plik


ÿþZeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 76/2007 29 Andrzej Wnuk DANFOSS Sp. z o.o. Napdy Elektryczne, Grodzisk Mazowiecki PRZETWORNICE CZSTOTLIWOZCI DO NAPDU SILNIKÓW Z MAGNESAMI TRWAAYMI FREQUENCY CONVERTERS FOR DRIVING OF THE BRUSHLESS PERMA- NENT MAGNET MOTORS Abstract: The Brushless Permanent Magnet motors (PM motors) have been developing very dynamicly over the last few years due to technological development. Thanks to their high dynamic performances PM motors tend to be used in many applications where the fast torque response is a key issue. In order to take full advan- tage of the potential of PM motors we need a drive which is able to offer a suitable control algorithm. This article presents fundamentals of PM motors and shows that some new converters offer control methods which makes use of the special futures of Permanent Magnet motors. 1. Budowa i rodzaje silników z magne- sami trwaBymi Zasada dziaBania silnika AC z magnesami bezszczotkowe silniki synchroniczne o trape- trwaBymi PM (skrót od Permanent Magnet mo- zoidalnym ksztaBcie siBy SEM tor) w swojej istocie nie ró|ni si od zasady bezszczotkowe silniki synchroniczne o sinu- dziaBania silnika synchronicznego. GBówna ró|- soidalnym ksztaBcie siBy SEM, zwane w lite- nica midzy tymi typami silników polega na raturze sinusoidalnymi silnikami synchro- tym, |e w silniku PM pole magnetyczne wir- nicznymi z magnesami trwaBymi PM (Perma- nika wytwarzaj magnesy trwaBe. Takie rozwi- nent Magnet Synchronous Motor) zanie wyeliminowaBo konieczno[ stosowania Cech charakterystyczn silników o trapezo- na wirniku uzwojenia wzbudzenia i pier[cieni idalnym ksztaBcie siBy SEM jest du|a szczelina [lizgowych, które istniaBy w klasycznym silniku powietrzna. Uzwojenia stojana posiadaj dziki synchronicznym. temu bardzo maB indukcyjno[. Niska induk- cyjno[ uzwojeD twornika to maBa staBa elek- tromechaniczna, co powoduje, |e prdy twor- nika mog si zmienia szybko. Magnesy s za- zwyczaj przyklejone do powierzchni wirnika oraz posiadaj maBa mas, co znaczco obni|a moment bezwBadno[ci wirnika. Silniki z sinusoidaln siB SEM posiadaj Klasyczny Silnik PM z magnesami maB szczelin powietrzn. Uzwojenia stojana silnik synchroniczny trwaBymi otoczone s |elazem, przez co ich indukcyjno[ jest du|o wiksza ni| w przypadku silników o Rys. 1. Budowa klasycznego silnika synchro- trapezoidalnym przebiegu SEM. Równie| mo- nicznego ze oraz silnika ze wzbudzeniem ma- ment bezwBadno[ci wirnika tych silników jest wikszy ni| silników o trapezoidalnym ksztaB- gnesami trwaBymi cie siBy SEM. Dlatego te| powstaBy w ten sposób silnik na- Zalety silników z magnesami trwaBymi: zywa si bezszczotkow maszyn prdu prze- wysoka sprawno[ silnika  brak uzwojenia miennego (a Brushless Motor). Wirujce pole wzbudzenia na wirniku, a dziki temu brak magnetyczne wytwarzane przez magnesy strat w miedzi w tym uzwojeniu trwaBe, wzbudza w uzwojeniu stojana siB brak komutatora mechanicznego a tym sa- elektromotoryczn SEM. Ze wzgldu na jej mym problemów zwizanych z jego konser- przebieg czasowy rozró|niamy nastpujce ro- wacj dzaje silników z magnesami trwaBymi: Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 76/2007 30 wysokie parametry dynamiczne  maBy mo- Kt ´ pomidzy wektorem prdu stojana, a ment bezwBadno[ci wirnika i maBa indukcyj- wektorem strumienia jest nazywanym ktem no[ uzwojeD stojana obci|enia. Od jego warto[ci zale|y wielko[ liniowa charakterystyka mechaniczna - li- momentu, który rozwija silnik  im wikszy kt niowa zale|no[ momentu od prdu stojana ´ tym wiksza skBadowa Isq i tym samym silnik du|a przeci|alno[ momentem wytwarza wikszy moment przy danym prdzie Silniki PM obarczone s te| wadami: stojana. Podczas biegu jaBowego kt obci|enia wysoki koszt wykonania ´=0. UkBad wspóBrzdnych d-q jest zwizany z wra|liwo[ materiaBów magnetycznych na wirujcym wektorem strumienia ¨m, a tym sa- wpByw temperatury mym z wirujcym wirnikiem, gdy| w silniku prdy stojana dziaBaj rozmagnesowujco na PM strumieD jest wytwarzany przez magnesy magnesy umieszczone na wirniku. Po prze- trwaBe znajdujce si na wirniku. UkBad kroczeniu maksymalnego prdu stojana mo|e wspóBrzdnych d-q wiruje z prdko[ci Ér doj[ do trwaBego rozmagnesowania wirnika wzgldem nieruchomego ukBadu wspóBrzd- magnesy przyklejone do wirnika nara|one s nych ±-² zwizanego ze stojanem. Kt µ jest na dziaBanie du|ych siB odrywajcych ktem poBo|enia wirnika w ukBadzie wspóB- Oba opisane rodzaje silników wymagaj innych rzdnych ±-². StrumieD w silniku PM pochodzi koncepcji sterowania. od magnesów trwaBych umieszczonych na wir- Niektóre przetwornice czstotliwo[ci nowej ge- niku, na który oddziaBuje prd stojana. Oddzia- neracji dedykowane do silników klatkowych Bywanie wektora prdu stojana mo|e mie cha- wspóBpracuj z silnikami synchronicznym PM z rakter domagnesowujcy lub rozmagnesowu- sinusoidaln siB SEM, gdy| do ich sterowania jcy, zale|nie od wielko[ci kta obci|enia ´. jest wykorzystywany bardzo podobny algorytm Moment obci|enia we wspóBrzdnych d-q jak do silników klatkowych  sterowanie po- zwizanych ze stojanem wyra|a si wzorem lowo-zorientowane. M=¨m * Isq (1) 2. Zasada sterowania silnikiem PM Optymalne sterowanie silnika otrzymujemy Optymaln metod sterowania silników PM jest wówczas, gdy kt obci|enia ´= /2. Wówczas metoda polowo  zorientowana. Podstaw algo- prd stojana jest wykorzystany optymalnie  rytmu takiego sterowania jest reprezentacja otrzymujemy najwikszy mo|liwy moment wektora prdu stojana w ukBadzie wspóBrzd- przy danym prdzie stojana. SkBadowa Isd jest nych d-q zwizanych z wirujcym wektorem wówczas równa 0, czyli brak jest oddziaBywa- strumienia ¨m (ukBad wspóBrzdnych d-q wi- nia prdu stojana na pole wirnika. Realizujc ruje synchronicznie z wektorem ¨m). Wektor sterowanie z zachowaniem kta obci|enia prdu rozkBada si wówczas na dwie skBadowe: ´= /2 (Isd=0), otrzymujemy w wyniku silnik o Isd  skBadowa prdu oddziaBywujca na wy- wBa[ciwo[ciach zbli|onych do obcowzbudnej padkowy strumieD w silniku PM maszyny prdu staBego  moment silnika PM Isq  skBadowa prostopadBa do strumienia, jest wówczas wprost proporcjonalny do prdu tworzca moment w silniku PM stojana. Wa|nym pojciem zwizanym z silni- kami synchronicznymi PM jest wspomniana ju| siBa elektromotoryczna SEM indukowana w uzwojeniu stojana przez pole wirnika. Jest ona wprost proporcjonalna do wielko[ci strumienia ¨m oraz do prdko[ci ktowej É i wyra|a si wzorem Usem=jÉ * ¨m (2) Podczas pracy ustalonej w zakresie do prdko- [ci znamionowej, strumieD ¨m jest utrzymy- wany na staBym poziomie, wymaganym do Rys. 2. Wzajemne poBo|enie wektora prdu Is, wytworzenia nominalnego momentu. jego skBadowych Isd, Isq oraz wektora strumie- Obni|enie warto[ci strumienia jest konieczne nia w ukBadzie wspóBrzdnych d-q zwizanych z jedynie wówczas, gdy zamierzamy pracowa z wirnikiem Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 76/2007 31 prdko[ciami powy|ej prdko[ci nominalnej. Nad wektorem strumienia w silniku (kontrola moduBu i fazy) czuwa zawansowany algorytm Nale|y wówczas zwikszy kt obci|enia ´ polowo-zorientowany oznaczony na rysunku powy|ej  /2. Pojawia si wtedy ujemna skBa- blokiem Model Flux, skd pochodzi nazwa tego dowa Isd, osBabiajca pole ¨m od magnesów algorytmu  algorytm FLUX. Sterowanie tran- trwaBych. W zakresie powy|ej prdko[ci nomi- zystorami IGBT w falowniku jest zrealizowane nalnej silnik pracuje w zakresie obni|onego na bazie modulacji wektora przestrzennego, strumienia, a Usem zachowuje staB warto[. która jest o wiele korzystniejsza ni| stosowana 3. Praktyczna realizacja sterowania sil- wcze[niej modulacja PWM (wiksza sprawno[ nikiem PM falownika oraz wiksza maks. Warto[ pierwszej harmonicznej napicia na silniku Niektóre wspóBczesne przetwornice czstotli- mo|liwa do uzyskania z napicia obwodu DC wo[ci maj zaimplementowan struktur stero- przetwornicy). Istota modulacji wektorowej jest wania dla silników z magnesami trwaBymi PM przedstawiona w literaturze [3]. przedstawion na Rys. 3. Bazuje ona na przed- stawionej poprzednio koncepcji sterowania po- 4. Zasady parametryzacji przetwornic do lowo  zorientowanego Pomiar pozycji waBu wspóBpracy z silnikiem z magnesami silnika nastpuje dziki czujnikowi prdko[ci trwaBymi PM (enkoder, rewolwer), zainstalowanemu bezpo- Przed rozpoczciem parametryzacji musimy [rednio na wale silnika. Mo|liwa jest te| me- zapozna si ze szczegóBowymi danymi silnika toda sterowania bezczujnikowa, zrealizowana w PM, takimi jak: otwartej ptli sterowania prdko[ci. Ponadto prd nominalny mierzone s trzy prdy wyj[ciowe przetwor- czstotliwo[ nominalna nicy. Na podstawie tych pomiarów blok trans- moment znamionowy silnika formacji wspóBrzdnych a-b/d-q wylicza skBa- rezystancja stojana dowe prdu Id i Iq (w ukBadzie wspóBrzdnych indukcyjno[ stojana w osi d d-q zwizanych z wirujcym wektorem pola) liczba biegunów silnika konieczne do realizacji omówionej poprzednio warto[ siBy SEM indukowanej w stojanie metody polowo-zorientowanej. przez wirujce pole przy prdko[ci 1000rpm, = ( ) ( ) 3~ ( ) Ér,ref Regulator Sterowanie Ér prdko[ci inwerterem Enkode d,q r Us q,ref Is q,ref Regulator Us d,ref prdu Is d,ref a,b Blok Imr,ref Regulator Istator1-3 osBabiania strumienia S strumienia kty d,q Is d 2 Model Imr Flux Is q 3 a,b Pozycja Pomiar prdko[ci i pozycji Rys. 3. PrzykBadowa struktura sterowania zastosowana w badanej przetwornicy czstotliwo[ci Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 76/2007 32 maksymalna warto[ prdu silnika 5.1. Obci|anie silnika momentem statycz- maksymalny moment silnika nym Próby przeprowadzono dla kilku prdko[ci ob- Po wpisaniu do parametrów przetwornicy w/w rotowych silnika, zaczynajc od 40rpm a koD- danych silnika, specyfikujemy dodatkowo, jaki czc na 4000rpm, jak przedstawia poni|szy rodzaj czujnika zostaB wybrany do pomiaru wykres. Dla ka|dej prdko[ci zwikszano mo- prdko[ci/poBo|enia waBu silnika, je|eli zdecy- ment obci|enia a| do warto[ci prdko[ci no- dowali[my si na zamknit ptl regulacji ze minalnej (3000obr/min). Przy prdko[ciach ob- sprz|eniem prdko[ciowym. Zazwyczaj ist- rotowych poni|ej prdko[ci nominalnej byBo nieje mo|liwo[ wspóBpracy z nastpujcymi mo|liwe obci|enie silnika a| do momentu czujnikami: znamionowego  9,6Nm w zakresie zarówno enkoder 5V pracy silnikowej jak i generatorowej. Powy|ej enkoder SinCos z protokoBem HIPERFACE prdko[ci nominalnej silnik pracuje w zakresie enkoder SinCos z protokoBem Endat osBabionego strumienia, dlatego te| nie byBo enkoder SinCos z protokoBem SSI mo|liwe obci|anie silnika peBnym momentem resolver znamionowym. Widoczne na rysunku maksy- Najwa|niejszym krokiem przy parametryzacji malne warto[ci momentu w tym zakresie s przetwornicy jest kalibracja poBo|enia wirnika, ni|sze od warto[ci nominalnej. polegajca na zdefiniowaniu tzw. kta poBo|e- nia zerowego. Czujnik poBo|enia waBu dostar- cza informacji o jego bezwzgldnym kcie po- Bo|enia. Dla algorytmu sterowania jest istotne, aby czujnik podawaB warto[ kta poBo|enia wirnika równ 0°, gdy wirnik przyjmie pozycj zgodn z pozycj pola wytworzonego przez uzwojenie stojana zasilone napiciem DC. Wymuszenie DC mo|emy uzyska bezpo[red- nio z przetwornicy lub z zewntrznego zasila- cza DC doBczonego do faz silnika. Po wymu- szeniu staBego pola magnetycznego wirnik mo|e obróci si lekko i ustawi w poBo|enie zgodne z kierunkiem pola wytworzonego przez uzwojenia stojana. Bez takiej kalibracji nie jest mo|liwa poprawna wspóBpraca przetwornicy z silnikiem PM. Rys. 4. Obci|anie silnika 3,0kW momentem 5. Wyniki prób obci|ania silnika syn- statycznym przy ró|nych prdko[ciach wirnika chronicznego PM w stanach statycznych Wykres pokazuje wyraznie, |e wirnik zacho- i dynamicznych wuje zadan prdko[ci przy zmieniajcym si Badan przetwornic czstotliwo[ci wyposa- momencie obci|enia. |ono w opcj sprz|enia zwrotnego, aby byBa 5.2. Wymuszanie momentu dynamicznego mo|liwa praca napdu w ptli zamknitej z podczas rozpdzania i hamowania prdko[ciowym sprz|eniem zwrotnym za po- [rednictwem enkodera typu sin/cos. Nastpnie Silnik o mocy 3,6kW zostaB obci|ony mo- dokonano parametryzacji przetwornicy, podajc mentem bezwBadno[ci 0,0036586kgm. Badana dane znamionowe silnika oraz wykonano przetwornica zostaBa wyposa|ona w moduB ha- wszystkie kroki, opisane w pkt. 4. Próby sta- mulca (choper + rezystor), aby byBo mo|liwe tyczne wykonano na silniku z magnesami zatrzymanie silnika w krótkim czasie (w odnie- trwaBymi o mocy 3,0kW, o prdko[ci znamio- sieniu do istniejcego na wale momentu bez- nowej 3000obr/min i prdzie nominalnym wBadno[ci). Test dynamiczny polegaB na rozp- 10,7A. dzeniu do prdko[ci nominalnej (3000obr/min) silnika obci|onego jedynie w/w momentem bezwBadno[ci oraz na wyhamowaniu silnika do Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 76/2007 33 prdko[ci 0rpm. Czas rozpdzania jak i hamo- Poniewa| przetwornica dysponowaBa odpo- wania wynosiB 0,11sec. wiedni wydajno[ci prdow, silnik rozwinB moment dynamiczny (ok. 10Nm) wystarcza- jcy, aby rozpdzi si od 0rpm do 3000rpm w czasie zgodnym z ustawionym czasem ramp-up, czyli w cigu 0,11sec, co [wiadczy o wysokiej dynamice silnika PM sterowanego badan przetwornic. Potwierdzeniem szybkiej w/w przetwornicy jest te| zarejestrowany bardzo krótki czas wytworzenia momentu przez prze- twornic  moment narastaB od warto[ci 0Nm do warto[ nonimalnej w czasie do 15ms. Rys. 6. przedstawia prób dynamiczn prze- prowadzon z silnikiem obci|onym okrgBym dyskiem o momencie bezwBadno[ci 0,052kgm. Masa dysku 7kg, [rednica ok. 24,5cm. Silnik rozpdzano równie| do 3000obr/min. Prób przeprowadzono tym razem z silnikiem Rys. 5. Moment dynamiczny podczas rozpdza- PM o mocy 503W o nastpujcych danych: nia silnika PM o mocy 3,6kW sterowanego z badanej przetwornicy. Czas rozpdzania od prdko[ci 0  3000rpm wynosiB 0,11s. Ustawiony w parametrach przetwornicy czas mentu, do 2,3 sec, co przedstawia Rys. 6. Reje- rozpdzania (ramp-up) i hamowania (ramp- stracji dokonano programem narzdziowym, down) wynosiB równie| 0,11s. Poniewa| mo- który umo|liwia parametryzacj przetwornic ment bezwBadno[ci dysku (0,052kgm²) byB po- czstotliwo[ci oraz rejestracj przebiegów cza- sowych wybranych wielko[ci fizycznych. nad 2 rzdy wikszy od momentu bezwBadno[ci Prd silnika [A] Moment silnika [Nm] Prdko[ [%] wirnika, (0,00014 kgm²), dlatego te| cykl roz- 12,00 pdzania przebiegaB z ograniczeniem momentu 10,00 o warto[ci zgodnej z nastawami w przetwornicy 8,00 czstotliwo[ci, w tym przypadku 440% mo- 6,00 4,00 mentu nominalnego silnika, co wynosiBo 2,00 1,6Nm*4,4=7,1Nm. Podczas hamowania wy- 0,00 -2,00 stpiB moment ujemny (praca generatorowa sil- -4,00 -6,00 nika), lecz jego warto[ bezwzgldna pozostaBa -8,00 taka sama jak podczas cyklu rozpdzania. W 2,3 s czasie prób rozpdzania i hamowania realny Rys. 6. Rozpdzanie i hamowanie silnika PM czas rozruchu jak i hamowania wydBu|yB si ze obci|onego du|ym momentem bezwBadno[ci wzgldu na wspomniane ograniczenie mo- Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 76/2007 34 Powy|szy test pokazuje wysok dynamik sil- nika PM, gdy wspóBpracuje on z badan prze- twornic. Ponadto wynika z niego wyraznie, |e silnik z magnesami trwaBymi wspóBpracujc z w/w przetwornic czstotliwo[ci mo|e wyko- na poprawny rozruch, nawet w sytuacji, gdy moment oraz prd silnika osigaj warto[ ograniczenia podczas caBego cyklu rozpdzania czy hamowania. 6. Wnioski koDcowe W artykule zostaBy omówione podstawy bu- dowy i optymalnego sterowania silnikami z magnesami trwaBymi oraz jedno z rozwizaD, wprowadzajce algorytm FLUX, umo|liwiajcy wspóBprac z silnikami PM. Przetwornice te wykorzystuj w peBni potencjaB dynamiki, jaki istnieje w silnikach PM, gdy| w sposób efek- tywny oddziaBuj na moment wytwarzany w silniku, wpBywajc bezpo[rednio na procesy elektromagnetyczne w nim zachodzce. Analizujc charakterystyki statyczne oraz dy- namiczne mo|emy potwierdzi peBn przydat- no[ tej rodziny przetwornic do wspóBpracy z silnikami PM. 7. Literatura [1]. MateriaBy wewntrzne firmy Danfoss. [2]. Texas Instruments: Digital Signal Processing Solution for Permanent Magnet Synchronous Motor, Application Note BPRA044. [3]. Texas Instruments: Field Oriented Control of 3- phase AC Motors, Application Note BPRA073. [4]. J. Aastowiecki: Elementy i podzespoBy póBprze- wodnikowych ukBadów napdowych. .

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Projekt silnika z magnesami trwalymi v9
SILNIK ELEKTRYCZNYB PRADU STALEGO Z MAGNESEM TRWALYM
Badanie układu napędowego z silnikiem bezszczotkowym z magnesami trwałymi
18k Badanie silnika ind zasilanego z przetwornicy częstotliwości
16 Struktury maszyn z magnesami trwalymiid821
poczwury przetwornik AC do PC
Synteza częstotliwości do tunera FM
Straty dodatkowe spowodowane przez przetwornice częstotliwości
03 Struktury maszyn z magnesami trwałymi
mini przetwornik A C do PC
D Upowaznienie do przetwarzania?nych

więcej podobnych podstron