BEZCZUJNIKOWA PRACA SILNIKA Z MAGNESAMI O POLU OSIOWYM W ZAKRESIE NISKICH PRĘDKOŚCI WIROWANIA

Transkrypt

1 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 82/ Janusz Wiśniewski, Włodzimierz Koczara Poliechnika Warszawska, Warszawa BEZCZUJNIKOWA PRACA SILNIKA Z MAGNESAMI O POLU OSIOWYM W ZAKRESIE NISKICH PRĘDKOŚCI WIROWANIA SENSORLESS CONTROL OF AN AXIAL FLUX PERMANENT MAGNET MOTOR AT LOW SPEED Absrac: This paper shows a novel sensorless mehod of he roor posiion deecion of he permanen magne moor. Tha mehod can operae a sandsill, herefore iniial posiion of he roor can be deeced. Moreover using a conrol sysem designed for presened mehod, low speed operaions can be realized. Roor posiion is obained by applying shor volage pulse o he saor windings. Idenificaion of he roor posiion is provided by curren responses analysis. Mehod is based on saor inducance changes in funcion of roor poles posiion. This paper deals wih heory confirmed by laboraory resuls on experimenal se wih 40 kva / 16 poles / 3000 rpm Axial Flux Permanen Magne Moor. 1. Wsęp Układy napędowe z silnikami z magnesami rwałymi wymagają w procesie serowania informacji o połoŝeniu biegunów wirnika. W klasycznych rozwiązaniach informacja aka dosarczana jes z zewnęrznego czujnika poło- Ŝenia wirnika. Arykuł opisuje bezczujnikową meodę idenyfikacji połoŝenia biegunów wirnika silnika z magnesami rwałymi. Opisywana meoda przeznaczona jes do idenyfikacji spoczynkowego połoŝenia osi magneycznej srumienia wzbudzenia. Ponado meoda pozwala na określanie elekrycznego połoŝenia wirnika przy pracy w zakresie niskich prędkości wirowania. 2. Zmiany indukcyjności cewek sojana W silnikach z magnesami rwałymi obserwuje się zjawisko zmian indukcyjności cewek sojana w zaleŝności od połoŝenia biegunów wirnika. Wynika ono z faku, iŝ magnesy rwałe umieszczone na wirniku oddziałują na obwody magneyczne poszczególnych cewek sojana. Rozmieszczenie cewek na jarzmie sojana powoduje, Ŝe wpływ magnesów rwałych wirnika na obwód magneyczny kaŝdej z cewek sojana jes inny. Ponado wpływ en zmienia się wraz ze zmianą połoŝenia wirnika. Charakerysykę zmian indukcyjności cewki sojana w zaleŝności od połoŝenia wirnika przedsawiono na Rys. 1. Doychczas opracowane meody bezczujnikowe pozwalające na idenyfikację spoczynkowego połoŝenia wirnika bazują na wykrywaniu nauralnych (Rys. 1) zmian indukcyjności cewek sojana. Do ej grupy zaliczyć moŝna me Indukcyjność sojana [mh] 2 L q L d PołoŜenie wirnika [rad el.] Rys. 1. Zmiany indukcyjności cewki sojana w funkcji elekrycznego połoŝenia osi magneycznej srumienia wzbudzenia odę INFORM [1]. JednakŜe w zaleŝności od konkrenej konsrukcji wirnika ampliuda zmian indukcyjności cewek sojana w funkcji poło- Ŝenia wirnika moŝe się zmieniać. Dla pewnej grupy maszyn z magnesami rwałymi indukcyjności L d oraz L q mogą przyjmować zbliŝone warości. Taką własność posiada badany silnik z magnesami rwałymi o polu osiowym. 3. Nasycenie Opisywana meoda wykorzysuje dodakowo zjawisko nasycenia. Mianowicie wprowadzając obwody magneyczne cewek sojana w san nasycenia uzyskiwany jes gwałowny spadek indukcyjności ychŝe cewek sojana [2]. W danym połoŝeniu wirnika, oddziaływanie jego biegunów magneycznych na poszczególne cewki sojana jes róŝny. W skuek ego indukcyjności cewek sojana w sanie nasycenia róŝnią się od siebie. Nasępnie analizując induk-

2 28 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 82/2009 cyjności poszczególnych cewek sojana moŝliwe jes określenie elekrycznego połoŝenia osi magneycznej srumienia wzbudzenia. Uzyskanie sanu nasycenia obwodów magneycznych moŝliwe jes na skuek jednoczesnego przyło- Ŝenia do wszyskich cewek sojana skoku napięcia esującego U TEST o czasie rwania TEST. W wyniku kórego w sojanie generowany jes dodakowy srumień magneyczny Ψ D [3]. D TEST Ψ = U d (1) TEST Jednakowe srumienie magneyczne generowane są przez wszyskie cewki sojana (2). Dodakowo w wyniku przyłoŝenia skoku napięcia esującego obserwowany jes przepływ prądu. Jak wspomniano, indukcyjności cewek sojana L SU, L SV, L SW w sanie nasycenia nie są jednakowe, w konsekwencji uzyskiwane są róŝne przyrosy prądów, zwanych odpowiedziami prądowymi I U, I V, I W [4]. L SU, L SV, L SW indukcyjności sojana i SU, i SV, i SW prądy sojana (2) (3) (4) (5) Charaker zmian indukcyjności cewek sojana w sanie nasycenia w funkcji połoŝenia osi magneycznej srumienia wzbudzenia przedsawia Rys. 2. W odróŝnieniu od nauralnych zmian indukcyjności wymuszonych przez połoŝenie biegunów magneycznych wirnika, w nasyceniu indukcyjność cewek sojana zmienia się w funkcji pojedynczego kąa połoŝenia. 4. Wyznaczanie połoŝenia wirnika Do wyznaczania elekrycznego połoŝenia osi magneycznej srumienia wzbudzenia wykorzysano bezczujnikową meodę PIPCRM. Bazuje ona omówionym zjawisku zmian indukcyjności cewek sojana w nasyceniu. W celu idenyfikacji połoŝenia na równolegle połączone cewki sojana zadawany jes skok napięcia esującego. Wymaga o uŝycia w układzie napędowym czerogałęziowego falownika napięcia. Topologię wymaganego przekszałnika energoelekronicznego przedsawiono na Rys. 3. U DC T 1 T 3 T D 5 T- 1 D 3 D 5 T 4 T 6 T 2 T+ D 4 D 6 D 2 T 1 T 4 T 3 T 6 T 5 T 2 T + T - Układ serowania D+ D- U V W PM Axial LSU L SV L SW ESU ESV ESW Moor Rys. 3. Topologia przekszałnika energoelekronicznego do realizacji Topologia a umoŝliwia podanie skoku napięcia esującego o polaryzacji dodaniej oraz ujemnej. Załączenie ranzysorów T 1, T 3, T 5 oraz T + skukuje przyłoŝeniem do cewek sojana pozyywnego skoku napięcia. W celu idenyfikacji połoŝenia osi magneycznej srumienia wzbudzenia naleŝy przyłoŝyć do cewek sojana ylko jeden skok napięcia esującego. W ym przypadku sosowano jedynie pozyywne skoki napięcia (Rys. 4). u U U_TEST Flux N L MAX Indukcyjność sojana [mh] U V_TEST U W_TEST L MIN 0 2 PołoŜenie wirnika [rad el.] Rys. 2. Zmiany indukcyjności cewki sojana w sanie nasycenia w funkcji elekrycznego poło- Ŝenia osi magneycznej srumienia wzbudzenia. TEST Rys. 4. Przebieg czasowy pozyywnego skoku napięcia esującego Rezulaem przyłoŝenia do cewek sojana skoku napięcia esującego jes przepływ prądów sojana zwanych odpowiedziami prądowymi. W wyniku róŝnic indukcyjności po-

3 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 82/ szczególnych cewek sojana, odpowiedzi prądowe w chwili zakończenia skoku napięcia esującego osiągną róŝne warości (Rys. 5). i (7) i SU i SV (8) i SW I U I PWU I PUV I P [A/A] I PVW I V I W TEST Rys. 5. Przebieg czasowy prądów sojana wywołanych przyłoŝeniem do cewek sojana pozyywnego skoku napięcia esującego Wzajemne zaleŝności pomiędzy odpowiedziami prądowymi I U, I V, I W zaleŝą od akualnego połoŝenia osi magneycznej srumienia wzbudzenia. Teoreyczny rozkład odpowiedzi prądowych względem 2 radianów elekrycznych pokazano na Rys. 6. Rozkład en zmienia się wraz ze zmianą czasu rwania TEST skoku napięcia esującego. I I [A] W I U I V φ [rad el.] Rys. 6. Teoreyczny rozkład odpowiedzi prądowych względem 2 radianów Celem wyeliminowania ego wpływu w meodzie PIPCRM sosuje się sygnały róŝnic odpowiedzi prądowych. JednakŜe i en sposób zawiera pewne niedogodności, dlaego eŝ zaproponowano modyfikację polegającą na zasosowaniu w algorymie wyznaczania połoŝenia sygnałów proporcji odpowiedzi prądowych I PUV, I PVW oraz I PWU. Ich rozkład względem 2 radianów elekrycznych pokazano na Rys. 7. (6) φ [rad el.] Rys. 7. Teoreyczny rozkład proporcji odpowiedzi prądowych I PUV, I PVW, I PWU względem 2 radianów elekrycznych Regularność rozkładu I PUV, I PVW oraz I PWU pozwala na wyznaczenie elekrycznego połoŝenia wirnika z dokładnością do 2 sopni elekrycznych. W celu idenyfikacji połoŝenia wykorzysywany jes jeden z sygnałów I PUV, I PVW lub I PWU, kóry w danym zakresie posiada przebieg zbliŝony do funkcji liniowej. 5. Praca przy niskich prędkościach wirowania Prezenowana meoda wyznaczania połoŝenia wirnika charakeryzuje się ym, iŝ skok napięcia esującego nie wywarza w sojanie biegunów magneycznych. W konsekwencji w silniku nie wywarza się momen elekromagneyczny. Z ej przyczyny opracowano specjalny sposób serowania pozwalający na wykorzysanie opisywanej bezczujnikowej meody. Polega on na cyklicznym zadawaniu skoków napięcia esującego (Rys. 8) [5]. Pomiędzy kolejnymi skokami napięcia esującego zadawane są prądy robocze wywarzające momen elekromagneyczny i powodujące obró wirnika. W celu zapewnienia pracy z maksymalnym momenem elekromagneycznym konieczne jes zachowanie sałego kąa (/2) pomiędzy osią magneyczną srumienia wzbudzenia a wekorem prądu sojana. Wymaga o zakualizowania informacji o połoŝeniu z chwilą przemieszczenia się wirnika.

4 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 82/2009 ZERO PIPCRM Wywarzanie momenu PIPCRM DRIVE PIPCRM [ms] Rys. 8. Diagram czasowy serowania wykorzysującego bezczujnikową meodę PIPCRM Oznacza o, Ŝe pomiar połoŝenia powinien być realizowany moŝliwie jak najczęściej. Konsekwencją ego jes skrócenie czasu DRIVE przeznaczonego na zadawanie prądów roboczych. Zaleca się jednak, aby czas przeznaczony na wywarzanie momenu elekromagneycznego był moŝliwie jak najdłuŝszy. Zaem naleŝy dobierać czas rwania eapu zadawania prądów roboczych w zaleŝności od wymagań konkrenego układu napędowego. Rys. 9. Schema blokowy bezczujnikowego serowania silnika z magnesami rwałymi o polu osiowym Króki czas DRIVE skukuje zwiększeniem dynamiki układu napędowego, ale eŝ z drugiej srony moŝe uniemoŝliwić osiągnięcie poŝądanej warości średniego momenu elekromagneycznego (przy danym ograniczeniu prądowym), co przekłada się na niemoŝność osiągnięcia wyŝszych prędkości wirowania. WydłuŜenie czasu DRIVE zmniejsza dynamikę układu, ale pozwala na osiągnięcie wyŝszej warości średniej momenu elekromagneycznego (przy ym samym ograniczeniu prądowym). Schema blokowy układu serowania silnikiem z magnesami rwałymi o polu osiowym przedsawiono na Rys Badania laboraoryjne Prezenowana meoda zosała sprawdzona w laboraoryjnym układzie napędowym z silnikiem z magnesami rwałymi o polu osiowym o mocy 40 kva i posiadającym 8 par biegunów (Rys. 10). ω ref + ω PIPCRM Regulaor prędkości φ PIPCRM Zadajnik prądu I ref + I S Regulaor prądu U ref Rys. 10. Laboraoryjny zesaw maszynowy z silnikiem z magnesami rwałymi o polu osiowym (40kVA) Wyznaczanie połoŝenia oraz prędkości I S Napędzanie / pomiar połoŝenia PWM Rzeczywisy przebieg skoku napięcia esującego oraz prądów zwanych odpowiedziami prądowymi przedsawiono na Rys. 11. Błąd wyznaczania spoczynkowego połoŝenia osi magneycznej srumienia wzbudzenia był nie większy niŝ 2 sopnie elekryczne. Axial Flux PMSM Przekszałnik UDC U TEST i W i V Rys. 11. Wyniki badań laboraoryjnych. Przebieg napięcia esującego U TEST oraz prądów, i V, i W będących wynikiem przyłoŝenia skoku napięcia esującego

5 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 82/ Dokonano prób bezczujnikowego saru silnika z magnesami rwałymi oraz pracy przy niskich prędkościach wirowania wirnika. Na rys. 12 pokazano pracę przy prędkości 44 obr/min przy czym czas eapu zadawania prądów roboczych usalono na poziomie 14,5 ms. Pracę przy prędkości 43 obr/min z czasem DRIVE równym 29 ms przedsawiono na Rys. 13. Ponado, wykorzysując opisywaną meodę serowania oraz wyznaczania połoŝenia wirnika moŝliwe jes dokonanie saru silnika z magnesami rwałymi ze znamionowym momenem obciąŝenia wynoszącym 122 Nm (Rys. 14). i V DRIVE = 14,5 ms Ω rpm φ calc Ω calc T L = 122 Nm φ^ Ω = 44 obr/min Rys. 12. Wyniki badań laboraoryjnych. Praca przy niskiej prędkości wirowania: przebiegi od góry: prąd sojana, obliczone połoŝenie wirnika φ calc, przewidywane połoŝenia wirnika, prędkość obroowa Ω φ^ φ cal c Ω = 43 obr/min DRIVE = 29 ms Rys. 13. Wyniki badań laboraoryjnych. Praca przy niskiej prędkości wirowania: przebiegi od góry: prąd sojana, obliczone połoŝenie wirnika φ calc, przewidywane połoŝenia wirnika, p Rys. 14. Wyniki badań laboraoryjnych. Bezczujnikowy sar silnika z magnesami rwałymi z pełnym momenem obciąŝenia: przebiegi od góry: prądy sojana, i V, rzeczywisa prędkość obroowa Ω, obliczona prędkość obroowa Ω calc 7. Lieraura [1]. Schroedl M.: Saisic properies of he INFORM-mehod in highly dynamic sensorless PM moor conrol applicaions down o sandsill, EPE Journal, Vol. 13, No. 3, Augus [2]. Wisniewski J., Jakubowski P., Koczara W., Al-Khaya N., Poles posiion idenificaion of permanen magne axial flux moor using PIPCRM sensorless mehod, 12h European Conference on Power Elecronics and Applicaions, EPE 2007, 2-5 Sepember 2007, Aalborg, Denmark. [3]. Wisniewski J., Koczara W., Jakubowski P., Permanen magne synchronous moor sar by he sensorless PIPCRM, 2nd Inernaional Conference Auomoive Power Elecronics, APE 2007, Sepember 2007, Paris, France. [4]. Wisniewski J., Koczara W., The Sensorless Roor Posiion Idenificaion and Low Speed Operaion of he Axial Flux Permanen Magne Moor Conrolled by he Novel PIPCRM Mehod, 39h Power Elecronics Specialiss Conference, PESC 2008, June 2008, Rhodes, Greece. [5]. Wisniewski J., Koczara W., Conrol of Axial Flux Permanen Magne Moor by he PIPCRM Mehod a Sandsill and a Low Speed, 13h Inernaional Conference on Power Elecronics and Moion Conrol, EPE-PEMC 2008, 1-3 Sepember 2008, Poznań, Poland.