορφές της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα και του ρεύµατος γραµµής αυτού και διακρίνονται ειδικότερα οι µεταβολές των µεγεθών αυτών στις αντίστοιχες µεταβατικές καταστάσεις. ιαπιστώνεται ότι, ενώ οι µεταβατικές αυτές καταστάσεις είναι έντονες, η παλµοδότηση του αντιστροφέα είναι επιτυχής και η απόκριση του συστήµατος ικανοποιητική. -6-
6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η αναγνώριση θέσης του δροµέα σε συστήµατα µε αυτοελεγχόµενο σύγχρονο τριφασικό κινητήρα αποτελεί αντικείµενο εξέλιξης και συνεχούς βελτίωσης. Στην προσπάθεια αποφυγής χρήσης ηλεκτροµηχανικών αισθητηρίων θέσης λόγω των µειονεκτηµάτων που τα χαρακτηρίζουν, έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές έµµεσης αναγνώρισης θέσης. Οι τεχνικές αυτές βασίζονται σε διάφορες µεθόδους όπως π.χ. στην παρακολούθηση της τάσης των ακροδεκτών του κινητήρα, σε υπολογιστικές µεθόδους που χρησιµοποιούν το µοντέλο του κινητήρα σε συνδυασµό µε τη µέτρηση κάποιων µεταβλητών κ.λπ. Ειδικά για τα συστήµατα µε αυτοελεγχόµενο σύγχρονο τριφασικό κινητήρα που τροφοδοτείται µέσω αντιστροφέα πηγής τάσης 6 παλµών, παρουσιάστηκε µία τεχνική αναγνώρισης θέσης, η οποία βασίζεται στην επεξεργασία των κυµατοµορφών των ρευµάτων τροφοδότησης του κινητήρα. Η τεχνική αυτή υλοποιήθηκε µε τη χρήση πρωτότυπου συστήµατος αναγνώρισης θέσης που κατασκευάστηκε. Η εγκυρότητα της τεχνικής διαπιστώθηκε από τις δοκιµές που πραγµατοποιήθηκαν σε µόνιµη και µεταβατική κατάσταση µε πειραµατικά αποτελέσµατα σύµφωνα µε τη θεωρητική ανάλυση. 7. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] B.J. Chalmers, K. Pacey, J.P. Gibson, Brushless d.c. Traction Drive, IEE Proceedings, Vol. 122, No. 7, July 1975, pp. 733-738. [2] A.V. Gumaste, G.R. Slemon, Steady-State Analysis of a Permanent Magnet Synchronous Motor Drive with Voltage-Source Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-17, No. 2, March/April 1981, pp.143-151. [3] G.A. Kaufman, A.B. Plunkett, Steady-State Performance of Voltage Source Inverter / Synchronous Machine Drive Systems, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 11-20, No. 4, July/August 1984, pp. 753-762. [4] C. Namuduri, P.C Sen, Digital Simulation of an Inverter-Fed Self-Controlled Synchronous Motor, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IE-34, No. 2, May 1987, pp. 205-215. [5] S.D. Sudhoff, P.C Krause, Average Value Model of the Brushless DC 120 Inverter System, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 5, No. 3, September 1990, pp. 553-557. [6] N.A.H. Issa, A.C. Williamson, Control of a Naturally Commutated Inverter-Fed Variable-Speed Synchronous Motor, IEE proceedings on Electric Power Applications, Vol. 2, No. 6, December 1979, pp. 199-204. [7] H. Le-Huy, A. Jakubowicz, R. Perret, A self-controlled Synchronous Motor Drive using Terminal Voltage System, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-18, No. 1, January/February 1982, pp. 46-53. [8] T. Endo, F. Tajima, H. Okuda, K. Iizuca, Y. Kawaguchi, H. Uzuhashi, Y. Okada, Microcomputer-Controlled Brushless Motor without a Shaft-Mounted Position Sensor, IPEC, Tokyo 1983, pp. 1477-1488. [9] R. Perret, J. Davoine, H. Le-Huy, Operation of a Self-Controlled Synchronous Motor without a Shaft Position Sensor, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-19, No. 2, March/April 1983, pp. 217-222. [10] N. Sakurato, K. Takemi, Variable-Speed Control of Brushless Half-Speed Synchronous Motor by Voltage Source Inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 27, Nο. 3, May/June 1991, pp. 545-551. [11] S. Ogasawara, H. Akagi, An Approach to Position Sensorless Drive for Brushless dc Motors, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 27, No. 5, September/October 1991, pp. 928-933. [12] S. Ostlund, M. Brokemper, Sensorless Rotor-Position Detection from Zero to Rated Speed for an Integrated PM Synchronous Motor Drive, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No. 5, September/October 1996, pp. 1158-1165. [13] N. Ertugrul, P.P. Acarnley, Indirect Rotor Position Sensing in Real Time for Brushless Permanent Magnet Motor Drives, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 13, No. 4, July 1998, pp. 608-616. -7-