Regolazione di un azionamento con motori asincroni doppia stella in configurazione di emergenza: analisi teorica e simulazione
Autore
Cesare Spreafico - Politecnico di Milano - [1998-99]
Documenti
Abstract
INTRODUZIONE
Gli azionamenti asincroni hanno acquistato negli ultimi anni un peso sempre maggiore in ambiti che vanno dalle applicazioni in processi industriali alla trazione elettrica, in virtù delle ben note caratteristiche di robustezza ed economicità del motore e della disponibilità di soluzioni sempre più valide per il controllo in ampiezza e in frequenza dei convertitori, offerte nell’ambito dell’elettronica di potenza.
Per particolari esigenze industriali, che richiedono all’azionamento di pilotare potenze notevoli, la possibilità di utilizzare un solo motore asincrono è legata unicamente alle condizioni limite di impiego del convertitore che lo alimenta. Gli azionamenti asincroni con motore a doppia stella statorica da questo punto di vista rappresentano una valida soluzione al problema di accrescere la potenza di dimensionamento del motore a fronte dei limiti che caratterizzano in tal senso l’invertitore.
L’introduzione del doppio avvolgimento statorico consente infatti la ripartizione del carico su due unità di conversione, ovviando ai limiti di potenza suddetti, a tutto vantaggio di un dimensionamento ottimale del singolo convertitore [1]. Una ulteriore giustificazione ad una scelta di questo tipo risiede nella possibilità di una significativa riduzione del contenuto armonico della coppia nel funzionamento in onda quadra. Gli studi a riguardo, infatti, dimostrano come mediante un opportuno sfasamento spaziale degli avvolgimenti statorici e temporale delle terne di alimentazione, sia possibile una favorevole composizione in tal senso delle forze magneto-motrici al traferro.
Un altro vantaggio legato alla presenza di due inverter, è la possibilità di operare con uno solo di essi, in caso di avaria dell’altro.
Questa situazione, non auspicabile, ma possibile, è quella che gli addetti ai lavori chiamano “funzionamento in emergenza”, e comporta che l’azionamento si trovi nella configurazione di un unico inverter, alimentante una sola stella dei motori.
La necessità di garantire una continuità d’esercizio e quindi minori disagi per l’utente finale, ha portato a pensare alla possibilità di alimentare i motori con un solo inverter con prestazioni chiaramente ridotte. La corrente assorbita dall’azionamento, in mancanza del secondo inverter, deve necessariamente richiudersi attraverso il semifiltro relativo all’inverter guasto, il che tende a caricare il condensatore fintantochè la tensione ai suoi capi uguaglia quella totale di filtro. Ne deriva che l’inverter attivo si trova alimentato a tensione nulla.
L’unico grado di libertà per mantenere la tensione a livelli compatibili con il corretto funzionamento dell’azionamento, è costituito dal chopper di frenatura. Soltanto agendo su di esso si riesce a stabilizzare la tensione di alimentazione dell’inverter.
Si tratta di analizzare una situazione che non trova precedenti negli studi finora fatti in questo campo.
Aspetti innovativi
Il presente lavoro costituisce una valida soluzione al problema del funzionamento in emergenza, con un singolo invertitore. Gli aspetti innovativi sono riassumibili nei seguenti punti:
- studio dei requisiti del controllo in emergenza per la Locomotiva E464;
- analisi del circuito di trazione;
- linearizzazione del sistema e studio delle funzioni di trasferimento in anello aperto;
- analisi della stabilità del circuito di trazione in anello chiuso;
- progettazione di regolatori rispondenti ai requisiti del sistema. Oltre al classico regolatore proporzionale integrale (PI), si è sintetizzato un regolatore denominato “new_reg”, in grado di ottimizzare al massimo le prestazioni statiche e dinamiche del sistema. Accanto a questi due regolatori, si sono analizzate e sviluppate, strategie di regolazione in grado di migliorare ancor più, le prestazioni del sistema. Tali azioni sono: il feedforward, che permette una rapida risposta alle sollecitazioni di carico, e l’anticontrollo, utile per ridurre il contenuto armonico della corrente di linea, ma anche indispensabile per il rispetto della maschera FS quando l’azionamento lavora in DSC_CF. Ciò è quanto è emerso nel successivo punto;
- implementazione delle simulazioni e analisi dei risultati. L’enorme mole di simulazioni che hanno visto, per ciascuna prova, l’uso combinato dei diversi regolatori (solo PI, PI+feedforward, PI+anticontrollo, PI+feedforward+anticontrollo, solo new_reg, new_reg+feedforward, new_reg+anticontrollo, new_reg+feedforward+anticontrollo) hanno fornito importanti informazioni che hanno consentito la sintesi del regolatore che attualmente è implementato nel software di controllo della Locomotiva E464.
- misure in laboratorio di potenza sul convertitore di trazione.
Gli azionamenti asincroni hanno acquistato negli ultimi anni un peso sempre maggiore in ambiti che vanno dalle applicazioni in processi industriali alla trazione elettrica, in virtù delle ben note caratteristiche di robustezza ed economicità del motore e della disponibilità di soluzioni sempre più valide per il controllo in ampiezza e in frequenza dei convertitori, offerte nell’ambito dell’elettronica di potenza.
Per particolari esigenze industriali, che richiedono all’azionamento di pilotare potenze notevoli, la possibilità di utilizzare un solo motore asincrono è legata unicamente alle condizioni limite di impiego del convertitore che lo alimenta. Gli azionamenti asincroni con motore a doppia stella statorica da questo punto di vista rappresentano una valida soluzione al problema di accrescere la potenza di dimensionamento del motore a fronte dei limiti che caratterizzano in tal senso l’invertitore.
L’introduzione del doppio avvolgimento statorico consente infatti la ripartizione del carico su due unità di conversione, ovviando ai limiti di potenza suddetti, a tutto vantaggio di un dimensionamento ottimale del singolo convertitore [1]. Una ulteriore giustificazione ad una scelta di questo tipo risiede nella possibilità di una significativa riduzione del contenuto armonico della coppia nel funzionamento in onda quadra. Gli studi a riguardo, infatti, dimostrano come mediante un opportuno sfasamento spaziale degli avvolgimenti statorici e temporale delle terne di alimentazione, sia possibile una favorevole composizione in tal senso delle forze magneto-motrici al traferro.
Un altro vantaggio legato alla presenza di due inverter, è la possibilità di operare con uno solo di essi, in caso di avaria dell’altro.
Questa situazione, non auspicabile, ma possibile, è quella che gli addetti ai lavori chiamano “funzionamento in emergenza”, e comporta che l’azionamento si trovi nella configurazione di un unico inverter, alimentante una sola stella dei motori.
La necessità di garantire una continuità d’esercizio e quindi minori disagi per l’utente finale, ha portato a pensare alla possibilità di alimentare i motori con un solo inverter con prestazioni chiaramente ridotte. La corrente assorbita dall’azionamento, in mancanza del secondo inverter, deve necessariamente richiudersi attraverso il semifiltro relativo all’inverter guasto, il che tende a caricare il condensatore fintantochè la tensione ai suoi capi uguaglia quella totale di filtro. Ne deriva che l’inverter attivo si trova alimentato a tensione nulla.
L’unico grado di libertà per mantenere la tensione a livelli compatibili con il corretto funzionamento dell’azionamento, è costituito dal chopper di frenatura. Soltanto agendo su di esso si riesce a stabilizzare la tensione di alimentazione dell’inverter.
Si tratta di analizzare una situazione che non trova precedenti negli studi finora fatti in questo campo.
Aspetti innovativi
Il presente lavoro costituisce una valida soluzione al problema del funzionamento in emergenza, con un singolo invertitore. Gli aspetti innovativi sono riassumibili nei seguenti punti:
- studio dei requisiti del controllo in emergenza per la Locomotiva E464;
- analisi del circuito di trazione;
- linearizzazione del sistema e studio delle funzioni di trasferimento in anello aperto;
- analisi della stabilità del circuito di trazione in anello chiuso;
- progettazione di regolatori rispondenti ai requisiti del sistema. Oltre al classico regolatore proporzionale integrale (PI), si è sintetizzato un regolatore denominato “new_reg”, in grado di ottimizzare al massimo le prestazioni statiche e dinamiche del sistema. Accanto a questi due regolatori, si sono analizzate e sviluppate, strategie di regolazione in grado di migliorare ancor più, le prestazioni del sistema. Tali azioni sono: il feedforward, che permette una rapida risposta alle sollecitazioni di carico, e l’anticontrollo, utile per ridurre il contenuto armonico della corrente di linea, ma anche indispensabile per il rispetto della maschera FS quando l’azionamento lavora in DSC_CF. Ciò è quanto è emerso nel successivo punto;
- implementazione delle simulazioni e analisi dei risultati. L’enorme mole di simulazioni che hanno visto, per ciascuna prova, l’uso combinato dei diversi regolatori (solo PI, PI+feedforward, PI+anticontrollo, PI+feedforward+anticontrollo, solo new_reg, new_reg+feedforward, new_reg+anticontrollo, new_reg+feedforward+anticontrollo) hanno fornito importanti informazioni che hanno consentito la sintesi del regolatore che attualmente è implementato nel software di controllo della Locomotiva E464.
- misure in laboratorio di potenza sul convertitore di trazione.
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