Badanie silnika synchronicznego z magnesami trwałymi PMSM

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest przebadanie układu napędowego z silnikiem synchronicznym

z magnesami trwałymi PMSM (ang. Permament Magnet Synchronous Motor).

Zakres ćwiczenia obejmuje zapoznanie się z mikroprocesorowym układem sterowania

wektorowego silnika PMSM, wyznaczenie charakterystyk mechanicznych oraz wpływu nastaw

regulatorów na właściwości dynamiczne napędu.

2. Wprowadzenie teoretyczne

Silnik

synchroniczny

PMSM

należy

do rodziny maszyn wzbudzanych magnesami

trwałymi. Od bezszczotkowego silnika prądu

stałego BLDC różni się on rozkładem indukcji pola

magnetycznego w szczelinie powietrznej (rys. 1).

Sinusoidalny rozkład pola prowadzi do uzyskania

sinusoidalnej siły elektromotorycznej rotacji, praca

silnika z maksymalnym momentem wymaga więc

zasilania uzwojeń stojana trójfazowymi prądami

sinusoidalnymi. Widoczne jest podobieństwo

maszyny

bezszczotkowej

z

sinusoidalnym

rozkładem pola do maszyny synchronicznej

o wzbudzeniu elektromagnetycznym. Uzwojenie

stojana (twornika) jest w obu przypadkach

trójfazowe i rozmieszczone w żłobkach, natomiast

znajdujące się w wirniku klasycznej maszyny

synchronicznej uzwojenie wzbudzenia zostało

zastąpione magnesami trwałymi. W odróżnieniu od

silnika BLDC układ sterowania bezszczotkowego

silnika synchronicznego wymaga ciągłego pomiaru

położenia wirnika. Podobieństwo do klasycznej

Rys. 1. Przebiegi czasowe indukcji

maszyny synchronicznej umożliwia wykorzystanie

magnetycznej B, siły elektromotorycznej

w

układzie

sterowania

podobnych

metod,

E oraz prądu I

odpowiednio uwzględniających stały strumień

wzbudzenia pochodzący od magnesów trwałych. Ponieważ sinusoidalna fala prądu w silniku PMSM może być dokładniej wytworzona, w stosunku do prostokątnego przebiegu prądu w silniku

BLDC, osiągany moment elektromagnetyczny ma gładszy przebieg czasowy. Wraz z pozostałymi zaletami umożliwia to zastosowanie silnika synchronicznego z magnesami trwałymi

w serwonapędach o najwyższych wymaganiach dynamicznych i dokładnościowych.

Ogólną strukturę układu zasilania i sterowania silnika PMSM pracującego jako serwonapęd

przedstawia rys. 2. Uzwojenia stojana zasilane jest przez przemiennik częstotliwości z modulacją szerokości impulsów o budowie identycznej z przemiennikami wykorzystywanymi do zasilania silników indukcyjnych i synchronicznych. Różnica polega na tym, że modulator PWM potrzebuje

informacji o aktualnym położeniu wirnika (i jednocześnie wektora strumienia wzbudzenia).

Do pomiaru kąta położenia wirnika wykorzystuje się np. enkoder absolutny, który służy również

do pomiaru prędkości wirnika. Układ sterowania składa się, podobnie jak w innych układach 1

napędowych, z dwóch warstw: podporządkowanej, odpowiedzialnej za sterowanie wielkościami elektromagnetycznymi (momentem elektromagnetycznym i strumieniem skojarzonym stojana) oraz

warstwy nadrzędnej.

Rys. 2 Struktura układu zasilania i sterowania silnika PMSM

Nadrzędna pętla sterowania ma za zadanie regulację prędkości napędu. Sygnałami

wyjściowymi są prądy zadane w osiach q i d. Wartość prądu w osi q wynika z wymaganego momentu elektromagnetycznego i jest ustawiana przez regulator prędkości. Składową prądu w osi d można wpływać na strumień. W zastosowaniach serwonapędowych występuje regulator kąta

położenia wirnika, który wypracowuje wartość zadaną dla regulatora prędkości. Ponieważ aplikacja przemysłowa często zawiera większą liczbę współpracujących napędów, nadrzędny zadajnik kąta położenia podaje żądane wartości kąta dla kilku silników.

Moment elektromagnetyczny maszyny synchronicznej można wyrazić na kilka sposobów

za pomocą wektorów strumienia skojarzonego wirnika i stojana oraz prądu stojana. W związku z tym opracowanych zostało kilka strategii sterowania, różniących się kryteriami optymalizacji statycznej. Cztery najczęściej spotykane strategie to:

1) zachowanie stałego kąta mocy δ = π/2,

2) zachowanie stałego współczynnika mocy cos φ = 1,

3) zachowanie stałej amplitudy strumienia skojarzonego stojana Ψ s = const,

4) maksymalizacja stosunku momentu elektromagnetycznego do amplitudy prądu stojana.

Najczęściej wykorzystywana jest strategia I. Z założenia stałego kąta mocy wynika, że prąd

stojana ma tylko składową w osi q (rys. 3). Wyrażenie na moment elektromagnetyczny przyjmuje wtedy postać:

3

M =

⋅ pΨ I .

e

f

s

2

Przy założeniu stałego strumienia magnesów trwałych otrzymuje się liniową zależność

momentu od amplitudy prądu stojana. Całkowity strumień stojana Ψ s jest sumą strumienia magnesów Ψ f i strumienia wytworzonego przez prąd stojana Ψ i. Na rys. 3 koniec wektora strumienia porusza się po linii kropkowanej. Wymuszając ujemną wartość prądu w osi q można odwzbudzić silnik. Umożliwia to pracę powyżej wartości prędkości znamionowej, kosztem

maksymalnego momentu.

2

Zaletą II strategii sterowania jest to, że

całkowita

moc

pozorna

dostarczana

przez

przekształtnik jest zamieniana na moc czynną

w silniku. W napędach dużych mocy jest to pożądana

j q

właściwość. Wadą tej strategii jest nieliniowo

opadająca charakterystyka momentu wytwarzanego

przez silnik od prądu stojana. W III strategii

isq

utrzymywana jest stała amplituda strumienia stojana.

Moment elektromagnetyczny rośnie w przybliżeniu

liniowo z wzrostem prądu stojana, ale dla takich

samych wartości prądu osiąga mniejsze wartości, niż

Ψ s

δ

w strategii I. IV strategia ma na celu najlepsze

η

Ψ

wykorzystanie silnika i falownika, czyli otrzymanie

i

największego momentu dla danego prądu stojana.

Porównując strategię I z IV otrzymuje się większe

Ψ f

d

wartości momentu (przy tych samych prądach) dla

strategii IV. Różnice są wyraźne tylko dla znacznej

różnicy indukcyjności w osiach d i q. Ponadto układy

regulacji prądów w osiach d i q są ze sobą sprzężone,

co negatywnie odbija się na dynamice napędu.

Niezale

Rys. 3. Położenie wektorów

żnie od przyjętej strategii układy

sterowania ró

strumieni i prądu w I strategii

żnią się sposobem sterowania momentem

elektromagnetycznym i strumieniem magnetycznym.

sterowania δ = π/2

Można je podzielić na dwie podstawowe kategorie:

• Sterowanie z pośrednim wektorowym

sterowaniem prądem stojana,

• Bezpośrednie

sterowanie

momentem

i strumieniem (DTC).

Układy ze sterowaniem wektorowym prądu mają za zadanie regulację prądów fazowych

z zachowaniem właściwej orientacji względem położenia wirnika lub wybranego wektora

strumienia, zależnie od przyjętej strategii. Regulatory służą do zapewnienia odpowiedniej dynamiki prądu i jego sinusoidalnego charakteru. Poszczególne rozwiązania różnią się układem

współrzędnych, w którym dokonuje się regulacji i strukturą regulatora. Schematy przykładowych układów przedstawiają rysunki 4-5. W pierwszym przypadku regulacja prądu odbywa się

w nieruchomym, trójfazowym układzie A,B,C za pomocą dwupołożeniowych, nieliniowych regulatorów. Wartości zadane prądów w osiach d i q muszą zostać najpierw poddane transformacji do nieruchomego układu trójfazowego. W rozwiązaniu przedstawionym na rys. 4 wykorzystano liniowe regulatory typu PI, pracujące w wirującym układzie d,q. Wobec tego również prądy mierzone muszą zostać przetransformowane do tego układu.

3

Rys. 4. Układ wektorowej regulacji prądu z regulatorami histerezowymi

Rys. 5. Układ regulacji serwonapędu z liniowymi regulatorami prądów w osiach d i q

Alternatywnym rozwiązaniem układu regulacji jest metoda bezpośredniego sterowania

momentem i strumieniem. Jak sama nazwa wskazuje nie są w niej wymagane pętle regulacji prądu.

Na podstawie wskazań nieliniowych regulatorów strumienia i momentu oraz aktualnego położenia

wirnika z tabeli przełączeń wybierane są optymalne wektory napięcia zasilającego uzwojenia stojana.

W porównaniu do silnika BLDC silnik PMSM cechuje się lepszymi właściwościami

dynamicznymi i mniejszymi tętnieniami momentu. Główne zastosowanie to serwonapędy

o najwyższych wymaganiach dokładnościowych.

4

3. Opis stanowiska

Ćwiczenie odbywa się na uniwersalnym stanowisku laboratoryjnym, umożliwiającym

badanie silnika bezszczotkowego, zarówno z trapezową (BLDC) jak i z sinusoidalną (PMSM) siłą

elektromotoryczną rotacji. Ponadto na stanowisku znajdują się: silnik prądu stałego i silnik asynchroniczny, które mogą służyć za obciążenie silnika bezszczotkowego. Badany silnik zasilany jest z baterii akumulatorów trakcyjnych poprzez dedykowany przekształtnik energoelektroniczny o strukturze falownika napięcia z modulacją szerokości impulsów. Układ sterowania wektorowego

jest zrealizowany z wykorzystaniem procesora sygnałowego.

4. Przebieg ćwiczenia

Program ćwiczenia obejmuje przebadanie właściwości statycznych i dynamicznych układu

napędowego z silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi. Należy wyznaczyć

charakterystyki mechaniczne n = f (I), zależność momentu elektromagnetycznego w funkcji prądu

stojana M = f (I) oraz 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.

5. Sprawozdanie

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