Sadowy Andrzej

Rzeszów 17. 11. 2009 r.

Pyszczek Przemysław
Stręk Michał
Ptak Tomasz
ET-DI2
L 07

MEMS i mikronapędy

Sprawozdanie z laboratorium nr 3.

Temat: Badanie napędu z silnikiem reluktancyjnym przełączalnym (SRM)

1. Wstęp teoretyczny:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową silnika reluktancyjnego przełączalnego

(SRM) oraz sposobem jego sterowania. W laboratorium zastosowaliśmy sterownik
mikroprocesorowy SRM umożliwiający:

- regulacje napięcia zasilania silnika w zakresie od około 0 do 100% U

dc

,

- regulacje kąta załączenia Ѳ

on

w zakresie od -10° do -2,5° ( co 0,5°),

- regulacje kąta wyłączania Ѳ

off

w zakresie od 30° do 40° (co 0,5°).

2. Schemat układu pomiarowego:

- schemat zastosowanego układu zasilającego (falownika):

- schemat układu połączeń:

3. Tabela pomiarowa:

PWM [%]

n

[rpm/min]

Ѳ

on

[°]

Ѳ

off

[°]

Charakterystyka n=f(PWM) przy Ѳ

on

i Ѳ

off

= const

100

5760

-10

30

95

5460

-10

30

90

5355

-10

30

85

5205

-10

30

80

5050

-10

30

75

4840

-10

30

70

4600

-10

30

60

4030

-10

30

50

3385

-10

30

40

2680

-10

30

30

1830

-10

30

20

1000

-10

30

Charakterystyka n=f(Ѳ

on

) przy PWM i Ѳ

off

= const

Ѳ

on

[°]

n

[rpm/min]

PWM [%]

Ѳ

off

[°]

-10

5760

100

30

-9,5

5545

100

30

-9

5505

100

30

-8,5

5440

100

30

-8

5365

100

30

-7,5

5320

100

30

-7

5270

100

30

-6,5

5200

100

30

-6

5140

100

30

-5,5

5075

100

30

-5

5015

100

30

-4,5

4950

100

30

-4

4890

100

30

-3,5

4805

100

30

-3

4735

100

30

-2,5

4660

100

30

Ѳ

off

[°]

n

[rpm/min]

PWM [%]

Ѳ

on

[°]

Charakterystyka n=f(Ѳ

off

) przy PWM i Ѳ

on

= const

30

6470

100

-2,5

30,5

6500

100

-2,5

31

6505

100

-2,5

31,5

6510

100

-2,5

32

6515

100

-2,5

32,5

6520

100

-2,5

33

6515

100

-2,5

33,5

6500

100

-2,5

34

6495

100

-2,5

34,5

6450

100

-2,5

35

6395

100

-2,5

35,5

6390

100

-2,5

36

6370

100

-2,5

36,5

6310

100

-2,5

37

6225

100

-2,5

37,5

6185

100

-2,5

38

6095

100

-2,5

38,5

6025

100

-2,5

39

5945

100

-2,5

39,5

5870

100

-2,5

40

5780

100

-2,5

4. Wyznaczanie charakterystyk mechanicznych silnika reluktancyjnego:

PWM=100% Ѳ

on

= -6° Ѳ

off

=35° U

dc

=60V

n

[rpm/min]

I [A]

U [V]

I

dc

[A]

P

wy

[W]

P

we

[W]

ω

[rad/s]

TL

[mNm]

ɳ [%]

5735

0,05

23,6

0,76

1,18

45,6

600,57

1,96

2,59

5560

0,1

22,2

0,78

2,22

46,8

582,24

3,81

4,74

5445

0,15

21,2

0,79

3,18

47,4

570,2

5,58

6,71

5325

0,2

20,4

0,8

4,08

48

557,63

7,32

8,50

5105

0,3

18,6

0,84

5,58

50,4

534,59

10,44

11,07

4960

0,4

17,5

0,86

7

51,6

519,41

13,48

13,57

4830

0,5

16,1

0,9

8,05

54

505,8

15,92

14,91

4690

0,6

14,9

0,93

8,94

55,8

491,14

18,20

16,02

4470

0,8

12,7

1

10,16

60

468,1

21,70

16,93

4380

0,9

11,6

1,2

10,44

72

458,67

22,76

14,50

Przykładowe obliczenia:

𝑃

𝑤𝑦

= 𝑈 ∗ 𝐼 = 23,6 ∗ 0,05 =

59
50

= 1,18 [𝑊]

𝑃

𝑤𝑒

= 𝐼

𝑑𝑐

∗ 𝑈

𝑑𝑐

= 0,76 ∗ 60 =

228

5

= 45,6 [𝑊]

𝜔 =

2𝜋 ∗ 𝑛

60𝑠

=

2𝜋 ∗ 5735

60𝑠

=

1147𝜋

6

≈ 600,57 [𝑟𝑎𝑑 𝑠

]

𝑇𝐿 =

𝑃

𝑤𝑦

𝜔

=

1,18

600,57

≈ 1,96 [𝑚𝑁𝑚]

ɳ =

𝑃

𝑤𝑦

𝑃

𝑤𝑒

∗ 100% =

1,18
45,6

∗ 100% ≈ 2,59 [%]

Charakterystyki dla PWM = 100%

- charakterystyka n=f(TL)

- charakterystyka ɳ=f(TL)

-charakterystyka I

dc

=f(TL)

PWM=60% Ѳ

on

= -6° Ѳ

off

=35° U

dc

=60V

n

[rpm/min]

I [A]

U [V]

I

dc

[A]

P

wy

[W]

P

we

[W]

ω

[rad/s]

TL

[mNm]

ɳ [%]

4045

0,05

17,1

0,45

0,855

27

423,59

2,02

3,17

3740

0,2

14,4

0,49

2,88

29,4

391,65

7,35

9,80

3420

0,4

11,9

0,55

4,76

33

358,14

13,29

14,42

3310

0,5

10,8

0,56

5,4

33,6

346,62

15,58

16,07

3205

0,6

9,8

0,59

5,88

35,4

335,63

17,52

16,61

3095

0,7

9

0,61

6,3

36,6

324,11

19,44

17,21

2940

0,9

7,2

0,64

6,48

38,4

307,88

21,05

16,88

2770

1,1

5,6

0,67

6,16

40,2

290,07

21,24

15,32

2715

1,2

4,9

0,69

5,88

41,4

284,31

20,68

14,20

2570

1,5

3

0,72

4,5

43,2

269,13

16,72

10,42

Przykładowe obliczenia:

𝑃

𝑤𝑦

= 𝑈 ∗ 𝐼 = 0,05 ∗ 17,1 =

171
200

= 0,855 [𝑊]

𝑃

𝑤𝑒

= 𝐼

𝑑𝑐

∗ 𝑈

𝑑𝑐

= 0,45 ∗ 60 = 27 [𝑊]

𝜔 =

2𝜋 ∗ 𝑛

60𝑠

=

2𝜋 ∗ 4045

60

≈ 423,59 [𝑟𝑎𝑑 𝑠

]

𝑇𝐿 =

𝑃

𝑤𝑦

𝜔

=

0,855

423,59

≈ 2,02 [𝑚𝑁𝑚]

ɳ =

𝑃

𝑤𝑦

𝑃

𝑤𝑒

∗ 100% =

0,855

27

∗ 100% ≈ 3,17 [%]

Charakterystyki dla PWM = 60%

- charakterystyka n=f(TL)

- charakterystyka ɳ=f(TL)

- charakterystyka I

dc

=f(TL)

Ѳ

on

= -10° PWM=100% Ѳ

off

=35° U

dc

=60V

n

[rpm/min]

I [A]

U [V]

I

dc

[A]

P

wy

[W]

P

we

[W]

ω

[rad/s]

TL

[mNm]

ɳ [%]

5740

0,05

24,2

0,76

1,21

45,6

601,09

2,01

2,65

5510

0,1

22,5

0,77

2,25

46,2

577,01

3,90

4,87

5320

0,2

20,9

0,8

4,18

48

557,11

7,50

8,71

5115

0,3

19,2

0,83

5,76

49,8

535,64

10,75

11,57

4950

0,4

17,8

0,87

7,12

52,2

518,36

13,74

13,64

4835

0,5

16,5

0,9

8,25

54

506,32

16,29

15,28

4585

0,7

13,8

0,96

9,66

57,6

480,14

20,12

16,77

4410

0,9

11,8

1,01

10,62

60,6

461,81

23,00

17,52

4225

1,1

9,5

1,05

10,45

63

442,44

23,62

16,59

4105

1,3

7,7

1,1

10,01

66

429,87

23,29

15,17

Przykładowe obliczenia:

𝑃

𝑤𝑦

= 𝑈 ∗ 𝐼 = 0,05 ∗ 24,2 = 1,21 [𝑊]

𝑃

𝑤𝑒

= 𝐼

𝑑𝑐

∗ 𝑈

𝑑𝑐

= 0,76 ∗ 60 = 45,6 [𝑊]

𝜔 =

2𝜋 ∗ 𝑛

60𝑠

=

2𝜋 ∗ 5740

60𝑠

≈ 601,09 [𝑟𝑎𝑑 𝑠

]

𝑇𝐿 =

𝑃

𝑤𝑦

𝜔

=

1,21

601,09

≈ 2,01 [𝑚𝑁𝑚]

ɳ =

𝑃

𝑤𝑦

𝑃

𝑤𝑒

∗ 100% =

1,21
45,6

∗ 100% ≈ 2,56 [%]

Charakterystyki dla Ѳ

on

= -10°

- charakterystyka n=f(TL)

- charakterystyka ɳ=f(TL)

- charakterystyka I

dc

=f(TL)

Ѳ

on

= -3° PWM=100% Ѳ

off

=35° U

dc

=60V

n

[rpm/min]

I [A]

U [V]

I

dc

[A]

P

wy

[W]

P

we

[W]

ω

[rad/s]

TL

[mNm]

ɳ [%]

4650

0,05

19,8

0,57

0,99

34,2

486,95

2,03

2,89

4545

0,1

18,6

0,6

1,86

36

486,95

3,82

5,17

4400

0,2

17,1

0,63

3,42

37,8

460,77

7,42

9,05

4340

0,3

15,7

0,66

4,71

39,6

454,48

10,36

11,89

4105

0,4

14,3

0,69

5,72

41,4

429,87

13,31

13,82

3985

0,5

13,2

0,72

6,6

43,2

417,31

15,82

15,28

3775

0,7

11,1

0,76

7,77

45,6

395,32

19,65

17,04

3610

0,9

9,1

0,81

8,19

48,6

378,04

21,66

16,85

3450

1,1

7,4

0,83

8,14

49,8

361,28

22,53

16,35

3340

1,3

6

0,88

7,8

52,8

349,76

22,30

14,77

Przykładowe obliczenia:

𝑃

𝑤𝑦

= 𝑈 ∗ 𝐼 = 0,05 ∗ 19,8 = 0,99 [𝑊]

𝑃

𝑤𝑒

= 𝐼

𝑑𝑐

∗ 𝑈

𝑑𝑐

= 0,57 ∗ 60 = 34,2 [𝑊]

𝜔 =

2𝜋 ∗ 𝑛

60𝑠

=

2𝜋 ∗ 4650

60

≈ 486,95 [𝑟𝑎𝑑 𝑠

]

𝑇𝐿 =

𝑃

𝑤𝑦

𝜔

=

0,99

486,95

≈ 2,03 [𝑚𝑁𝑚]

ɳ =

𝑃

𝑤𝑦

𝑃

𝑤𝑒

=

0,99
34,2

≈ 2,89 [%]

Charakterystyki dla Ѳ

on

= -3°

- charakterystyka n=f(TL)

- charakterystyka ɳ=f(TL)

- charakterystyka I

dc

=f(TL)

5. Przebiegi z oscyloskopu:

-przebiegi prądów i napięć silnika dla: PWM=98%, Ѳ

on

= -6°, Ѳ

off

=35°, n=5855 rpm/min.

-przebiegi prądów i napięć silnika dla: PWM=40%, Ѳ

on

= -6°, Ѳ

off

=35°, n=5855 rpm/min.

-przebiegi prądów i napięć silnika dla: PWM=50%, Ѳ

on

= -10°, Ѳ

off

=35°, n=5855 rpm/min.

-przebiegi prądów i napięć silnika dla: PWM=50%, Ѳ

on

= -2,5°, Ѳ

off

=35°, n=5855 rpm/min.

-przebiegi prądów i napięć silnika dla: PWM=50%, Ѳ

on

= -6°, Ѳ

off

=30°, n=5855 rpm/min.

-przebiegi prądów i napięć silnika dla: PWM=50%, Ѳ

on

= -6°, Ѳ

off

=40°, n=5855 rpm/min.

6. Uwagi i wnioski:

W ćwiczeniu tym badaliśmy silnik reluktancyjnym. Analizując charakterystyki i

wyniki otrzymane z pomiarów zauważamy że silniki typu SRM cechują się następującymi
parametrami:

-

moment elektromagnetyczny wytwarzany jest na zasadzie zmiany reluktancji

obwodu magnetycznego,
-

kierunek momentu elektromagnetycznego wytwarzanego przez silnik

reluktancyjny przełączalny nie zależy od kierunku przepływu prądu w uzwojeniach,
-

uzwojenia silnika zasilane są impulsowo poprzez układ energoelektroniczny,

synchronicznie z położeniem wirnika,
-

silniki reluktancyjne pozwalają na osiągnięcie stosunkowo dużych prędkości

obrotowych na wale silnika, charakteryzują się również szerokim zakresem zmian
prędkości

-

prędkość obrotową silnika reluktancyjnego można regulować przez:

 modulacje szerokości impulsów (PWM) załączających pasma.
 odpowiednie dobranie kąta załączenia pasma θ

on

.

 odpowiednie dobranie kąta wyłączenia pasma θ

off

.

-

na oscylogramach przedstawiających przebiegu napięć na poszczególnych

uzwojeniach możemy zauważyć że:

 przy większej wartości współczynnika wypełnienia napięcia zasilającego, prąd

pasma szybciej osiągał wartość maksymalną.

 zmniejszenie wartości współczynnika wypełnienia napięcia zasilającego

pozwala na ograniczenie maksymalnej wartości prądu jaki występuje w
paśmie.

 zmniejszenie wartości kąta załączenia powoduje zwiększenie czasu w

przedziale zasilania pasma.

 zmniejszenie wartości kąta wyłączenia powoduje wydłużenie czasu bez

prądowego uzwojenia.

-

przy dużej wartości współczynnika wypełnienia kluczowe dla wartości
prędkości obrotowej stają się wartości kątów załączenia i wyłączenia.

-

wraz ze wzrostem wartości współczynnika wypełnienia PWM napięcia
zasilającego, wzrasta prędkość obrotowa silnika.

-

zmniejszenie kąta załączenia θ

on

również powoduje wzrost prędkości obrotowej

silnika.

-

zwiększenie współczynnika wypełnienia poprawia właściwości mechaniczne
silnika kosztem większego prądu zasilania.

-

zmniejszenie kąta załączenia i zwiększenie kąta wyłączenia również zwiększa
osiągi silnika.

Analizując wykresy zauważamy pojawiające
się na oscylogramach napięcie ujemne jest ściśle
związane z zastosowanym układem zasilającym.
Kiedy oba tranzystory są w stanie przewodzenia,
wówczas uzwojenie danego pasma zasilane jest
dodatnim napięciem U

DC

(rys. a).W chwili

wyłączenia, prąd i płynie przez diody zwrotne, a
napięcie na uzwojeniach staje się ujemne (rys. b).