Ćwiczenie 4

NAPĘD Z SILNIKIEM BEZSZCZOTKOWYM PRĄDU STAŁEGO

1.

CEL I ZAKRES ĆWICZENIA

Celem

ćwiczenia

jest

zapoznanie

się

z działaniem

i właściwościami

bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi BLDCM (ang.

Brushless DC Motor).

Zakres ćwiczenia obejmuje wyznaczenie charakterystyk statycznych układu

napędowego pracującego z różnymi wariantami sterowania oraz obserwację

przebiegów czasowych wybranych wielkości w stanach dynamicznych.

2.

WPROWADZENIE TEORETYCZNE

Silnik bezszczotkowy prądu stałego z

uwagi na konstrukcję należy do rodziny

maszyn synchronicznych wzbudzanych

magnesami trwałymi.

Maszyny te dzielą się na dwie grupy:

•

maszyny

o

sinusoidalnym

rozkładzie SEM rotacji, zwane

silnikami

synchronicznymi

z magnesami trwałymi (PMSM),

•

maszyny

z trapezowym

rozkładem SEM rotacji, zwane

silnikami

bezszczotkowymi

prądu stałego (BLDCM).

Rys. 4.1

Budowa silnika bezszczotkowego

BLDCM

Napęd elektryczny

2.1.

Zasada działania silnika BLDCM

Niniejsze ćwiczenie dotyczy silnika drugiego rodzaju. Konstrukcja silnika

bezszczotkowego jest odwrotna w stosunku do klasycznego silnika obcowzbudnego

(rys. 4.1).

a)

b)

B

A

C

U

DC

d

q

q

d

I

C

I

B

I

M

Ψ

e

γ

m

in

γ

γ

m

ax

ω

I

DC

Ψ

Rys. 4.2 Analogie między silnikiem prądu stałego z trzema działkami komutatora (a ) a silnikiem

BLDCM (b)

Napęd z silnikiem bezszczotkowym…

3

Rolę wzbudzenia pełnią magnesy trwałe umieszczone w wirniku, natomiast

twornik stanowi uzwojenie stojana rozłożone w żłobkach i połączone w trójkąt lub

gwiazdę. Umieszczenie w części wirującej maszyny magnesów trwałych zlikwidowało

kłopoty związane z dostarczeniem prądu do wirnika Brak komutatora mechanicznego

prowadzi do szeregu udogodnień: znacznie upraszcza konserwację, zwiększa

przeciążalność momentem, zmniejsza ilość zakłóceń elektromagnetycznych.

Zasada działania silnika BLDCM zostanie opisana przez porównanie do silnika

obcowzbudnego

z trzema

wycinkami

komutatora

(rys. 4.2).

Moment

elektromagnetyczny jest iloczynem wektorowym strumienia magnetycznego i prądu

twornika, stąd maksymalny moment powstaje, gdy kąt pomiędzy wektorami

strumienia i prądu wynosi 90

o

. W silniku obcowzbudnym ustawienie to zapewnia

komutator (rys. 4.2a ).

Odpowiednie przesunięcie między strumieniem a prądem zapewnione jest

w silniku bezszczotkowym (rys. 4.2b) przez odpowiednie zasilenie uzwojenia stojana.

W tym celu stosuje się przekształtnik energoelektroniczny, zwany komutatorem

elektronicznym, którego zadaniem jest przełączanie napięcia stałego pomiędzy

uzwojeniami. Zawsze zasilane są dwa uzwojenia, trzecie pozostaje odłączone.

W wersji podstawowej struktura przekształtnika zawiera trzy półmostki tranzystorowe

(po jednym dla każdej fazy), tworzące grupy: anodową i katodową. Chwile przełączeń

zaworów muszą być zsynchronizowane z aktualnym położeniem wirnika. Ze względu

a)

b)

Rys. 4.3 Rozkład indukcji magnetycznej B, SEM

rotacji E oraz prądu I w silniku BLDCM

Rys. 4.4 Przebieg napięcia U i prądu I jednej fazy

stojana w przypadku zasilania z falownika prądu (a)

lub z falownika napięcia z modulacją MSI (b)

Napęd elektryczny

na trapezowy rozkład SEM rotacji wystarczająca jest informacja o położeniu wirnika

z dokładnością do 60

o

. W tym celu stosuje się hallotronowe czujniki położenia wirnika

(CPW). Na podstawie sygnałów z CPW układ logiczny steruje pracą zaworów

przekształtnika.

Trapezowy kształt siły elektromotorycznej rotacji determinuje kształt prądu, jakim

należy zasilić uzwojenia stojana. Aby uzyskać największy i najbardziej wygładzony

przebieg momentu, prądy fazowe powinny mieć kształt prostokątny i nakładać się

na płaskie obszary SEM rotacji (rys. 4.3). W rzeczywistości kształt prądu jest zbliżony

do prostokątnego i zależy od rodzaju zasilania (źródło prądu lub falownik napięcia

MSI – rys. 4.4).

2.2.

Sterowanie prędkością silnika BLDCM

Właściwości ruchowe silnika BLDCM określa charakterystyka zewnętrzna

(moment w funkcji prędkości – rys. 4.5.). Podobnie jak w klasycznym silniku prądu

stałego jest ona prostoliniowa. Początek i koniec określają odpowiednio: prędkość

biegu jałowego ω

0

oraz moment zwarcia M

z

. Dowolny punkt na charakterystyce

opisuje następująca zależność:













−

⋅

=

z

0

1

M

M

ω

ω

,

(4.1)

gdzie: ω – prędkość, M – moment elektromagnetyczny,

Wyróżniamy dwa obszary pracy: obszar pracy długotrwałej oraz obszar pracy

krótkotrwałej. Charakterystyka elektromechaniczna (zaznaczona czerwoną przerywaną

linią na rysunku 4.5) stanowi granicę obszaru pracy długotrwałej. Rysunek 4.5b

przedstawia wpływ napięcia zasilającego na charakterystykę zewnętrzną. Widoczna

jest możliwość sterowania prędkością za pomocą napięcia przyłożonego do uzwojeń

stojana.

Napięcie zasilające silnik można regulować na dwa podstawowe sposoby:

za pomocą dodatkowego przekształtnika DC/DC i z komutatorem elektronicznym

w topologii falownika prądu, lub poprzez modulację szerokości impulsów MSI

zaworami komutatora elektronicznego w topologii falownika napięcia FN-MSI.

Regulację poprzez dodatkowy przekształtnik DC/DC stosuje się głównie w układach

bardzo małej mocy oraz w przypadku zasilania silników BLDCM wysokoobrotowych,

w których częstotliwość przełączeń wynikająca ze zmian położenia wirnika jest na tyle

duża, że trudne staje się „nałożenie” dodatkowej wyższej częstotliwości związanej

z potrzebą modulacji szerokości impulsów napięcia zasilającego silnik. W drugim

Napęd z silnikiem bezszczotkowym…

5

rozwiązaniu komutator pełni dwie funkcje: synchronizacji z polem wirnika i regulacji

napięcia wyjściowego (i wynikającej z tego prędkości obrotowej).

a)

b)

Rys. 4.5 Charakterystyka zewnętrzna ω = f(M) (a), wpływ napięcia zasilającego (b)

W zależności od wykorzystania zaworów komutatora stosuje się różne odmiany

sterowania wykorzystujące modulację szerokości impulsów. Rysunek 6 przedstawia

dwa przykładowe rozwiązania: realizację procesu modulacji jedynie w tranzystorach

grupy anodowej (strategia typu 120Q+, rys. 4.6a) oraz realizację modulacji

z wykorzystaniem

wszystkich

tranzystorów

przez

pierwszą

połowę

czasu

przewodzenia (strategia typu 60Q+, rys.

4

.

6

b). Innymi rozwiązaniami są: regulacja

napięcia z wykorzystaniem zaworów grupy katodowej (120Q-), regulacja napięcia

w każdym z tranzystorów przez drugą połowę ich czasu przewodzenia (60Q-) lub

z wykorzystaniem wszystkich tranzystorów z modulacją realizowaną w całym okresie

ich przewodzenia (sterowanie bipolarne).

a)

b)

Rys. 4.6 Sygnały sterujące tranzystorami podczas regulacji prędkości metodą 120Q+ (a)

oraz 60Q+ (b)

Napęd elektryczny

Schemat

układu

napędowego

z silnikiem

bezszczotkowym

BLDCM

przedstawiono na rysunku 4.7. Regulacja prędkości może odbywać się w układzie

otwartym (zmiana napięcia za pomocą zmiany wypełnienia sygnałów sterujących

tranzystorami) lub zamkniętym (struktura kaskadowa z wewnętrznym regulatorem

prądu silnika i zewnętrznym regulatorem prędkości). Pierwsze rozwiązanie nie

wymaga stosowania sprzężenia zwrotnego od prędkości, jednak nie zapewnia

stabilizacji prędkości przy zmianach obciążenia silnika. W przypadku układu

zamkniętego konieczna jest informacja o prędkości obrotowej z dodatkowego czujnika

prędkości (np. enkodera) lub odtworzenie prędkości z sygnału z hallotronowego

czujnika położenia wału. W ostatnich latach rozwijane są także metody sterowania

umożliwiające

zrezygnowanie

z czujnika

położenia

wirnika

(tzw. metody

bezczujnikowe), w których do wyznaczania położenia i prędkości wykorzystuje się

inne sygnały (np. napięcia i prądy).

Rys. 4.7

Schemat blokowy układu napędowego z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego BLDCM

Podsumowując, do zalet silnika bezszczotkowego prądu stałego należą:

•

duża niezawodność, długie okresy pomiędzy przeglądami,

•

duża dynamika – mała bezwładność wirnika z magnesami trwałymi,

•

sztywna charakterystyka moment-prędkość,

Napęd z silnikiem bezszczotkowym…

7

•

małe zakłócenia elektromagnetyczne – brak iskrzenia na styku szczotka-

komutator,

•

dobry stosunek mocy do objętości – konieczność odprowadzania ciepła

tylko ze stojana umożliwia zmniejszenie gabarytów silnika,

•

duża przeciążalność momentem.

Do wad zalicza się:

•

konieczność stosowania przekształtnika energoelektronicznego,

•

tętnienia momentu, wynikające głównie ze zjawiska komutacji,

•

gorsze

właściwości

podczas

pracy

z najmniejszymi

prędkościami

(w porównaniu do maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi).

Silniki BLDCM znajdują zastosowanie np. w napędach trakcyjnych ze względu

na stosunkowo wysoką przeciążalność, dużą objętościową i masową gęstość mocy.

Zakres mocy obejmuje wartości od kilku watów do dziesiątek kilowatów.

3.

STANOWISKO LABORATORYJNE

Ćwiczenie odbywa się na uniwersalnym stanowisku laboratoryjnym (rys. 4.8),

umożliwiającym badanie silnika bezszczotkowego zarówno z trapezową (BLDCM),

jak i z sinusoidalną (PMSM) SEM rotacji. Ponadto na stanowisku znajdują się: silnik

prądu stałego i silnik asynchroniczny, które mogą służyć w charakterze obciążenia

silnika bezszczotkowego. Badany silnik zasilany jest z baterii akumulatorów

trakcyjnych poprzez dedykowany przekształtnik energoelektroniczny (komutator

elektroniczny).

Rys. 4.8 Schemat układu laboratoryjnego

Napęd elektryczny

4.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

Program

ćwiczenia

obejmuje

przebadanie

właściwości

statycznych

i dynamicznych układu napędowego z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego.

Właściwości statyczne określone są grupą odpowiednich charakterystyk, wliczając

w to najważniejszą - charakterystykę mechaniczną n = f(M). W ćwiczeniu należy

wyznaczyć następujące charakterystyki:

•

dla sterowania w układzie otwartym – regulacja napięcia metodą PWM:

n = f(M), I

S

= f(M), U

BAT

= f(M),

•

dla sterowania w układzie zamkniętym (praca z nadrzędnym regulatorem

prędkości): D = f(M), I

S

= f(M), U

BAT

= f(M), gdzie D - wypełnienie.

W celu uzupełnienia opisu właściwości statycznych należy dla obu przypadków

zarejestrować wybrane przebiegi napięć i prądów silnika.

W celu przebadania właściwości dynamicznych napędu należy zaobserwować

przebiegi prędkości i prądu podczas rozruchu i nawrotu oraz podczas skokowej

zmiany momentu obciążenia.

W sprawozdaniu z przeprowadzonego ćwiczenia należy zamieścić wyniki

przeprowadzonych pomiarów (zgodnie z poleceniem prowadzącego, w postaci

tabelarycznej i wykreślnej) oraz otrzymane przebiegi czasowe. Wyniki badań,

np. różnice w odniesieniu do modelu teoretycznego, należy skomentować we

wnioskach.

5.

LITERATURA

1.

Dote Y., Kinoshita S.: Brushless Servomotors, Fundamental and Applications,

Clarendon Press, Oxford, 1990

2.

Glinka T.: Mikromaszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi,

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1995.

3.

Miller T.J.E.: Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives,

Clarendon Press, Oxford, 1989.

4.

Krishnan R.: Electric Motor Drives, Modeling, Analysis and Control, Prentice

Hall, New Jersey, 2001.

5.

Zawirski K.: Sterowanie silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych,

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2005