Direct torque control of induction motor in field weakening regime

[П. Матић]

155 листова

Техничке науке/ Електротехника/Електроенергетика / Теchnical Sciences/ Electrotechnics/Power Engineering

Предмет научне расправе у овом раду је развој алгоритма за директно управљање асинхроним мотором у режиму слабљења поља, који треба да обезбеди максималне перформансе при раду са великим брзинама. У првом поглављу наведени су мотиви за истраживање, детаљно је анализирана стручна литература и идентификовани су нерешени проблеми везани за предметно истраживање. Истакнуте су мањкавости досадашњих резултата у управљању асинхроним мотором у режиму слабљења поља, као и смернице за развој нове структуре за директно управљање која ће да у потпуности искористи расположиве ресурсе мотора и придруженог погонског претварача, те је дат садржај даљег излагања. Друго поглавље дисертације бави се формирањем математичких модела асинхроног мотора и придруженог погонског претварача прилагођених директном управљању. Mатематички модели изведени су уз уобичајене идеализације које се користе у општој теорији електричних машина. У овом делу описан је и поступак управљања погонским претварачем заснован на методи модулације вектора напона. Предмет трећег поглавља је анализа транзијентне моментне карактеристике асинхроне машине у режиму слабљења поља. Анализирана је могућност добијања максималног момента у зависности од карактеристика погонског претварача. Истражен је утицај струјног, напонског, те истовременог струјног и напонског лимита на максимални момент у режиму слабљења поља. Анализирана је проблематика колапса флукса ротора, која је последица напонског лимита у слабљењу поља. У четвртом поглављу детаљно су анализирани карактеристични приступи управљања асинхроним мотором у слабљењу поља. Поглавље се састоји од четири дела. Прво је изведен општи модел векторски управљаног асинхроног мотора, на основу којег су анализиране варијанте векторског управљања према флуксу ротора и флуксу статора у слабљењу поља. Након тога је анализиран један типичан алгоритам директног управљања у слабљењу поља. На крају поглавља анализа је заокружена међусобним поређењем карактеристика ова три репрезентативна постојећа концепта управљања асинхроном машином. У петом поглављу истражена је промена момента, флуксева статора и ротора, клизања, синхроне брзине и струје у лимиту напона током једне управљачке периоде, а у лимиту напона. Изведен је израз за промену момента у лимиту напона током управљачке периоде у општем случају. На основу спроведене анализе, на оригиналан начин је у комплексној равни приказано кретање одговарајућих полифазора асинхроног мотора у режиму слабљења поља. Шесто поглавље садржи синтезу оригиналне управљачке структуре за директно управљање моментом у слабљењу поља. Полазна основа за формирање структуре је захтев да се расположиви напон инвертора у потпуности искористи. Пошто су у напонском лимиту компоненте флукса и момента спрегнуте, како у стационарном стању, тако и у прелазним режимима, једина физички независна управљачка величина тада је фазни став (угао) напона статора. У циљу формирања алгоритма за директно управљање у слабљењу поља, прво је изведен динамички математички модел асинхроне машине у лимиту напона. Усвојена је модификација генерализованог математичког модела у синхроно ротирајућем координатном систему, те је тако модификовани модел линеаризован и добијена је одговарајућа функција преноса. Усвојене се одговарајуће апроксимације које знатно олакшавају извођење функције преноса и дата је детаљна анализа оправданости тих апроксимација, поређењем понашања апроксимираног и комплетног модела. На основу усвојене функције преноса асинхроног мотора при раду са пуним напоном у слабљењу поља, предложена је оригинална управљачка структура за регулацију момента, а затим и поступак за одређивање потребних параметара регулатора за добијање жељеног одзива. Као пројектни захтеви за перформансама регулатора момента постављени су брз апериодски одзив и нулта грешка стационарног стања. Након синтезе, добијене перформансе предложеног регулатора момента илустроване су путем рачунарских симулација. Путем рачунарских симулација анализиран је и утицај варијације параметара регулатора и напона напајања. У наставку је формирана и надређена структура за управљање брзином у слабљењу поља. Предложена је структура регулатора и усвојен је поступак за избор вредности параметара. Као пројектни захтев за перформансе регулатора брзине постављени су стриктно апериодски одзив без прескока, као и нулта грешка стационарног стања. Приликом пројектовања брзинске петље динамички је уважена и промена лимита по превалном моменту. На крају поглавља, перформансе предложеног регулатора брзине проверене су рачунарском симулацијом. Експериментална верификација предложеног решења описана је у седмом поглављу. Као репрезентативни, одабрана су три карактеристична радна режима: први, у коме је испитиван одзив на правоугаону референтну вредност момента при константној брзини обртања, затим други, у коме је испитивано убрзавање погона до троструке номиналне брзине при правоугаоној референтној вредности момента, те трећи, гдје је испитан рад погона са затвореном повратном спрегом по брзини. Резултати експеримента приказани су у облику осцилоскопских снимака и детаљно су коментарисани. У осмом поглављу (Закључак) истакнути су главни доприноси појединих поглавља и докторске дисертације у целини. Такође, указано је и на могуће правце даљег развоја у разматраној области. На крају рада налази се списак коришћене литературе, те прилог који садржи математичка извођења која би оптеретила основни текст, податке кориштене у рачунарским симулацијама, као и технички опис конкретно реализованог прототипа.

Тhe subject of the dissertation is development of an algorithm for direct control of induction motor in field weakening regime, which should provide improved performance when working at high speeds. In the first Chapter motivation for the research is given, available references are analyzed in detail, and unsolved problems in the field of research are identified. Limitations of the existing solutions for induction motor control in field weakening mode are pointed out. Guidelines for the development of new structure for direct control which will fully utilize motor and power converter capabilities are given. The outline of the rest of thesis is presented. The second Chapter of the dissertation starts with the development of mathematical models of induction motor and matched power converter suitable for direct control. Mathematical models are developed with usual approximations used in the general theory of electric machines. The space vector modulation technique for power inverter control is also described in this section. The subject of the third Chapter is the analysis of torque transient characteristicsof an induction machine in field weakening regime. The ability of obtaining the maximum torque dependening on voltage and current limits of a drive is investigated. The influence of current limit, voltage limit, and combined current and voltage limits on torque characteristics in field weakening regime and ability of achieving maximal torque is investigated. The problem of rotor flux collapse, as a consequence of voltage limit in the field weakening mode, is explained in detail. The fourth Chapter analyzes in detail typical approaches for control of induction motors in field weakening regime. The Chapter consists of four parts. In the first part a general model of vector controlled induction motor drive is derived. On the proposed model, various stator and rotor flux vector controls in the field weakening regime are analyzed in the second and the third part of the Chapter. After that, a typical algorithm for direct torque control applicable in the field weakening regime is presented. At the end of the Chapter, all three presented methods are compared to each other. In the fifth Chapter the changes in torque, stator and rotor fluxes, slip and synchronous speed during a single control period at the voltage limit are analyzed. The expression for torque change at voltage limit is derived for the general case. Based on the presented equations, the original representation of induction motor polyphasor trajectories in the field weakening regime is given. The sixth Chapter contains a synthesis of the original control structure for direct torque control in field weakening regime. The proposed structure is based on the requirement to fully utilize available inverter voltage. Since both flux and torque producing components are coupled at the voltage limit, in both steady state and during transients, the only independent control variable is stator voltage phase angle. In order to create an algorithm for direct torque control in field weakening mode, a dynamic model of induction machine at voltage limit is developed first. The model is developed as a modification of generalized mathematical model in the synchronously rotating reference frame. This model is linearized around the operating point, and the induction motor transfer function in field weakening mode is obtained. The adopted approximations are discussed, by comparing behaviors of approximate and full order models using computer simulations. Based on the adopted transfer function, the original control structure of torque regulation is presented. Design performance requirements for torque regulator are zero torque error in steady state and fast transient response. The procedure for creating the control structure and calculating the regulator gains is explained in detail. The key part of the structure is torque regulator with variable gains, i.e., Gain Scheduling torque regulator is used. Performance of the proposed torque controller is illustrated through computer simulations. Impacts of motor parameter changes and supply voltage variations are analyzed through computer simulations too. At the end of the Chapter, the outer speed control loop synthesis procedure is presented. Performance requirements are strictly aperiodic speed response and zero error in steady state. Control structure and parameter tunings are explained in detail. In the proposed structure, the control limits are dynamically changed following the break-down torque changes. Performance of the proposed speed controller is validated by the computer simulation. Experimental verification of the proposed solution is described in seventh Chapter. As a representative, three typical operating modes are verified: first, the response to a rectangular change of torque reference at constant speed, the second mode, in which the motor accelerates and decelerates to the triple rated speed, and the third, where the closed speed loop performance is tested. Experimental results are presented in a form of oscilloscope readings and are discussed in detail. In the eighth Chapter (Conclusion) the major contributions from all chapters and the dissertation in general are highlighted. Possible directions for further work in the field of research are pointed out. Bibliography, mathematical derivations excluded from the main text for clarity, data used in computer simulations, as well as the technical description of the realized prototype are given at the and of the dissertation.

Директно управљање моментом, асинхрони мотор, слабљење поља

Direct torque control, Induction motor, Field weakening

Tekst