Načrtovanje programske opreme za vodenje večfaznega pogona Mitja Nemec, Andraž Rihar Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška 25, 1000 Ljubljana, Slovenija E-pošta: mitja. nemec@fe. uni-lj.si Software design for the control of a multiphase drive Abstract. Recent increase of current capability and output power of electric drives is a result of important technology-related improvements in the field of semiconductor power switches and utilization of multiphase configurations. Multi-phase multi-system electric machines can be magnetically coupled at different levels, resulting in different mutual inductances. Control of magnetically coupled multi-system machines is not straightforward. The paper describes the effects of different control strategies on phase currents in multiphase systems, presented with simulation results. Results show that phase-opposition control of magnetically-coupled machines is pointless. Furthermore, advanced control strategies, focused on using a combination of the main control algorithm, as well as additional difference-removal algorithms are presented. A graphical user interface was prepared for easier testing and interpretation of test results. 1 Uvod Razvoj električnih pogonov je neposredno povezan z razvojem polprevodniških močnostnih stikal. Tako z današnjo tehnologijo namreč hitro dosežemo tokove v območju 500 A - 1000 A, ki predstavljajo tako problem za močnostno elektroniko kot tudi za sam stroj. Tipična rešitev, ki se danes vedno bolj pogosto uveljavlja, je prehod s trifaznega pogona na večfazni pogon [1], [2]. Poleg povečanja moči ob uporabi enake tehnologije pa večfazni pogoni omogočajo tudi doseganje nižjih izgub [2], [3] in redundanco v primeru napak [4]. Vendar pa v večini primerov večfaznih pogonov ni dovolj samo razširitev na strojnem nivoju (pretvornik in stroj), bistvena sprememba je tudi v načinu regulacije. Za potrebe razvoja in testiranje večfaznega pogona nujno potrebujemo programsko opremo s pripadajočim grafičnim uporabniškim vmesnikom, ki bi lahko bila splošno uporabna za testiranje različnih večfaznih strojev in za preverjanje vplivov različnih dejavnikov (principov vodenja, konstrukcijskih parametrov, karakteristik pretvornikov, itn.). Članek predstavlja načrtovanje programske opreme za vodenje večfaznega pogona s poudarkom na uporabi kombinacije glavnih regulatorjev in regulatorjev razlike. Pristop je prikazan za primer 6-faznega dvosistemskega motorja. 2 Topologije Če kot parameter delitve večfaznih strojev v obzir vzamemo tip magnetne sklopitve, torej magnetne povezave več navitij stroja, lahko električne stroje v grobem delimo na dve področji. Lahko so izdelani kot popolnoma neodvisni sistemi, torej med posameznimi sistemi oziroma istosmiselnimi fazami posameznih sistemov ni magnetne sklopitve (faktor sklopa K = 0) in jih označujemo kot n x 3 - fazni stroji (na primer 2 x 3-fazni stroj). Lahko pa med sistemi obstaja magnetna sklopitev, ki je načeloma med istosmiselnimi fazami različnih sistemov pozitivna (0 < K < 1). Faktor sklopa K je sicer poenostavljeno določen kot razmerje med medsebojno induktivnostjo M dveh navitij in korenom zmnožka lastnih induktivnosti L navitij. V našem primeru predvidevamo, da so lastne induktivnosti vseh navitij enake. V nadaljevanju so za lažjo interpretacijo dogajanja v večsistemskem stroju prikazani rezultati simulacije klasičnega H-mostiča, ki napaja dve bremenski dušilki z enakima lastnima induktivnostma (Li in L2) in medsebojno induktivnostjo M, ki je povezana s faktorjem sklopa K (slika 1). Simulacije so bile izvedene v programskem okolju LTSpice pri stikalni frekvenci 20 kHz. 2.1 Brez sklopitve med sistemi V primeru brez sklopitve sistemov (K = 0) lahko vsak sistem vodimo kot ločen stroj, saj veličine med seboj, razen prek položaja rotorja, niso povezane. Možna je tudi uporaba faznega zamika PWM signalov do 180°, ki je zelo pogosta na področju večvejnih DC/DC pretvornikov [5] in lahko v nekaterih konfiguracijah večfaznih strojev pomembno vpliva na zmanjšanje valovitosti toka v enosmerni vmesni tokokrog [6]. Rezultati simulacij kažejo, da je v primeru faktorja sklopa K = 0 tako ob uporabi sofaznega (fazni kot PWM je 0°, slika 2), kot tudi protifaznega proženja (fazni kot je 180°, slika 5), valovitost toka čez posamezno dušilko enaka, le v drugem primeru fazno zamaknjena. Z vidika celotnega bremenskega toka, torej skupnega toka obeh dušilk, je v drugem primeru valovitost enaka 0 A. 2.2 Sklopitev med sistemi V primeru sklopitve sist%mov analiza zaradi medsebojne i.duktivnosti M, ki povezuje oba sistema oziroma v primeru predstavljenih simulacij obe bremenski dušilki, postane kompleksnejša. Za lažjo interpretacijo dogajanja lahko lastnima induktivnostma posameznih bremenskih dušilk odštejemo medsebojno induktivnost in torej dobimo L1-M oziroma L2-M, na izhodno sponko pa dodamo dodatno dušilko z induktivnostjo M (slika 1) [7]. ERK'2018, Portorož, 281-284 281 A M LrM M L,-M □ ■ —Tu* Lil ■ ■ Tok L2 5.9 5.92 5.94 5.96 5.96 _Čas I ms_ 5.8 581 584 588 5.9 5 92 5-94 595 5.98 592 5 M 5-96 _Čas i ms Slika 1. Shematski prikaz (levo) H-mostiča, ki napaja dve dušilki z lastnima induktivnostma L i in L2 in medsebojno induktivnostjo M ter nadomestni shematski prikaz (desno) s tremi nadomestnimi dušilkami z vrednostmi Li-M, L2-M in M. Stopnja sklopitve je seveda lahko različna in se spreminja od 0 do 1, pri čemer faktor sklopa K = 1 označuje uporabo bifilarnega navitja, pri čemer je vsak odcep napajan s svojo vejo. Običajno je seveda tudi v tem primeru še prisotne nekaj stresane induktivnosti posameznih navitij in zato raje predvidevamo faktor sklopa K = 0,95. Negativni faktorji sklopa so na področju električnih pogonov izredno redki, saj s posameznimi navitji želimo istosmiselno povečevati skupni navor motorjev. Negativni faktorji sklopa se pogosteje pojavljajo v DC/DC pretvornikih, kjer imajo določene prednosti [7]. V primeru pozitivnega faktorja sklopa uporaba faznih zamikov signalov PWM pri proženju posameznih vej ni več povsem enostavna in ima različne vplive. V primeru, da je sistem sklopljen pozitivno in je prožen popolnoma sofazno, se valovitost skozi posamezen sistem zmanjša na polovico, saj zaradi medsebojnega vpliva v tem primeru vsako navitje prevzame polovico valovitosti toka (slika 2). Slika 3. Potek tokov skozi dušilki Li (modra) in L2 (rdeča) za skoraj sofazno proženje (zakasnitev 100 ns) pri faktorju sklopitve K = 0 (zgornji del) in K = 0,95 (spodnji del) V primeru pozitivnega K in protifaznega proženja je valovitost na izhodu sicer enaka nič, saj sta toka ravno fazno premaknjena za 180°, povečevanje faktorja sklopa pa neposredno vpliva na povečevanje valovitosti toka skozi posamezni dušilki in je v določenih primerih (odvisno od aplikacije in različno sklopljenih strojev [8]) lahko smiselno (K =0,33, 0,5 in 0,66 - slika 4). < »1—1—— K>