Rekuperativno kocenje asinhronog motora - brza promena frekvencije napajanja

Pozdrav svima, srecna Nova godina i praznici.
Interesuje me sledece, sta se desi sa kinetickom energijom ventolatora ako mu smanjim frekvenciju napajanja sa recimo 50Hz na 20Hz, pomocu invertora koji ne poseduje kocioni otpornik i nema mogucnost vracanja energije u mrezu? Konkretno na prilozenom snimku se vidi da sam naglo menjao frekvenciju trofaznog motora i da postoji kocenje (frekvencija obrtnog polja je manja od mehanicke brzine), doduse motor nema nista na vratilu ali postoji kineticka energija samog rotora, tj.njegov moment inercije.



Na snimku se lose vidi, ali po zvuku cete zakljuciti sta se desava...

Da dodam da se priblizno isto ponasa i jedna turbina od 0,3kW, priblizno kazem jer je intenzitet kocenja manji zbog momenta inercije turbine, ali je ipak dosta veliki. Zaustavljanje je mnogo brze nego pri slobodnom zaustavljanju.

Zivadine,
Generalno, sva energija, za koju ne znas odmah gdje je, otisla je u toplotu.
Pri kocenju doci ce do porasta struje koji ce rezultovati grijanjem namotaja i zeljeza.
Kao i kod pokretanja motora kad god imas klizanje imas i gubitke. Cim vece klizanje veci gubici.

Predpostavljam da se u masini odvija sledece: motoru je nametnuto napajanje od 50Hz, u sledecem trenutku mu se namece 20Hz, automacki klizanje je povecano i neminovno direktno su se povecali i gubici u rotoru, jer je relativna frekvencija rotora sada veca u odnosu na polje, tj. Pgr=s*Pob ( gubici u gvozdju=klizanje puta snaga obrtnog polja). Sa druge strane i u na statoru se javljaju gubici, jer prilikom nametanja nize frekvencije snizen je i napon napajanja po zakonu U/f=const., a zbog i dalje vece brzine obrtanja rotora u statorskom namotaju ce se indukovati veci napon od nametnutog napona te ce on povecati struju kroz namotaj. Gubici u gvozdju na rotoru su povecani zbog s*f, a na statoru zbog samog polja rotora.
Da li sam dobro opisao pojavu koja se odvija u tom trenutku?

Približno tako...

Motor će raditi kao generator sve vreme dok je brzina rotora viša od brzine obrtnog polja.

Gubici u statoru i rotoru nisu tu od prevelike važnosti za ono što te zanima.

Dogodiće se sledeći efekti:

- motor će u ulozi generatora, u saradnji sa tri buck konvertora (što su u stvari polumostovi na fr. regulatoru), "prepumpati" napon na bulk elko fr. regulatora. To se događa zato što ta tri buck postaju sinhroni boost konvertor.

-Ako je količina energije na vretenu (poreklom od zamajne mase na vretenu motora),bitno manja od količine energije koju može akumulirati bulk elko (u Džulima), a što se pak događa kod kratkotrajnih kočenja sa malom količinom energije kočenja, na bulk elko napon neće porasti preko neke granice koju mogu podneti IGBT. Uobičajena granica kod fr. regulatora sa monofaznim napajanjem (230VAC) je 400-410VDC na bulk elko, kod trofazno napajanih (3 x 400VAC) je oko 800-840VDC. (zbog toga se na fr. regulatorima koriste bulk elko sa radnim naponima 400-450VDC)
Iznad tih veličina napona, respektivno, preduzimaju se zaštitne mere. U regulatoru mora postojati sklop koji meri napon na bulk elko. Ako on premaši navedene vrednosti, mora se isključiti PWM sa sva tri polumosta. Motor će u tom slučaju izgubiti pobudu na statoru, prestati da radi kao generator, nastaviti "free run" okretanje do spontanog zaustavljanja uzrokovanog mehaničkim otporima na vretenu i pokretanom objektu. Tj. prestaće kočenje. Napon na bulk elko neće rasti na višu vrednost, već lagano opasti zbog neke kakve-takve potrošnje pomoćnih sklopova ili otprornika za pražnjenje bulk elko (koji su inača obavezni u svakom fr. regulatoru).

-Kod dugotrajnih kočenja sa većom mehaničkom energijom, gde bulk elko ne može primiti tu količinu, tendencija rasta napona na njemu je ka beskonačno velikom naponu. Ako se ne preduzmu potrebne mere, napon će sigurno preći vrednost koja će ugroziti čitavu napravu.
Za dugotrajna kočenja regenerativnom metodom, pravi se zaštitni sklop koji funkcioniše na sledeći način: meri se napon na bulk elko, merni sklop pokreće sedmi IGBT (PWM-om koji je srazmeran premašaju), sedmi IGBT kroz kočioni otpornik neinduktivnog tipa crpe energiju iz bulk elko (zagrevajući ga pri tom). Kočioni otpornik mora biti dimenzionisan tako da može primiti snagu unetu u vreteno motora (sada generatora). Takođe, bez obzira što je kočioni otpornik neinduktivan, mora imati klamp diodu (poput one na namotaju relea), koja će kratkospojiti naponske pikove iz rasipnih induktivnosti vodova i sprečiti probijanje tog sedmog IGBT. Čak i kod primene uređaja koji kočionm otpornikom može trošiti energiju sa DC bus, i dalje je obavezna upotreba zaštitnog sklopa koji će staviti motor u "free run" ako napon DC bus premaši dozvoljenu veličinu. To se radi čak i kod regulatora za liftove (koji inače imaju vrlo predimenzionisanu moć kočenja), jer se ne može znati na koji će se način ponašati fr. reglator u momentu kad pregori, pa se koriste alternativne metode kočenja lifta.

----------------------------------------

Dakle, opšti zaključci su da:

-Se ne možeš osloniti na gubitke u gvožđu i bakru kod regenerativnog kočenja motorom. Oni su premali da bi bili korisni za taj slučaj, i u rangu su gubitaka vezanih za tipični KKD tog motora.

-Uglavnom svu energiju, unetu u vreteno motora pri kočenju, moraš potrošiti na DC bus od izvršnog dela regulatora.

-Elektromotor pobuđen nekom frekvencijom obrtnog polja, ukoliko broj obrtaja rotora premaši brzinu obrtnog polja, ponašaće se kao standardni nadsinhroni generator, sa malenim gubicima u samom motoru, gde oni nisu od bitnog značaja u ovom razmatranju.

-Sinhroni Buck (polumostovi fr. regulatora), se u tom slučaju ponašaju kao sinhroni Boost, gde ulogu radnog kalema ima serijska induktivnost namotaja motora, a ulogu izvora KEMS motora (produkt toga se pojavljuje na DC bus).

-Napon na DC bus će težiti beskonačno velikom, ukoliko nije nekom metodom ograničen (stavljajnjem polumostova u "free run" ili potrošnjom energije sa DC bus, bilo kojom metodom).

-Postoje i frekventni regulatori složenijeg tipa, koji imaju ulazni bidirekcionalni AC/DC konvertor, koji može "višak" energije vratiti sinhrono nazad u mrežu, no oni su veoma skupi i uglavnom su "rezervisani" za vrlo velike snage, naravno i cene.


Nadam se da sam pomogao?

Pozdrav drugar

Pročitah ponovo svoj post.

Našao sam jednu nejasnu rečenicu, koju sam napisao, a trebalo bi je razjasniti.

Radi se o: "Za dugotrajna kočenja regenerativnom metodom, pravi se zaštitni sklop koji funkcioniše na sledeći način: meri se napon na bulk elko, merni sklop pokreće sedmi IGBT (PWM-om koji je srazmeran premašaju), sedmi IGBT kroz kočioni otpornik neinduktivnog tipa crpe energiju iz bulk elko (zagrevajući ga pri tom)."

Ovo "(zagrevajući ga pri tom)" se odnosi na kočioni otpornik, a ne na bulk elko, kako bi se moglo shvatiti.

Nisam baš dobro konstruisao tu rečenicu pa se ovom prilikom ispravljam.

Nego Živadine,

Dugo već radiš na frekventnom regulatoru sopstvene konstrukcije. Nisam pratio tvoje teme pa sam samo radoznao.

Koliko verzija si uradio do sada i kako napreduješ u tome?

Veliki pozdrav drugar

Malo kasnim sa odgovorom...
Hvala Dragoljube na objasnjenju, shvatio sam o cemu ste pricali. Na regulatoru imam otpornik za praznjenje kondenzatora i verovatno mi on i cuva kondenzator. Pokrenuo sam temu jer sa ovim regulatorom upravljam nekim turbinama od 0.3kW koja ima poprilican moment inercije (nisam ga merio :) vec sam turbinu kocio nogom nakog gasenja i stekao kakav takav utisak o tome koju energiju nosi rotor). Naime atomatika gorionika komanduje frekventnom regulatoru sa kojom frekvencijom da pokrece motor. Gorionik ima razne rezime u kojim ventilator radi od nekih 10Hz do 40Hz, a moguc je i prelaz sa 40Hz na 10Hz direktno. Ove prelaze sam softverski resio tako da ne zadajem direktno 10Hz vec da postoji meki prelaz izmedju brzina, a taj prelaz ima odredjeno vreme trajanja, tezio sam da bude kao i u "free run" modu.
Sto se tice regulatora, uradio sam 2 verzije, uradio sam jedan trofazni regulator koristeci IR2110 kao driver-e, i 2 regulatora sa kojima pogonim turbine sam uradio sa integrisanim modulom IRAM za snage motora do 0,75kW. Trenutno treba da zavrsim jedan regulator gde kao driver koristim IR za upravljanje svih 6 mosfeta.
Od softvera sam radio samo skalarno upravljanje (u/f) sa dodatim trecim harmonikom, za tim sam imao potrebu. Planiram na poslednjem regulatoru da radim sa vektorskim upravljanjem, i zbog toga taj regulator pravim kao neku razvojnu plocu. Nisam sada kod kuce, pa nisam kacio nikakve seme...
Jos jednom hvala na pomoci..
Pozdrav

Nema na čemu.

Pošto si već fino "razgazio" svoj proizvod, i planiraš vektorsko upravljanje, onda nije posebno složeno da dodaš dva komparatora i sedmi IGBT.

Sa oba komparatora meriš DC bus. Prvim na malo ispod maksimalnog radnog napona elko(s), prinudno staviš regulator u free-run, a drugim pomoću jednostavne histeretic modulacije napraviš PWM reda nekoliko KHz, pobuđuješ sedmi IGBT, kojim kroz kočioni otpornik prazniš DC bus ako pređe par % iznad najvišeg napona koji bi mogao prirodno poticati od ispravljanja mreže (naravno uzeti u obzir max. mogući mrežni napon, 275Vac).

U suštini za kočioni otpornik ne moraš praviti nikakav pwm. Dovoljno je da komparator za sedmi IGBT bude sa histerezisom (šmit triger). Spori pwm će se spontano formirati. Potpuno nezahtevan sklop.

Iz toga proizilazi da bi kočionu grupu trebalo da počneš da aktiviraš na oko 390VDC, a u free-run staviš ako pređe 400-410V na elko (kod monofazno napajanje mašine), i taj free-run bi bio razlog za alarm, jer bi se mogao dogoditi samo kod veoma ekcesnih situacija ili prekida kočionog otpornika.

Tada će tvoja naprava biti veoma kompletna, poput profi regulatora, i možeš dozvoliti veoma strma kočenja.

Uz put:

Pretpostavljam da već znaš, ali za svaki slučaj, pošto može biti korisno: Postoji čitava paleta DsPic, predisponiranih za rad sa motorima.
Takođe i čitava paleta ARM kontrolera od raznih proizvođača, sa istom namenom.
I jedni i drugi imaju po nekoliko dvostrukih PWM, vrlo brze A/D i vrlo brze OCC komparatore, naravno i DSP jezgro.

Ovi poslednji (ARM) imaju i dosta primera na netu, odnosno imaju veoma snažnu podršku, visoku zastupljenost...

Na primer: čitava razvojna ploča STM32F3-Discovery, košta oko 10,5$ na Digi-Key. Sprava ima Cortex M4 jezgro, 32bitno , specijalnu floating point jedinicu za ultrabrzo matematičenje (FPU), i gomilu vrlo brzih periferija. Baš predisponirana za servo motore ili frekventne regulatore, ili neka SMPS napajanja.
Uz nju ti treba samo jedan USB kabl i nikakav drugi dodatni pribor. U njemu je sve što ti je potrebno:napajanje, programator, debager, mogućnost grafičkog prikaza raznih varijabli...

Evo gde se jedan takav upravo istražuje:http://www.elitesecurity.org/t471626-STMF-KEIL-problem


Drago mi je da si uspeo u svom projektu.


Pozdrav drugar

P.S.

Jedna mala primedbica (nemoj mi zameriti, dobra namera je u pitanju, a najveći broj ljudi nesvesno greši oko toga):

Pominješ često reč "turbina". Dobronamerno ću te ispraviti:

-turbina je radna mašina, koja kretanje fluida pretvara u obrtni moment na svom vratilu.

-kompresor je pravi izraz, jer koristi mehaničku energiju sa svog vratila da bi proizveo kretanje fluida.
U tvom slučaju najverovatnije centrifugalni kompresor.

Ubacicu taj sklo sa kocionim otpornikom, da se sacuvam od stradanja kondenzatora i elektronike...
Sto se tice kontrolera, ove regulatore sam radio sa dsPIC30F2010, a sada radim sa dsPIC33PE64MC502 koji nema FPU, ali svakako radim sa fixed point matematikom. Nabavio sam neke DSP od texas instruments ali sa njima cu tek pocinjati...
Hvala na ispravci, treba uvek biti precizan...Do sad sam ih nazivao ventilatorima, ali mi je jos neko rekao da se radi o visokopritisnoj turbini pa sam usvojio:)
Pozdrav

Nesto ovako to izgleda:
http://www.kupujemprodajem.com...2345-oglas.htm?filter_id=71661