Prediktivní řízení pohonu s asynchronním motorem bez čidla otáček

Abstract

Významný podíl světové elektrické energie v dnešní době spotřebovávají elektrické pohony. Úspora elektrické energie je tedy v této oblasti důležitým aspektem. Většina velkých elektrických pohonů využívá střídavé motory. Řízení otáček a momentu takového pohonu představuje velmi sofistikovaný úkol a pro jeho splnění bylo vyvinuto mnoho strategií. Často se vyskytujícím nepříznivým jevem je zvýšené zvlnění výstupního momentu a fázových proudů. Prediktivní řízení představuje v oblasti řízení elektrických pohonů jednu z nových metod. Toto řízení umožňuje současnou optimalizaci více sledovaných parametrů. Tímto způsobem řízení a možnostmi snižování zvlnění momentu, proudů a redukcí ztrát v motoru se zabývá předkládaná dizertační práce. Navrhované řešení spočívá v optimalizaci velikosti napětí ve stejnosměrném meziobvodu napájecího nepřímého měniče kmitočtu. V práci je popsán použitý model asynchronního motoru, základní principy bezsenzorového zjišťování otáček a nejčastěji používaných metod řízení. Dalším tématem práce je prediktivní řízení. Je uvedena základní klasifikace typů prediktivního řízení a jejich hlavní vlastnosti. Jako stěžejní je vybrána metoda prediktivního řízení momentu. Vzhledem k podobnosti vybrané metody s metodou přímého řízení momentu je provedeno porovnání obou metod, které je založeno na rozboru spínacích sekvencí střídače. Je vysvětlen důvod nižšího zvlnění momentu v případě prediktivního řízení. Následně jsou rozebrány další možnosti snižování zvlnění momentu a proudu pomocí predikce. V další kapitole je odvozen vliv velikosti napětí ve stejnosměrném meziobvodu na průběh momentu a proudu a jsou stanoveny limitní hodnoty tohoto napětí. Na principu prediktivní regulace je navržena optimalizační metoda velikosti napětí v meziobvodu minimalizující odchylky momentu a toku od svých referenčních hodnot. Je popsán způsob integrace metody do prediktivního řízení momentu. Poslední část práce je věnována simulačnímu a experimentálnímu ověření navržené optimalizační metody. Simulace jsou provedeny na matematickém modelu pohonu v prostředí Matlab Simulink. Experiment je realizován na laboratorním pohonu s asynchronním motorem o výkonu 5.5 kW, řízeném pomocí platformy dSpace. Potřeba aktivního usměrňovače si vyžádala nasazení tyristorového můstkového usměrňovače místo klasického diodového usměrňovače. Častým požadavkem v mnoha aplikacích je provoz bez otáčkového čidla, a proto je experimentální ověření realizováno jak s čidlem otáček, tak bez něj. Simulační i experimentální výsledky prokázaly nižší zvlnění průběhu momentu, nižší THD fázových proudů i nižší ztráty v motoru při řízení pohonu s navrženou napěťovou optimalizací.

The electric drives nowadays consume a significant part of the world’s electric energy, so power savings are an important aspect. Most of the high-power drives are realized with AC motors. The speed and torque control of an AC drive is a sophisticated topic, for which many strategies were developed. However, the increased torque and current ripple represent the drawbacks of many control strategies. A model predictive control is a new control method in the area of electric drives. Such control enables the optimization of multiple selected parameters at once. The thesis deals with the model predictive control, and its possibility of decreasing the torque and current ripples, and machine’s energy losses. The proposed solution lies within the DC-link voltage optimization of induction motor drive fed from the voltage-source inverter. The thesis first describes the model of the IM, principles of the most popular methods for the sensorless speed determination, and the IM drive control. Then, it deals with predictive control. Its classification is provided, and the main characteristics are described. The predictive torque control method is selected for further examination. Since this method shares many properties with the direct torque control method, a comparison of these two methods is performed. The comparison is based on the switching patterns of the transistors. It explains the reasons for the lower torque ripple of the predictive torque control. The possibilities of further torque and current ripples decreases within the predictive control method are then analyzed. Then, the influence of the DC-link voltage on the torque and current waveforms is analyzed, and the derivation of its limits is performed. Based on the analysis, a method optimizing the DC-link voltage is proposed and designed. The optimization method uses the model predictive control principle, and by using the DC-link voltage adjustment it aims to lower the torque and flux error compared to their respective references. Finally, its integration into the predictive torque control method is provided. The last part is dedicated to the simulation and experimental verifications of the proposed voltage optimization. The simulations are carried out on a mathematical model of IM drive in the Matlab Simulink environment. The experiments are performed on a laboratory IM drive of 5.5 kW output power that is controlled by means of the dSpace platform. Since the optimization method requires an active rectifier, a thyristor bridge rectifier is utilized instead of a conventional diode rectifier. In many applications, the speed sensor elimination is often required, so the experiments are performed with, as well as without the speed sensor. The gained simulation and experimental results confirm the benefits of the predictive torque control with the proposed DC-link voltage optimization in terms of lower torque ripple, lower current THD, and lower machine losses.