Controllo di Azionamenti Elettrici. Lezione n 13

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1 Controllo di Azionamenti Elettrici Lezione n 1 Coro di Laurea in Ingegneria dell Automazione Facoltà di Ingegneria Univerità degli Studi di Palermo CTROLLO DIRETTO DI COPPIA DI AZIAMENTI C MOTORE IN CORRENTE ALTERNATA (DTC) 1

2 PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEL DTC - ST Controllo diaccoppiato della coppia e del fluo Aenza di traduttori meccanici Non ono neceari regolatori di corrente, generazione di impuli PWM, regolatori PI di fluo e coppia e traformazione di coordinate Schema di controllo molto emplice e baa di potenza di calcolo richieta Ridotta enibilità alle variazioni parametriche 2

3 DIAGRAMMA A BLOCCHI DI UNO SCHEMA DTC + _ * ϕ + ϕ _ Voltage Vector T * + ϕ T Selection _ T Torque Etimator ϕ Stator Flux Etimator v i S a S b S c 2 2 i b i a E Induction Motor INIZIALMENTE IL DTC SELEZIA UNO DEI SEI VETTORI N NULLI E DUE VETTORI NULLI IN BASE AGLI ERRORI ISTANTANEI DELLA COPPIA E DELL AMPIEZZA DEL FLUSSO STATORICO

4 Vettori di Tenione delle Ucite dell Inverter I Sw1 Sw Sw5 E a b c Sw2 Sw4 Sw6 4

5 5 Per ogni poibile configurazione degli interruttori, le tenioni di ucita poono eere rappreentate in termini di pazio vettoriale, econdo la eguente equazione: v v v e v e a b j c j = π π Dove v a, v b e v c ono le tenioni di fae.

6 Sw1 Sw2 Sw Sw4 Sw5 Sw6 S a (t) S b (t) S c (t) v k v v v v v v v v 7 I Sw1 Sw Sw5 E a b c Sw2 Sw4 Sw6 6

7 Rappreentazione dei vettori delle tenioni di ucita dell inverter Le otto configurazioni dell inverter definicono le tenioni concatenate mediante le eguenti epreioni: [ ( ) ( )] [ ( ) ( )] ( ) ( ) v = E S t S t ab a b v = E S t S t bc b c [ ] v = E S t S t ca c a In aenza di componente omopolare ed ipotizzando la macchina immetrica va + vb+ vc = 0 Le tenioni di fae poono eere epree in funzione delle tenioni concatenate 7

8 v v v a b c 2vab + v = vbc vab = vab v = 2 bc bc Quindi, per otituzione i ottiene ( ) ( ) ( ) 2 v E S a t S b t S c t a = ( ) ( ) ( ) 2 v E S b t S a t S c t b = ( ) ( ) ( ) 2 v E S c t S a t S b t c = 8

9 Dalle precedenti epreioni lo pazio vettoriale delle tenioni aume la forma: 2π 2 j v = E Sa( t) + Sb( t) e + Sc () t e 4π j Dal bilanciamento delle potenze, tracurandole perdite nell inverter, i ottiene: 2π 4π 2 j j I = Sa( t) + Sb( t) e + Sc () t e i 9

10 Principio di funzionamento di un controllore DTC L equazione del circuito di tatore è: v = R i dφ + dt Supponendo tracurabile la caduta di tenione ulla reitenza tatorica, la variazione del fluo tatorico ha la tea direzione del vettore della tenione tatorica ϕ v T dove T è il tempo di campionamento. 10

11 v _ k+2 _ v k+1 v _ k+ _ vo k-th ector _ v k ω ϕ ϕ _ v k-2 k-1 _ v La variazione di fluo è proporzionale alla tenione applicata e a T ed inoltre ha la tea direzione della tenione applicata. 11

12 Criterio di elezione del vettore di tenione Variazione della coppia e del fluo dato dal vettore applicato v k-2 v k-1 v k v k+1 v k+2 v k+ v 0 ϕ - T α m>0 La tecnica delle bande di iterei uata nel DTC, porta a quattro poibili condizioni in riferimento agli errori del fluo e della coppia. Per ogni condizione, viene celto un vettore di tenione per tenere il fluo e la coppia entro i limiti di due bande a iterei 12

13 Strategie per il funzionamento a due quadranti T T Strategia A Strategia B Strategia C ϕ v k+1 v 0 v k v k ϕ v k+2 v 0 v 0 V k+ Applicando vettori nulli o radiali i annulla il fluo tatorico (ω = 0) determina un valore negativo della frequenza angolare di corrimento e quindi un decremento della coppia: ω r = ω - ω m = -ω m T = 2 ϕ r ϕ pω r T = pω m 2 R 2 R r 2 r r 1

14 A baa velocità l uo di vettori nulli può cauare l indeiderato fenomeno dell indebolimento del fluo T T* + T T* T* - T T t L uo congiunto di vettori nulli e radiali permette di ottenere oltanto valori poitivi di ω 14

15 STRATEGIA PER IL FUNZIAMENTO A QUATTRO QUADRANTI Per migliorare le pretazioni del DTC a baa velocità e per permettere il funzionamento a quattro quadranti, è neceario utilizzare anche i vettori oppoti: T T ϕ ϕ v k+1 v k+2 Strategia D v k-1 v k-2 Si può ottenere un velociimo decadimento della coppia, anche a baa velocità Queta trategia determina una frequenza di commutazione molto elevata. 15

16 CFRTO DELL OSCILLAZIE DELLA COPPIA PER DIFFERENTI CRITERI DI SELEZIE DEL VETTORE DI TENSIE A 00 RPM Ocillazioni della coppia utilizzando vettori diretti e nulli Ocillazioni della coppia utilizzando vettori diretti e oppoti 16

17 FREQUENZA DI COMMUTAZIE DELL INVERTER PER DIVERSE STRATEGIE DI SELEZIE DEL VETTORE DI TENSIE Frequenza di commutazione utilizzando vettori diretti e nulli Frequenza di commutazione utilizzando vettori diretti e oppoti 17

18 RISULTATI SPERIMENTALI Vettori diretti e oppoti Vettori diretti e nulli Ripota a una variazione a gradino della coppia tra 18 e 18 Nm t=8.8 m, ω m =20 rad/ Luogo del fluo tatorico con le trategie A, B, C, D con medeime ampiezze di bande di iterei 18

19 Controllo diretto di coppia con l utilizzo della modulazione vettoriale (SVM) Peculiarità di tale trategia di controllo ono: Frequenza di commutazione cotante Riduzione delle ocillazioni di coppia Applicazione della tecnica SVM per il controllo diretto del fluo tatorico 19

20 Il DTC-ST eleziona uno dei ei vettori non nulli e due vettori nulli dell inverter per mantenere la coppia e il fluo nei limiti delle due bande di iterei Il DTC con modulazione è baato ul mantenimento del vettore del fluo tatorico a un riferimento definito dal comando di ingreo Ciò comporta: la valutazione a ogni periodo di campionamento dell errore ul fluo tatorico applicazione di un appropriato vettore di tenione per mezzo della tecnica della modulazione vettoriale (PWM) 20

21 Diagramma a blocchi del controllo DTC-SVM + _ ϕ * r T * Stator flux comp. ϕ* d ϕ* q j e θ r θ r rotor flux etimator ϕ * + _ ϕ ϕ tator flux etimator Switche Control v i 2 2. Motor Signal. ϕ r Lr = ( ϕ ) σli v ϕ = +R i L t m v Induction Motor tα tβ V t t V to = α + β + t V o 21

22 Confronto tra il DTC-ST e DTC-SVM Coppia e Corrente con il controllo DTC-ST 22

23 Condizione di regime (tatica) Coppia e Corrente con il controllo DTC-SVM 2

24 Pretazioni dinamiche Ripota al gradino di coppia tra il 100% e il 100% della coppia e del fluo dello chema di controllo DTC-ST 24

25 Ripota al gradino di coppia tra il 100% e il 100% della coppia e del fluo dello chema di controllo DTC-SVM 25

26 Comando a calino del fluo, DTC-ST e DTC-SVM 26