Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 77/2007
1
Krzysztof Bieńkowski, Politechnika Warszawska, Warszawa
Krzysztof Tomczuk, Instytut Elektrotechniki, Warszawa
KSZTAA
TOWANIE CHARAKTERYSTYK MECHANICZNYCH
RELUKTANCYJNEGO SILNIKA PRZEA

CZALNEGO
MECHANICAL CHARACTERISTICS SHAPING OF THE SWITCHED
RELUCTANCE MOTOR
Abstract: The mechanical characteristics of three phase switched reluctance motor were presented in this
paper. The Fractional horsepower motor was supplied from C-dump power converter. The shape of motor
characteristics heavily depends of control parameters  the switching angles of phase to voltage source. The
selection of suitable control parameters makes possible to realise the desirable course of mechanical
characteristics. It is possible to obtain the stiff shape characteristics or yielding adapted to needs of driven
device. Also the efficiency of engine depends from switching angles. The executed researches allows to
conclude, that for each point of mechanical characteristics exists switching angles, to have effect of maximum
efficiency of the engine. The control unit for switched reluctance motors, should to realize the algorithms,
which could select control parameters to rotational speed and load of the motor.
1. Wstęp
Silniki reluktancyjne komutowane elektronicz-
biegun
nie znajdują coraz szersze zastosowania w na-
stojana
pędach o regulowanej prędkości obrotowej.
Reluktancyjne silniki przełączalne (ang.: Swi-
uzwojeni
tched Reluctance Motor  SRM) odznaczają się
a stojana
prostą budową (rys.1.). Stojan i wirnik zbudo-
wane są z pakietów blach elektrotechnicznych
z równomiernie rozłożonymi na obwodzie bie-
gunami wydatnymi. Liczba biegunów, zarówno
stojana jak i wirnika musi być parzysta a po-
jarzmo
nadto liczba biegunów stojana musi się różnić stojana
od liczby biegunów wirnika [1,2,3,6].
biegun
Na biegunach stojana umieszczone są koncen-
wirnik
tryczne cewki. Cewki leżące na przeciwległych
a
biegunach łączone są szeregowo tworząc pasma
Rys. 1. Przekrój poprzeczny trójpasmowego
fazowe. Poszczególne pasma fazowe załączane
silnika SRM
są w odpowiedniej sekwencji do z
ródła napięcia
za pośrednictwem energoelektronicznego kon-
Na rysunku 2. przedstawiono schemat konwer-
wertera energii. Moment obrotowy w silniku
tera z kondensatorem tłumiącym (ang.: C-dump
reluktancyjnym powstaje na skutek zmiany
converter) dla silnika o trzech pasmach fazo-
przewodności magnetycznej, na drodze stru-
wych. Poszczególne pasma (L1  L3) załączane
mienia magnetycznego, wzbudzonego prądami
są kolejno do z
ródła napięcia poprzez tranzy-
płynącymi w pasmach uzwojenia stojana. Ist-
story T1-T3. Po wyłączeniu tranzystora T1 prąd
nieje wiele odmian konwerterów energii stoso-
pasma fazowego nie może zaniknąć natych-
wanych do zasilania silników SRM różniących
miast ze względu na indukcyjność L1, lecz po-
się ilością elementów łączeniowych, układem
przez diodę ładuje kondensator tłumiący Cd .
połączeń oraz zastosowaniem elementów do-
datkowych [2,3,4]. Jako elementy przełączające
w konwerterach najczęściej stosowane są tran-
zystory IGBT lub MOS.
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 77/2007
2
2. Wpływ parametrów sterowania na
charakterystyki mechaniczne silnika
Td L1 L2 L3
Przeprowadzono szereg prób obciążenia trójpa-
C
smowego silnika reluktancyjnego przedstawio-
nego na rysunku 3. o następujących parame-
trach:
Cd
" średnica zewnętrzna stojana 80 mm,
T1 T2 T3
" długość pakietu stojana 100 mm,
" prąd maksymalny pasma fazowego 10 A,
" maksymalny moment statyczny 2 Nm.
Rys. 2. Schemat konwertera mocy z kondensa-
" moc maksymalna 600 W
torem tłumiącym
Silnik zasilano ze z
ródła napięcia stałego 320V
Napięcie na kondensatorze tłumiącym jest kon-
za pośrednictwem konwertera typu C-dump.
trolowane i po przekroczeniu zadanej wartości
Na rysunku 4. przedstawiono rodzinę charakte-
załączany jest tranzystor Td rozładowujący
rystyk mechanicznych dla kątów przyłączenia
kondensator tłumiący. Energia zgromadzona w
od 1,4 do 14 stopni.
kondensatorze tłumiącym jest wykorzystywana
do wzbudzania kolejnego pasma fazowego lub
w pewnych typach konwerterów może być
zwracana do z
ródła napięcia. Charakterystyki
statyczne momentu oraz sposób sterowania
mają decydujący wpływ na właściwości eks-
ploatacyjne napędu z silnikiem SRM. Charakte-
rystyki statyczne momentu są ustalone dla danej
konstrukcji silnika. Można je kształtować przez
odpowiedni dobór parametrów geometrycznych
rdzeni stojana i wirnika oraz dobór materiałów
magnetycznych [7]. Charakterystyki ruchowe
napędu zależą od właściwości danego silnika
oraz od struktury konwertera energii i metod
sterowania jego pracą. Tryb pracy silnika i jego
parametry eksploatacyjne takie jak moment,
Rys. 3. Widok modelu silnika reluktancyjnego
moc i prąd zależą od tego, w jakim położeniu
przełączalnego wykorzystywanego do badań
wirnika pasmo uzwojenia jest dołączane do
1,8
1,4
z
ródła, i w jakim położeniu jest od z
ródła odłą-
2,8
1,6
czane. Do określenia położeń wirnika, w któ-
4,2
1,4
5,6
rych pasma są dołączane i odłączane od z
ródła
7
wygodnie jest wprowadzić pojęcia kąta załą- 1,2
8,4
czenia � i kąta przyłączenia � . Kąt załączenia 1 9,8
11,2
0,8
� określa położenie kątowe wirnika w chwili
14
dołączenia pasma do z
ródła. W zakresie pracy 0,6
silnikowej jest to kąt pomiędzy osią biegunów
0,4
zasilanego pasma, a najbliżej względem niej
0,2
położoną osią biegunów wirnika. Zatem kąt
0
załączenia jest równy zeru w położeniu podłuż- 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
RPM
nym wirnika, któremu odpowiada najmniejsza
reluktancja obwodu magnetycznego. Kąt przy-
Rys. 4. Rodzina charakterystyk mechanicznych
łączenia � określa przedział kątowy obrotu
dla kątów przyłączenia � = 1,4 - 14 �
wirnika, który wyznacza przedział czasu, w któ-
Kat załączenia określony jest zależnością:
rym pasmo jest przyłączone do z
ródła napięcia.
� = � +1.4� (1)
Moment [Nm]
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 77/2007
3
Zwiększanie kąta przyłączenia skutkuje zwięk- cedury sterowania ukierunkowane na zmniej-
szeniem mocy dostarczanej do silnika i w re- szenie pulsacji momentu obrotowego.
zultacie zwiększeniem momentu obrotowego
1,8
dla danej prędkości obrotowej. W silniku trój-
1,6
pasmowym duże pulsacje momentu obrotowego
1,4
utrudniają stabilną pracę przy małych prędko-
1,2
ściach obrotowych. Rysunek 5. przedstawia ro-
dzinę charakterystyk mechanicznych dla stałego 1
kąta przyłączenia � =7� i czterech wartości kąta
0,8
� = 8,4; 9,8; 11.2; 14�
0,6
Zwiększanie kąta załączenia przy stałym kącie
0,4
przyłączenia wydłuża przedział kątowy dema-
0,2
gnetyzacji danego pasma, a zatem osiągana
prędkość kątowa może być większa. 0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Przedstawione charakterystyki mechaniczne
RPM
można określić mianem naturalnych, gdyż
każdy punkt danej charakterystyki uzyskano Rys. 6. Charakterystyka mechaniczna przy
przy stałych wartościach parametrów sterowa- zmiennych wartościach kątów � i �
nia.
3. Zależność sprawności silnika od para-
1,2
metrów sterowania
Sterowanie naturalne ze stałymi wartościami
1
8,4
kątów � i � nie jest efektywną metodą w przy-
9,8
padku napędów o regulowanej prędkości obro-
0,8 11,2
towej. Sprawność silnika osiąga wysokie warto-
14
ści jedynie w wąskim przedziale prędkości ob-
0,6
rotowej (rys. 7.). Praca silnika przy obniżonej
lub podwyższonej prędkości wymaga dobrania
0,4
innych wartości kątów sterujących.
0,2
1,5
sprawność
0
moment
1,2
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
RPM
0,9
Rys. 5. Rodzina charakterystyk mechanicznych
dla kąta przyłączenia � = 7� i katów załączenia
0,6
� = 8,4; 9,8; 11.2; 14�
Na rysunku 6. przedstawiono charakterystykę
0,3
mechaniczną uzyskaną przy zmiennych warto-
ściach kąta przyłączenia � w zakresie 7 - 14�
0
i odpowiednio zmieniających się kątach 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
RPM
załączenia � zgodnie z zależnością (1). W za-
kresie prędkości od 2000 min-1 do 3500 min-1 Rys. 7. Charakterystyka mechaniczna i spraw-
możliwa jest praca silnika przy stałym momen- ność silnika dla stałych wartości kątów � i �
cie obrotowym. Powyżej prędkości 3500 min-1
silnik pracuje z mocą ograniczoną ze względów
Dla każdej prędkości obrotowej i obciążenia
cieplnych. Poniżej prędkości 2000 min-1 przy
silnika momentem obrotowym można znalez
ć
obciążeniu momentem 1 Nm zanotowano duże
wartości kątów sterujących, dla których spraw-
pulsacje momentu utrudniające pomiary mo- ność silnika jest największa. Zależność maksy-
mentu i będące przyczyną nadmiernych drgań.
malnej sprawności od prędkości obrotowej ba-
Przy rozruchu oraz w zakresie małych prędko- danego silnika przedstawiono na rysunku 8.
ści obrotowych należy stosować specjalne pro-
Moment [Nm]
Moment [Nm]
Moment [Nm]
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 77/2007
4
1,2
rujące według założonego kryterium, którym
może być maksymalna sprawność lub mini-
1
malne pulsacje momentu obrotowego.
0,8
5. Literatura
[1]. Byrne et al.: Electrodynamic system comprising
0,6
a variable reluctance machine. US Patent 3956678.
[2]. Miller T. J. E.: Switched reluctance motors and
0,4
their control. Magna Physics Publishing Clarendon
sprawność
Press, Oxford, 1993.
moment
0,2
[3]. Krishan R.: Switched Reluctance Motor Drives.
CRC Press London, 2001.
0
[4]. Vukosavic, S. and V.R. Stefanovic: SRM in-
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
RPM verter topologies: a comparative evaluation. IEEE,
1034 1047, 1991.
Rys. 8. Charakterystyka M=f(n) oraz K
=f(n) dla
[5]. Pollock C., Williams B.W.: Power converter
parametrów sterowania zapewniających mak-
circuits for switched reluctance with the minimum
symalną sprawność silnika
number of switches. IEE Proc., Vol. 137, Pt. B, No.
6, 373 384, 1990.
4. Podsumowanie
[6]. Henneberger, G., I.A. Viorel: Variable Reluc-
Z przedstawionych wyników badań wynika, że
tance Electrical Machines. Shaker Verlag, Aachen,
naturalne charakterystyki mechaniczne silników
2001
reluktancyjnych przełączalnych są bardzo ustę- [7]. Bieńkowski K., Szypior J., Bucki B., Biernat A.,
pliwe, zbliżone w swym przebiegu do charakte- Rogalski A.: Influence of Geometrical Parameters of
Switched Reluctance Motor on Electromagnetic
rystyk szeregowego silnika komutatorowego.
Torque. Procedings of XVI International Conference
Przebieg charakterystyk można zmieniać w sze-
of Electrical Machines - Kraków, 5-8 września 2004,
rokich granicach poprzez zmianę kątów, w któ-
rych pasma fazowe stojana są przyłączane
Autorzy
i odłączane do z
ródła zasilania. Zmiany te reali-
dr inż. Krzysztof Bieńkowski
zowane przez układ sterujący mogą odbywać
Instytut Maszyn Elektrycznych Politechniki
się płynnie w czasie pracy silnika. Silniki re-
Warszawskiej.
luktancyjne przełączalne oprócz prostej kon-
Pl. Politechniki 1 00-661 Warszawa
strukcji dogodnej do małoseryjnej produkcji
[e-mail]
nawet przez drobnych producentów, odznaczają
się wysoką odpornością na uszkodzenia i du-
mgr inż. Krzysztof Tomczuk
żymi możliwościami kształtowania charakte-
Instytut Elektrotechniki
rystyk eksploatacyjnych drogą doboru parame-
ul. Pożaryskiego 28. 04-703 Warszawa
trów sterujących. Do prostych napędów pro-
[e-mail]
jektowanych dla stałej prędkości obrotowej
(pompy, wentylatory) wystarczające będą nie-
Praca naukowa finansowana ze środków Ko-
skomplikowane sterowniki oparte o mikropro-
mitetu Badań Naukowych w latach 2003-2006
cesory powszechnego użytku. Osiągalne
jako projekt badawczy.
sprawności i jednostkowe moce tego typu na-
pędów pozwalają na stwierdzenie, że silniki
reluktancyjne mogą być interesującą alterna-
tywą dla jednofazowych silników indukcyjnych
małej mocy lub silników komutatorowych. W
przypadku napędów o regulowanej prędkości
obrotowej sterowniki silników reluktancyjnych
muszą być odpowiednio bardziej skompliko-
wane. Jednostkę sterującą należy skonstruować
w oparciu o procesor sygnałowy DSP, który
będzie realizował algorytmy sterujące. Algo-
rytm musi dokonać analizy stanu obciążenia
maszyny i dobrać odpowiednie parametry ste-
Moment [Nm]