Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Regulované elektrické pohony

číslo 3/2004

Regulované elektrické pohony

Induction motors have become workhorses of industry in almost all areas of use. Today, they are applied from non-critical up to mission critical production segments. An unexpected failure of an induction motor can cause high financial losses and/or catastrophe jeopardizing ecology and human health. Therefore, failure prediction and early fault detection play a vital role in an overall induction motors application. The main goal of this article is to provide a brief overview of the state-of the art diagnostic algorithms and methods.

Pojem elektrický pohon značí složitý elektromechanický systém, zažívající v současné době mohutný rozvoj všech svých komponent, především výkonových polovodičových měničů, technických prostředků pro realizaci regulačních systémů, použitých algoritmů a podpůrných a diagnostických systémů. Problematiku elektrických pohonů lze označit za integrující disciplínu, která v sobě zahrnuje několik náročných oborů.

1. Úvod

Při realizaci kvalitního moderního pohonu je nezbytné uplatnit znalosti o mechanických soustavách, o elektrických strojích, výkonové elektronice a regulaci. Elektrické stroje tvoří akční členy, výkonová elektronika je základem pro realizaci napájecích měničů elektrické energie, regulace celých systémů v sobě zahrnuje teoretické zákonitosti, ale i požadavky praxe, nutné pro návrh obvodových struktur regulátorů, a implementaci algoritmů, v současné době převážně ve formě programu mikroprocesorového regulátoru. Důležité jsou i měřicí, testovací a diagnostické metody, nutné pro uvádění do chodu, a provoz pohonných systémů. Odborník, který se chce označit jako „pohonář„, musí zvládnout podstatnou část uvedené problematiky.

Technická díla vyvinutá v minulosti odrážejí stav dostupných prostředků použitých k jejich realizaci v době vzniku. V oblasti výkonových měničů to byla např. nedostupnost plně řiditelných součástek, v regulační technice omezené možnosti analogových systémů. Základní principy elektrických strojů zůstávají stále platné, stroje samotné však získávají díky novým přístupům k jejich regulaci zcela nové vlastnosti.

Obr. 1.

2. Typy elektrických pohonů

Odpovídají-li vlastnosti samotného stroje požadavkům na elektrický pohon, může být stroj napájen přímo ze sítě. Většina poznatků vědního oboru elektrické pohony se však týká řízení a regulace elektrických strojů, umožňujících rozšířit škálu dosažitelných vlastností. Vzniká nová kategorie – regulovaný pohon všeobecného použití, tj. systém přizpůsobitelný mnoha požadavkům technologického zařízení.U pohonu je možné regulovat moment (nebo tah), rychlost nebo polohu. Složitější regulace přitom většinou obsahuje jednodušší podřízené regulační smyčky. Z hlediska nejrozšířenější regulace otáčivé rychlosti lze rozlišit pohony několikarychlostní nebo s plynulou regulací rychlosti, přičemž se může vyžadovat práce při jednom nebo obou směrech otáčení. Důležitá je schopnost elektrického brzdění, kdy se kinetická a potenciální energie soustavy přeměňuje v elektrickou, která se buď rekuperuje zpět do napájecí sítě, akumuluje, nebo se přeměňuje v teplo v elektrickém stroji či v odporech.

Pohony je možné rozdělit do několika skupin, odlišujících se nároky na regulaci, typem a druhem napájení akčních členů, způsobem ovládání a nejdůležitějšími problémy řešenými při jejich použití:

  • Pohony pro malou automatizaci, kancelářskou a výpočetní techniku, které jsou nejčastěji řešeny na bázi krokového nebo tzv. brushless DC motoru (ač má toto označení několik významů, nejčastěji se jedná o speciální synchronní stroj, napájený z elektronického měniče)1).

  • Pohony pro domácí spotřebiče, nářadí a podobné aplikace. Většinou jsou to univerzální komutátorové motorky, napájené přímo, nebo z měniče napětí.

  • Pohony všeobecného použití, pokrývající širokou škálu aplikací, které jsou dnes realizovány asynchronním strojem (AS), napájeným ze střídače.

  • Servopohony pro obráběcí stroje, manipulátory, roboty a další servomechanismy, které používají pro dosažení špičkových vlastností speciální synchronní stroje. Uceleným souborem regulačních vlastností a dalších požadavků, např. na provedení, způsob ovládání, metodiku zkoušení a použití špičkových snímačů, tvoří specifický technický obor.

  • Pohony mezních výkonů, které si mnohdy vynutily speciální konstrukci akčních členů a jsou často realizovány na bázi synchronních strojů, napájených z polovodičových měničů.

  • Speciální pohony, vyráběné na míru konkrétním požadavkům, které zahrnují i stroje s jiným druhem pohybu než rotačním, např. lineárním. Velmi často je stroj nedílnou součástí mechanismu, přičemž se hovoří o mechatronickém přístupu.

Akční členy elektrických pohonů jsou tvořeny elektrickými stroji. Odpověď na otázku, jaký je nejrozšířenější elektrický stroj, není jednoduchá. Je-li třeba se soustředit na stroje, ve kterých je instalován největší výkon, je nutné si uvědomit, že téměř veškerá elektrická energie je vyrobena v elektrárnách v synchronních generátorech. Dalším hlediskem může být počet vyrobených kusů, kde pro potřeby automobilové, automatizační, kancelářské, spotřební a zábavní elektrotechniky jsou vyráběny statisícové série malých stejnosměrných a DC brushless motorků. S počátkem rozvoje regulovaných elektrických pohonů jsou spojeny klasické stejnosměrné stroje s cizím buzením, které jsou stále nejvhodnější pro vysvětlení základních regulačních principů. Nejdůležitější jsou však v současné době asynchronní stroje, které se prosadily v široké třídě průmyslových neregulovaných i regulovaných pohonů všeobecného použití, kde splňují v podstatě všechny požadavky.

3. Struktura moderního elektrického pohonu

Moderní pohon vzniká jako stavebnice nejen na straně výkonové části, obvodového řešení regulátoru, ale i na straně programového vybavení pro regulační úlohy a provozní a servisní podporu.

Obr. 2.

3.1 Výkonová část
Asynchronní stroj musí být pro dosažení kvalitní regulace napájen ze zdroje proměnného kmitočtu a napětí. Tím je ve většině případů střídač (obr. 2), osazený výkonovými polovodičovými součástkami (VPS), pracujícími v režimu pulsně šířkové modulace (viz kap. 4). V současné době přicházejí v úvahu prvky IGBT, IGCT a tyristory GTO [7]. Nejrozšířenější jsou součástky IGBT, přičemž nejdokonalejší formou je inteligentní modul, obsahující vedle výkonových prvků i budicí a ochranné obvody a snímače elektrických (proud) a neelektrických (teplota) veličin. Dosažené parametry v současné době umožňují použít inteligentní moduly i pro trakční pohony vozidel městské dopravy.

Stejnosměrná strana střídače je u pohonů pracujících na střídavé distribuční síti napájena z usměrňovače, který je velmi často diodový. Nejdokonalejším řešením je tzv. kompatibilní usměrňovač, umožňující odběr proudu s dominantním podílem základní harmonické složky při účiníku blízkém jedné a tok energie oběma směry. Jeho zapojení též odpovídá schématu na obr. 2. Tento vstupní člen řeší i rekuperaci brzdné energie do napájecí sítě, která se u diodového vstupního členu zpravidla maří v pulsně spínaném odporu. U kvalitních pohonů vyšších výkonů, např. v jednofázovém provedení pro vícesystémové lokomotivy, je vstupní kompatibilní usměrňovač nezbytný.

Obr. 3.

3.2 Regulační část

Strukturu pohonu vystihuje obr. 3. Mikropočítačový regulátor zajišťuje většinu požadovaných funkcí. Zpracovává signály z čidel a povely obsluhy a na výstupu generuje spínací pulsy pro výkonové polovodičové součástky střídače. Ty jsou elektricky upraveny a zesíleny, popř. galvanicky odděleny v přizpůsobovacích obvodech. Pro elektrické pohony se vyvíjejí speciální jednočipové mikropočítače, často založené na výkonném výpočetním jádru signálových procesorů, opatřeném specializovanými periferními bloky.

Samostatnou součástí struktury je zpravidla nezávislá ochrana, která je řešena obvodově (hardwarově). Způsob komunikace s okolím je popsán v následující kapitole. Součástí systémů jsou dále prostředky pro ladění, diagnostiku a servis.

V současných regulátorech jsou též implementovány algoritmy pro zjištění parametrů napájeného stroje a poháněné soustavy. Součástí uvedení pohonu do chodu je automatické uskutečnění základních měření, kdy se většinou zjišťuje odezva soustavy na definované vstupní signály. Někdy je tento postup nahrazen odhadem parametrů typického napájeného stroje v daném výkonovém rozsahu. Někteří výrobci ukládají do paměti mikroprocesorového regulátoru měniče parametry doporučených strojů. U servomotorů, které obsahují inteligentní čidla, jsou potřebné parametry uloženy v jejich paměti a při uvedení systému do chodu se přenesou do regulátoru.

3.3 Ovládání pohonu
V zásadě je vždy umožněno místní i dálkové ovládání. Součástí měniče bývá ovládací panel, který obsahuje např. membránovou klávesnici a displej typu LCD, pomocí kterých je možné nastavovat zadané hodnoty a hlavní parametry pohonu. Další způsob dovoluje např. vstup zadaných otáček nebo požadovaného výstupního kmitočtu analogovým napěťovým nebo proudovým signálem, popř. impulsním nebo číslicovým vstupem. Některým z těchto signálů, spolu s dalšími dvouhodnotovými vstupy pro řízení provozního stavu pohonu, je umožněno i ovládání z nadřazené úrovně. Pro spojení s nadřazeným systémem je však nejvýhodnější použít některý ze standardních komunikačních kanálů (sběrnice CAN, Profibus apod.), který s využitím určitého protokolu poskytuje možnost pro přenos všech potřebných řídicích signálů i zpětných odezev pomocí malého počtu vodičů.

3.3.1 Nastavované parametry
Jedná se o parametry regulátoru ovlivňující regulační proces, meze regulace, volbu variant řízení a další. V zásadě lze rozlišovat parametry s číselným významem a dvouhodnotové (logické, bitové) parametry. Těchto parametrů může být u složitých systémů až několik set.

Mezi parametry s číselným významem patří např.:

  • meze výstupního kmitočtu,
  • doby rozběhu a doběhu,
  • limitní hodnoty proudu, popř. hodnoty I12t,
  • vztah mezi výstupním napětím a kmitočtem.

Bitové parametry většinou modifikují způsob řízení a interpretaci zadaných hodnot. Jedná se např. o tyto volby:

  • modifikace práce měniče (spínací kmitočet), způsobu ovládání, blokování některých regulačních smyček a určení způsobu regulace, startu, doběhu, brzdy,

  • přiřazení zvolených řídicích veličin vstupním signálům, volba jejich elektrických parametrů, volba výstupních signálů a stavových hlášení,

  • nastavení parametrů komunikačního kanálu pro vazbu s nadřazeným systémem.

3.3.2 Signály pro styk s okolím
Při místním řízení a částečně i při dálkovém ovládání elektrických pohonů po lince jsou využívány analogové a číslicové vstupní a výstupní signály, např.:

  • zadané hodnoty (otáčky, kmitočet, moment),
  • vstupy externích čidel (teplota, tachogenerátor),
  • signál pro odpojení měniče, zrušení zablokování měniče po poruše (kvitance),
  • volba ovládání místně nebo dálkově, vnější požadavek na start, stop, směr,
  • analogový výstup skutečného kmitočtu, proudu, zatížení,
  • stavová hlášení,
  • propojení kanálu pro komunikaci s nadřazeným systémem.

3.3.3 Výstražná a chybová hlášení
O nedodržení provozních podmínek je obsluha informována výstražným hlášením, při závažnější závadě se měnič zablokuje, odpojí výstupní svorky od napětí a vydá příslušné chybové hlášení. Zároveň se zpravidla do vnitřní paměti uloží data (záznam post mortem), která lze později analyzovat. Může být hlídáno množství nedovolených stavů, sdružených do skupiny výstrah a havárií:

  • vnější signál k odpojení, proudové přetížení, podpětí, přehřátí,
  • chyba v zadání, nadproud (zkrat), přepětí, hardwarová závada regulátoru, závada v napájecí síti.
Obr. 4.

4. Modulace

Nejjednodušší spínací algoritmus střídače, který obsahuje pouze tzv. aktivní stavy, se označuje jako obdélníkové řízení (OŘ). Je charakterizován na průběhu sdruženého napětí a proudu v obr. 4. Ve schématu jsou polovodičové prvky znázorněny spínači a naznačený aktivní stav je charakterizován sepnutím prvků 1-2-3. Vzhledem k jednoduchosti spínání není možné měnit amplitudu základní harmonické složky výstupního napětí. Pokud by byl tedy tímto způsobem napájen AS v celém kmitočtovém rozsahu, bylo by nutné řídit napětí na vstupním filtru, jak je též na obr. 4 naznačeno. Bylo proto vyvinuto množství modulačních postupů, které jsou podrobněji popsány v [8].

V režimu pulsně šířkové modulace se navíc využívají tzv. nulové stavy (mezery), vzniklé sepnutím všech horních (1-3-5) nebo dolních prvků (4-6-2). Na výstupních zkratovaných svorkách je pak nulové napětí. Dosáhne se tak možnosti změny amplitudy základní harmonické složky výstupního napětí.

Existuje více typů modulačních algoritmů, lišících se svými vlastnostmi a vhodností použití. Jejich výběr je ovlivněn např. spínacím kmitočtem, který klesá s napěťovými a proudovými parametry VPS na několik set hertzů u největších součástek. U dopředných algoritmů jsou generovány spínací pulsy podle zadání okamžité hodnoty výstupního napětí, u zpětnovazebních se sepnutí získá porovnáním požadované a skutečné hodnoty některé veličiny.

Obr. 5.

Asynchronní modulace pracují s konstantním spínacím kmitočtem VPS. Jejím představitelem je např. suboscilační metoda, používaná i v analogových systémech. Spínací algoritmus vznikne porovnáním okamžité hodnoty zadaného napětí s trojúhelníkovým průběhem o modulačním (nosném) kmitočtu. U synchronních modulací je spínací kmitočet VPS určitým násobkem výstupního generovaného kmitočtu. Tento způsob se používá u pohonů větších výkonů a v oblasti vyšších otáček. Při dalším zvýšení rychlosti se zpravidla přechází do obdélníkového řízení, zajišťujícího nejvyšší podíl základní harmonické složky ve výstupním napětí. Spínací pulsy a výstupní proud měniče při přechodu z asynchronní do synchronní modulace ukazuje obr. 5.

Pro generování spínacích pulsů podle zvoleného algoritmu pulsně šířkové modulace se často využívají speciální periferní obvody jednočipových mikropočítačů, které zajišťují i generování potřebné prodlevy mezi přepnutím součástek v jedné větvi (ochranná doba). Tyto systémy podporují např. moderní modulační strategii, tzv. modulaci prostorového vektoru (SV modulation). Ta vychází ze zadání požadovaného výstupního napětí ve tvaru vektoru a možnosti jeho generování sepnutím dvou sousedních aktivních stavů a mezery.

5. Regulace

V počátcích kmitočtové regulace pohonů s asynchronními stroji bylo nejčastěji používáno tzv. skalární řízení U/f. Toto kritérium vychází z požadavku konstantního magnetického toku ve stroji.

Pojem moderní metoda regulace pohonu je v poslední době v podstatě ekvivalentem pojmu vektorová regulace, popř. pojmu metoda přímé regulace momentu.

5.1 Matematický základ
Pro vysvětlení skalárního řízení lze vyjít z jednoduché představy. Pro každý elektromagneticky svázaný obvod platí pro základní harmonické složky rovnice.

Rovnice 1.

kde U je napětí na svorkách obvodu, I proud tekoucí obvodem, R činný odpor obvodu, Y magnetický tok, w´ úhlová rychlost vektoru magnetického toku.

Rovnice se zderivuje a přepíše pro jednu fázi statorového vinutí AS. Za předpokladu, že

Vztah 1.

kde f1 je frekvence změn magnetického toku, vznikne vztah (2)

Rovnice 2.

Při zanedbání statorového odporu u AS platí, že u1/f1 = konstanta. Metoda je sice jednoduchá, neumožňuje však dosáhnout kvalitních dynamických vlastností systémů.

Pro realizaci moderních regulačních metod je nutné vyjít z matematického popisu elektromechanického systému asynchronního stroje. Rovnice trojfázového statorového a vícefázového rotorového systému se nejprve přetransformuje do pravoúhlých souřadnic a elektrické veličiny se vyjádří ve formě rotujících prostorových vektorů. Následující napěťové rovnice vystihují skutečnost, že v jednotlivých obvodech se napětí skládá z odporového úbytku a napětí indukovaného změnou magnetického toku. Ten je pak dán proudem a indukčností příslušného obvodu.

Rovnice 3.

kde wk je úhlová rychlost pravoúhlého systému, do kterého rovnice transformujeme, w mechanická úhlová rychlost ekvivalentního dvojpólového stroje, L1, L2, Lh jsou po řadě: indukčnost obvodu 1, indukčnost obvodu 2 a vzájemná indukčnost.

Z energetické bilance vychází vztah pro vnitřní elektromagnetický moment mi

Rovnice 4.

kde p je počet pólových dvojic.

Z těchto rovnic je možné odvodit některý z matematických modelů nutných pro přesnou regulaci vnitřních veličin elektrického stroje. Nejčastěji je používán model I1 – n, odvozený vyloučením rotorového proudu z napěťové rovnice pro rotor. Napíše-li se rovnice pro složky prostorového vektoru ve stojícím pravoúhlém souřadném systému, označovaném jako a-b, vznikne

Rovnice 5.

Zajímavé je vyjádření těchto rovnic v souřadném systému rotujícím stejnou rychlostí jako magnetický tok ve vzduchové mezeře (synchronní systém, x-y)

Rovnice 6.

Rovnice vystihují skutečnost, že při pozorování rotujícího vektoru ze systému pohybujícího se stejnou rychlostí se jeho složky jeví neměnné. Situace je stejná jako na kolotoči, kdy se ostatní účastnící jízdy vůči pozorovateli nepohybují. Rovnice (6) tedy obsahují v ustáleném stavu časově neproměnné veličiny. První rovnice vyjadřuje vztah mezi magnetickým tokem a složkou proudu i1x, která se označuje jako tokotvorná. Druhá rovnice vyjadřuje rotorovou (skluzovou) úhlovou rychlost, která určuje vnitřní elektromagnetický moment. Příslušná složka proudu se proto označuje jako momentotvorná.

5.2 Vektorová regulace
Základní regulovanou veličinou v elektrických strojích je magnetický tok a vnitřní elektromagnetický moment. Magnetický tok a moment nejsou u AS v praxi přímo měřitelné. Vychází se proto z hodnot, které lze technicky jednoduše měřit (statorové proudy, napětí, otáčky). Z těch jsou pomocí zvoleného matematického modelu stroje vyčísleny všechny vnitřní veličiny nutné pro regulaci. Na rozdíl od stejnosměrného stroje, kde pro určení momentu a magnetického toku postačí měření kotevního a budicího proudu, je nutné u střídavých strojů v některé formě řešit soustavu diferenciálních rovnic (3). Vzhledem k nárokům na regulaci musí být opakování výpočtu velmi rychlé – řádově desítky mikrosekund. Vlastnosti použitelného matematického modelu jsou velmi často chybně vydávány za vlastnosti určitého typu vektorové regulace. Vedle uvedeného modelu I1 – n se často používá model U1 – I1, který pracuje pouze s elektrickými veličinami. Měření výstupního napětí se někdy nahrazuje měřením napětí na vstupním filtru a výpočtem výstupních napětí na základě okamžitého stavu sepnutí střídače. Hlavní rozdíl mezi oběma typy matematických modelů je chování v nízkých otáčkách, kde je model I1 – n stabilní. Výhodou modelu U1 – I1 je vyloučení čidla otáček.

Obr. 6.

Pro oddělenou regulaci magnetického toku a momentu stroje bude regulační struktura obsahovat dvě hlavní regulační smyčky. Není nutné regulovat přímo moment a tok, ale postačí pracovat se složkami statorového proudu, které tyto veličiny přímo ovlivňují, jak bylo vysvětleno v předchozí kapitole. Pracuje se tedy se statorovým proudem jako s vektorem [1]. Odtud pochází označení vektorová regulace (v překladu anglického control se často nerozlišuje rozdíl mezi pojmy řízení a regulace).

V literatuře se uvádí značné množství blokových schémat [8], ve kterých se však lze snadno orientovat. K odlišení jednotlivých typů vektorové regulace lze zohlednit typ použitého matematického modelu. Důležitější je však způsob vyjádření vektoru statorového proudu. V polárních souřadnicích se jeho modul a úhel reguluje vzhledem k vektoru rotorového magnetického toku. Dominantní regulační smyčka je proudová, mluví se proto o proudové regulaci Principiální blokové schéma na obr. 6 využívá matematický model I1 – n a pro zjednodušení neobsahuje otáčkovou smyčku.

Druhým typem je regulace dvou složek statorového proudu ve dvou rovnocenných regulačních smyčkách, jejichž výstupem jsou po úpravě přímo okamžité hodnoty zadaných napětí pro modulátor. Mluví se proto o vektorové regulaci napěťového typu. Regulují se transformované složky statorového proudu (v ustáleném stavu časově neproměnné – stejnosměrné), okamžité hodnoty zadaného výstupního napětí se získají pomocí bloku odvazbení a zpětnou transformací. Blok odvazbení je důležitý pro získání zadaných svorkových napětí napájeného stroje. Výsledkem regulace složek statorového proudu je požadavek na změnu vnitřního napětí v pravoúhlých rotujících osách. Vlivem rozptylových indukčností stroje je však každá složka svorkového napětí ovlivněna i proudem ve druhé ose. To musí být navíc v rovnováze s indukovaným napětím. Chybějící odvazbení má v některých provozních stavech za důsledek vznik kladných zpětných vazeb a tím možné nestability systému.

Obr. 7.

Funkci trakčního pohonu s tímto typem regulátoru znázorňuje obr. 8. Požadavkem je přechod nenabuzeného stroje z výběhu do tahu. Po náběhu tokotvorné složky (IY) vzrůstá magnetický tok, který dosažením hraniční hodnoty odblokuje regulační smyčku momentotvorného proudu (IM). Obě složky potom narůstají po rampě, zadávané nadřazeným řídicím systémem, do svých ustálených hodnot.

5.3 Přímá regulace
Metoda přímé regulace momentu (Direkte Selbstregelung, Direct Torque Control) patří k nejmodernějším způsobům regulace asynchronních strojů. Její popis byl poprvé publikován v [2] M. Depenbrockem (TU Bochum, Německo). Navržený algoritmus byl nejprve ověřen v analogové verzi, uplatnění v praxi však nalezl až v číslicovém provedení, umožněném použitím signálových mikroprocesorů.

Metoda, při které se pracuje s transformací souřadnic do os a-b, je založena na nové myšlence: nereguluje se vektor statorového proudu, ale přímo moment ve zvoleném tolerančním pásmu a průběh prostorového vektoru magnetického toku po zadané křivce (v tomto případě po šestiúhelníku). Obě veličiny jsou opět vyhodnoceny z měřených veličin pomocí matematického modelu asynchronního stroje. Měření a výpočty musí být ale tak rychlé, aby bylo možné v každém okamžiku rozhodnout, je-li třeba moment zvětšovat nebo zmenšovat, a jak je nutné spínat střídač pro zajištění požadovaného pohybu vektoru toku. V praxi to znamená vybrat pro následující takt jeden z osmi způsobů sepnutí střídače.

Lze dokázat, že přivedením vhodné napěťové kombinace na statorové vinutí asynchronního stroje jeho vnitřní elektromagnetický moment roste, zkratováním statorových svorek nebo přivedením jiného napětí naopak klesá. V každé šestině periody (označované jako subperioda) se tedy střídají aktivní stavy (pulsy), tj. připnutí jedné fáze k jednomu pólu filtračního kondenzátoru (na fázi je potom napětí 2/3Ud) a zbývajících dvou fází k druhému pólu (na těchto fázích je napětí 1/3Ud), a mezery, tj. současného připnutí všech fází k jedné svorce filtračního kondenzátoru. Během pulsu se napětí na všech fázích stroje nemění, takže koncový bod vektoru magnetického toku se podle rovnice (1) pohybuje při zanedbání statorového odporu konstantní rychlostí ve směru osy fáze s napětím 2/3Ud, přičemž při vhodné napěťové kombinaci vnitřní elektromagnetický moment roste. V mezeře se při zanedbání odporu statorového vinutí pohyb vektoru magnetického toku zastaví a okamžitý moment začne klesat.

Obr. 8.

Takahashiho metoda vychází ze stejné myšlenky jako přímá regulace podle Depenbrocka, rozdíl je však v řízení průběhu magnetického toku po kružnici. V každé subperiodě se používají čtyři směry vektoru a jeho zastavení (tj. zkrat statorových svorek AS). Většinou se nepoužívá pohyb kolmý na hranu šestiúhelníku příslušnou dané subperiodě. Blokové schéma regulátoru pro tuto metodu je na obr. 9. Je zde naznačen model U1 – I1, který se při této metodě často používá. Tvrzení, že uvedená metoda nevyžaduje měření rychlosti, je nutné upřesnit: není to vlastnost pohonu, ale použitého modelu.

6. Příklady realizovaných pohonů

Lokomotiva 90E, vyvíjená ve Škodě Plzeň v 90. letech dvacátého století, přinesla zásadní koncepční změny. Celý řídicí systém je založen na počítačové technice, poprvé v našem regionu byl použit asynchronní stroj napájený z napěťového střídače. Hlavní trakční střídač, osazený tyristory GTO, napájí čtyři asynchronní stroje o výkonu 4 × 400 kW s přetížitelností 1,6. Z důvodu snadnější implementace byla použita vektorová regulace proudového typu. Při vývoji byly získány četné zkušenosti, využité v následujících aplikacích. Vznikl zde i zárodek pozdější unifikace podpůrných, vývojových, optimalizačních a diagnostických prostředků s dalšími aplikacemi.

Hlavní pohony předměstské jednotky řady 471 (obr. 1) využívají světově ojedinělé provedení trakčního střídače, osazeného součástkami IGBT, pracujícího přímo na trolejovém napětí 3 kV. Jeho výkon je 1 MW s přetížitelností 1,8. Skládá se ze dvou střídačů zapojených v sérii, z nichž každý napájí dvě vinutí, příslušná dvěma speciálním paralelně zapojeným dvouvinuťovým asynchronním strojům.

Regulátory pohonu pracují s dříve ověřenými regulačními algoritmy, při vývoji byla též testována metoda přímé regulace momentu. Algoritmy jsou implementovány na nových technických prostředcích, využívajících signálové procesory. Celý řídicí systém vozidla je na vysoké úrovni, počínaje řídicím pracovištěm s dotykovou obrazovkou, přes víceúrovňové řešení s distribuovaným uspořádáním po optimalizátor jízdy s cílovým vedením vlaku aj.

Obr. 9.

Další zajímavou aplikací je pohonný systém prototypu soupravy metra, dodaný kyjevskému dopravnímu podniku. Souprava obsahuje šestnáct autonomních pohonů, jejichž regulaci zajišťuje 36 signálových mikroprocesorů. Pomocí sběrnice CAN je možné z jednoho místa komunikovat se všemi subsystémy. Výkonová část střídačů je osazena inteligentními bezpotenciálovými moduly. Pro dosažení potřebných regulačních vlastností je použita vektorová regulace napěťového typu, pracující s transformovanými veličinami v souřadnicích rotujících synchronně s magnetickým polem ve vzduchové mezeře. Díky novému hardwarovému řešení regulátoru byl zdokonalen systém diagnostiky a poruchových záznamů. Pro jejich vyhodnocení byly odladěny speciální programy, které zvýšily uživatelský komfort.

7. Závěr

V příspěvku jsou jako příklady uvedeny realizace typických představitelů trakčních pohonů. Jejich provedení je částečně ovlivněno speciálními požadavky, danými účelem použití, přesto mohou dobře posloužit pro vysvětlení typických zákonitostí. Pravda je, že obecné zákonitosti regulace elektrických pohonů jsou známy, detailní znalosti o užitých algoritmech však již mají charakter duševního vlastnictví, a nejsou tedy běžně dostupné. V oblasti pohonů všeobecného použití o výkonech jednotek až stovek kilowattů je obtížné prosadit se na trhu vzhledem ke značné konkurenci, která určuje i cenu, přičemž bezchybné fungování je samozřejmostí. Většina tuzemských firem proto používá nakupované systémy, které prostřednictvím mnoha parametrů přizpůsobuje dané aplikaci. Přesto i v této oblasti existuje několik výjimek, kde konečný výrobek je výsledkem vlastního vývoje i výroby (firmy Frecon, Elfis).

Jiná je situace při dodávkách finálních výrobků, ke kterým patří i dopravní prostředky. Základním předpokladem pro udržení pozice na trhu je sledování nejmodernějších vývojových trendů, jak ukazuje příklad Škody Plzeň. Do podpory vývojových prací jsou v současné době vkládány značné prostředky. Jednou z priorit je vytvoření nového vývojového střediska v Praze jako pobočky společnosti Škoda Electric. To se zaměřuje právě na moderní metody regulace výkonových polovodičových měničů a elektrických pohonů a jejich implementaci v moderních mikroprocesorových regulátorech. Pozornost se soustřeďuje na výzbroj vícesystémových lokomotiv, cílem je ale i vzájemná unifikace všech typů vyráběných pohonů, včetně podpůrných vývojových prostředků a vazby na technické prostředky. Nedílnou součástí kvalitních pohonů jsou i metody pro zajištění jejich optimální funkce, provozní diagnostika, začlenění do celého systému vozidel a další.

Literatura:

[1] BLASCHKE, F.: Das Verfahren der Feldorientierung zur Regelung der Asynchronmaschine. Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, 1972, Vol. 1, No. 1, s. 184–193.

[2] DEPENBROCK, M.: Direkte Selbstregelung (DSR) für hochdynamische Drehfeldantriebe mit Stromrichterspeisung. ETZ Archiv 7, 1985, No. 7, s. 211–218.

[3] JAVŮREK, J. – NOVÁK, J. – RYBA, J.: Vektorové řízení trakčního pohonu s asynchronním motorem. In: XXIV. konference o elektrických pohonech. Plzeň, červen 1995, s. 89–94.

[4] JAVŮREK, J. – SKALA, V.: Řízení trakčních měničů předměstské jednotky řady 471. Konference při příležitosti 50. výročí výroby elektrických lokomotiv ve Škodě Plzeň. Plzeň, únor 1977. In: Sborník Elektrické pohony v trakci, s. 95–104.

[5] NOVÁK, J.: Současné trendy rozvoje elektrických pohonů napájených z polovodičových měničů. Automa, 2000, č. 9, s. 3–9.

[6] JAVŮREK, J.: Nová generace trakčních pohonů. In: XXVII. konference o elektrických pohonech. Plzeň, červen 2001, s. 54–59.

[7] NOVÁK, J.: Moderní výkonové polovodičové prvky a jejich aplikační možnosti. Elektro, 2003, č. 6, s. 6–12.

[8] JAVŮREK, J.: Regulace moderních elektrických pohonů. Grada Publishing, a. s., 2003.

doc. Ing. Jiří Javůrek, CSc.

Doc. Ing. Jiří Javůrek, CSc. (1948), uplatnil zkušenosti získané ve své předchozí praxi (VÚSE Běchovice, ČKD Polovodiče a ÚE ČSAV) na katedře elektrických pohonů a trakce FEL ČVUT v Praze. Zde se zabýval především implementací moderních regulačních metod pro elektrické pohony v mikroprocesorových regulátorech. Výsledky práce byly využity při realizaci trakčních pohonů uvedených v příspěvku, dodávaných společností Škoda Dopravní technika. V současné době je vedoucím vývojového střediska Škoda Electric.


1) Pozn. red.: V literatuře jsou tyto motory označovány doslovným překladem jako bezkartáčové, popř. bezkomutátorové motory, výstižnější termín je motory s elektronickou komutací.

Inzerce zpět