Ćwiczenie 4
NAP
D Z SILNIKIEM BEZSZCZOTKOWYM PR
DU STAA
EGO
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 ró\
nymi wariantami sterowania oraz obserwację
przebiegów czasowych wybranych wielkości w stanach dynamicznych.
2. WPROWADZENIE TEORETYCZNE
Silnik bezszczotkowy prądu stałego z
uwagi na konstrukcję nale\
y 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
Rys. 4.1 Budowa silnika bezszczotkowego
rozkładem SEM rotacji, zwane
BLDCM
silnikami bezszczotkowymi
prądu stałego (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)
UDC
IDC
�
d
�e
A
� IC
d
IB
q I
B C
M
q
Rys. 4.2 Analogie między silnikiem prądu stałego z trzema działkami komutatora (a ) a silnikiem
BLDCM (b)
n
i
m
ł
ł
x
a
m
ł
Napęd z silnikiem bezszczotkowym& 3
Rolę wzbudzenia pełnią magnesy trwałe umieszczone w wirniku, natomiast
twornik stanowi uzwojenie stojana rozło\
one w \
łobkach 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
przecią\
alność 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 90o. 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 ka\
dej fazy), tworzące grupy: anodową i katodową. Chwile przełączeń
zaworów muszą być zsynchronizowane z aktualnym poło\
eniem wirnika. Ze względu
a)
b)
Rys. 4.3 Rozkład indukcji magnetycznej B, SEM Rys. 4.4 Przebieg napięcia U i prądu I jednej fazy
rotacji E oraz prądu I w silniku BLDCM 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 poło\
eniu wirnika
z dokładnością do 60o. W tym celu stosuje się hallotronowe czujniki poło\
enia wirnika
(CPW). Na podstawie sygnałów z CPW układ logiczny steruje pracą zaworów
przekształtnika.
Trapezowy kształt siły elektromotorycznej rotacji determinuje kształt prądu, jakim
nale\
y 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 zbli\
ony
do prostokątnego i zale\
y od rodzaju zasilania (z
ródło 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 �0 oraz moment zwarcia Mz. Dowolny punkt na charakterystyce
opisuje następująca zale\
ność:
�ł �ł
M
�ł
� = �0 �"�ł1- �ł
, (4.1)
�ł
M
�ł z łł
gdzie: �  prędkość, M  moment elektromagnetyczny,
Wyró\
niamy 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 mo\
liwość sterowania prędkością za pomocą napięcia przyło\
onego do uzwojeń
stojana.
Napięcie zasilające silnik mo\
na 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 poło\
enia wirnika jest na tyle
du\
a, \
e trudne staje się  nało\
enie dodatkowej wy\
szej 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 � = f(M) (a), wpływ napięcia zasilającego (b)
W zale\
ności od wykorzystania zaworów komutatora stosuje się ró\
ne 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. 4.6b). Innymi rozwiązaniami są: regulacja
napięcia z wykorzystaniem zaworów grupy katodowej (120Q-), regulacja napięcia
w ka\
dym 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 mo\
e 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 sprzę\
enia zwrotnego od prędkości, jednak nie zapewnia
stabilizacji prędkości przy zmianach obcią\
enia 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 poło\
enia wału. W ostatnich latach rozwijane są tak\
e metody sterowania
umo\
liwiające zrezygnowanie z czujnika poło\
enia wirnika (tzw. metody
bezczujnikowe), w których do wyznaczania poło\
enia 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 nale\
ą:
" du\
a niezawodność, długie okresy pomiędzy przeglądami,
" du\
a 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 umo\
liwia zmniejszenie gabarytów silnika,
" du\
a przecią\
alność 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 przecią\
alność, du\
ą 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),
umo\
liwiającym 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 słu\
yć w charakterze obcią\
enia
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 najwa\
niejszą - charakterystykę mechaniczną n = f(M). W ćwiczeniu nale\
y
wyznaczyć następujące charakterystyki:
" dla sterowania w układzie otwartym  regulacja napięcia metodą PWM:
n = f(M), IS = f(M), UBAT = f(M),
" dla sterowania w układzie zamkniętym (praca z nadrzędnym regulatorem
prędkości): D = f(M), IS = f(M), UBAT = f(M), gdzie D - wypełnienie.
W celu uzupełnienia opisu właściwości statycznych nale\
y dla obu przypadków
zarejestrować wybrane przebiegi napięć i prądów silnika.
W celu przebadania właściwości dynamicznych napędu nale\
y zaobserwować
przebiegi prędkości i prądu podczas rozruchu i nawrotu oraz podczas skokowej
zmiany momentu obcią\
enia.
W sprawozdaniu z przeprowadzonego ćwiczenia nale\
y zamieścić wyniki
przeprowadzonych pomiarów (zgodnie z poleceniem prowadzącego, w postaci
tabelarycznej i wykreślnej) oraz otrzymane przebiegi czasowe. Wyniki badań,
np. ró\
nice w odniesieniu do modelu teoretycznego, nale\
y 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