Wysokoobrotowy napęd z dwupasmowym silnikiem reluktancyjnym przełączalnym

Transkrypt

1 Piotr BOGUSZ, Mariusz KORKOSZ, Jan PROKOP Politechna Rzeszowska, Wyział Elektrotechni i Informatyki oi: / Wysokoobrotowy napę z wupasmowym silniem reluktancyjnym przełączalnym Streszczenie. Artykuł otyczy wysokoobrotowego napęu z silniem reluktancyjnym przełączalnym (SRM o konfiguracji 4/2. Zastosowanie niesymetrycznego wirna pozwala uzyskać moment rozruchowy w każym jego położeniu. W ramach niniejszej pracy zaprezentowano wyni baań symulacyjnych oraz przestawiono koncepcję sterowania wupasmowego silna reluktancyjnego przełączalnego z jenym czujniem kąta położenia wirna i regulacją kątów sterujących. Abstract. Abstract. The paper concern a high-spee rive with the 4/2 Switche Reluctance Motor. The use of an asymmetrical rotor allows to obtain a start-up torque in each rotor position. Within this paper results of simulation stuies an the concept of control of the two-phase Switche Reluctance Motor with an one sensor of a rotor position an a regulation of control angles were presente. (A high-spee rive with the twophase Switche Reluctance Motor. Słowa kluczowe: siln reluktancyjny przełączalny, napę wysokoobrotowy, moel matematyczny, moel symulacyjny. Keywors: switche reluctance motor, high-spee rive, mathematical moel, simulation moel. Wstęp W sprzęcie gospoarstwa omowego takim jak okurzacze, sokowirówki, roboty kuchenne powszechnie stosowane są silni komutatorowe prąu przemiennego. Tego typu napęy posiaają szereg wa, o których należy zaliczyć mięzy innymi generowanie zakłóceń elektromagnetycznych, poatność na uszkozenia oraz mniejszą sprawność w oniesieniu o napęów bezkomutatorowych. Alternatywnym rozwiązaniem mogącym zastąpić silni komutatorowe są silni reluktancyjne przełączalne (SRM Switche Reluctance Motors charakteryzujące się barzo prostą buową, brakiem komutatora, brakiem uzwojeń i magnesów trwałych na wirnu. Doatkowo tego typu silni posiaają barzo obre właściwości regulacji prękości w szerokim zakresie i charakteryzują się wyższą sprawnością w porównaniu o silnów komutatorowych. Napęy z SRM ze wzglęu na prostą konstrukcję wirna, barzo obrze naają się o zastosowań w urzązeniach wysokoobrotowych [1]-[3]. Waą tego typu napęów są stosunkowo uże pulsacje momentu oraz generowany hałas wynający z impulsowego zasilania uzwojeń. W ostatnim czasie prowazonych było szereg prac na temat napęów wysokoobrotowych z silnami reluktancyjnymi przełączalnymi [2]-[7]. Ogólnie napęy wysokoobrotowe SRM posiaają konstrukcję wupasmową 4/2, która zapewnia zmniejszenie częstotliwości łączeń, a tym samym zmniejszenie strat w rzeniu silna oraz w ukłazie przekształtna. Ograniczenie liczby pasm silna o wóch powouje znaczące ograniczenie kosztów ukłau sterowania, gyż zmniejsza się liczba zastosowanych tranzystorów i io mocy, które stanowią główny koszt ukłau sterowania. W napęach wysokoobrotowych przeznaczonych np. o agregatów ssących okurzaczy, gzie występuje praca jenokierunkowa można zastosować wupasmowy siln SRM z niesymetrycznym wirniem. Cechą charakterystyczną tego typu rozwiązania jest możliwość wytwarzania momentu w każym położeniu wirna w oróżnieniu o wupasmowej konstrukcji SRM z wirniem symetrycznym [3]-[5]. Istotnym problemem jest sposób sterowania tego typu silniem. W pracy [6] zastosowano technę minimalizacji pulsacji momentu przy wysokich prękościach wirowania wirna. Natomiast w pracy [7] omówiono rozwiązanie sterowna SRM z zastosowaniem procesora sygnałowego. Celem niniejszej pracy jest analiza właściwości wysokoobrotowego napęu z wupasmowym silniem reluktancyjnym przełączalnym. Analizę tę okonano w oparciu o uzyskane wyni baań symulacyjnych. Wyni tych baań pozwoliły na opracowanie sposóbu sterowania wupasmowego wysokoobrotowego silna SRM z zastosowaniem jenego czujna położenia wirna i regulacją kątów załączenia i wyłączenia. Metoę tę zaimplementowano w praktycznym ukłazie sterowna SRM, w którym zastosowano 8-bitowy mrokontroler. Zaletą takiego rozwiązania jest niska cena mrokontrolera. Moel matematyczny wupasmowego silna SRM Obiektem moelowania matematycznego jest wupasmowy siln SRM o konstrukcji 4/2 (rys.1 la którego zaproponowano moel obwoowy, tzw. strumieniowy. Rys.1. Geometria maszyny SRM 4/2 z niesymetrycznym wirniem Pomijając prąy wirowe w rzeniu stojana i wirna, zjawisko histerezy magnetycznej oraz zakłaając, że w przypaku nieliniowości obwou magnetycznego strumienie skojarzone poszczególnych pasm 1, 2 zależą o kąta położenia wirna i o wóch prąów pasmowych i 1,, równania silna można zapisać w postaci: (1 u1 R1i 1 1(, (2 u2 R2 2(, (3 J B T L Te (4 (5 Wc (, Te W równaniach (1 - (5 zastosowano następujące oznaczenia: u 1, u2 napięcia zasilania pasm, R 1, R2 252 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 91 NR 1/215

2 rezystancje pasm, J moment bezwłaności wirna, - prękość kątowa wirna, B współczynn tarcia lepkiego, T L moment obciążenia, T e moment elektromagnetyczny silna, W c (, - całkowita koenergia pola magnetycznego w maszynie. Wyrażenie na koenergię pola magnetycznego maszyny wupasmowej przyjmuje formę: (6 i 1 Wc (, 1(,, 2(, Zakłaając, że strumienie poszczególnych pasm 1(,, 2(, można przestawić w postaci sumy strumieni, z których każy zależy tylko o jenego prąu pasma, weług efinicji [8]: (7 1(, 11(, 12 (, (8 2 (, 21(, 22 (, równania napięciowo-prąowe (1, (2 oraz wyrażenie na moment elektromagnetyczny (5 po uwzglęnieniu (6 można zapisać w postaci: (9 u1 R1i 1 11(, 12(, (1 u2 R2 21(, 22(, (11 Te Te1(, Te2 (, Te21(, Poszczególne skłani momentu elektromagnetycznego (11 mają postać: (12 Te1, 11(, e2, 22(, (13 T 21(, (14 T e 21, Na postawie założenia o wzajemnej jenoznaczności przekształcenia prąów na strumienie w procesie buowy moelu symulacyjnego koniecznym jest określenie charakterystyk owrotnych, tj. określających związki pomięzy prąami pasm a ich strumieniami własnymi. Związki te określają funkcje prąów obwoowych, które można zapisać w postaci: i (15 i i,, i i, 1 1 ( ( 22 Na rysunku 2 przestawiono schemat struktury moelu symulacyjnego równań napięciowo-prąowych (9 i (1 maszyny wupasmowej SRM uwzglęniający wzajemne sprzężenia pomięzy woma pasmami. Schemat symulacyjny obliczania momentu elektromagnetycznego (11 wupasmowej maszyny reluktancyjnej przełączalnej przestawiono na rysunku 3. Rys.3. Schemat blokowy obliczania momentu elektromagnetycznego wupasmowej maszyny SRM Schemat symulacyjny ukłau elektromechanicznego maszyny reprezentujący równanie momentów (3 przestawiono na rysunku 4. Rys.4. Schemat blokowy moelu symulacyjnego ukłau mechanicznego silna SRM W praktyce inżynierskiej niekiey stosuje się moele uproszczone, w których pomija się sprzężenia pomięzy poszczególnymi pasmami maszyny SRM, czyniąc je wzajemnie niezależnymi. Przy takim założeniu równania (9, (1 silna można zapisać w postaci: (16 uk Rk kk (, ( k=1,2 a wyrażenie na moment elektromagnetyczny (11 przyjmie formę: (17 T T, i T (, e e1( 1 e2 przy czym momenty skłaowe pochozące o prąów poszczególnych pasm mają postać (12 i (13. Zależności strumieni 11(,, 22 (, o kąta obrotu wirna i prąu anego pasma są wyznaczane metoami polowymi 2D w programie FEM, a następnie zbiór tych zależności wykorzystywany jest w moelu obwoowym opisanym la k=1,2 równaniami (16 i (17. Przykłaowo na rysunku 5 przestawiono charakterystykę strumieniowokątowo-prąową,. 11( Rys.2. Schemat moelu symulacyjnego równań napięciowoprąowych moelu wupasmowej maszyny SRM Rys.5. Charakterystyka strumieniowo-kątowo-prąowa 11(, Moment elektromagnetyczny jenego pasma T, i ek ( k określony wyrażeniem (12 lub (13, tj. po scałkowaniu strumienia kk (, (np. z rysunku 5, po prązie i k i obliczeniu pochonej po kącie obrotu wirna jest reprezentowany w postaci charakterystyki momentowokątowo-prąowej T e, pokazanej na rysunku 6. 1( PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 91 NR 1/

3 Oznacza to, że opóźnienie załączenia uzwojenia o 2 w znacznym stopniu zwiększa moment rozruchowy silna, jak również zapewnia, że jest on większy o zera w każym położeniu wirna. Rys.6. Charakterystyka momentowo-kątowo-prąowa T e 1(, Wyni baań symulacyjnych Obiektem baań symulacyjnych był wupasmowy siln reluktancyjny przełączalny o geometrii przestawionej na rysunku 1. Parametry baanego silna zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Dane baanej maszyny SRM Liczba biegunów stojana N s 4 Liczba zębów wirna N r 2 Napięcie znamionowe 3V DC Prękość znamionowa 5 obr/min wirowania wirna n N Moc znamionowa P N 7 W Rys.7. Schemat blokowy moelu symulacyjnego napęu SRM Ponieważ siln ten posiaa buowę niesymetryczną w moelu symulacyjnym zastosowano charakterystyki strumieniowo-prąowo-kątowe oraz momentowo-prąowokątowe la pełnego cyklu elektrycznego, które przestawiono na rysunkach 5 i 6. Doatnią wartość momentu siln może wytwarzać w zakresie przemieszczania się wirna o 11. Ponieważ siln ten przeznaczony jest o bezpośreniego zasilania z sieci energetycznej 23V, oprócz moelu samego silna i sterowanego przekształtna zastosowano mostek prostowniczy. Moel symulacyjny zbuowano w systemie Matlab/Simulink. Schemat blokowy napęu przeznaczonego o baań przy ustalonej prękości wirna przestawiono na rysunku 7. Analiza momentu rozruchowego Baany siln przeznaczony jest o napęu agregatu ssącego okurzacza, który nie wymaga użego momentu rozruchowego. Kąt = przyjęto w punkcie niewspółosiowego położenia wirna. Przebiegi wypakowego momentu silna przy wyiealizowanym prostokątnym kształcie prąów pasmowych i 1 i i 2, których wartość maksymalna była równa 6A, przeziale zasilania supply =9 i kątach załączenia on = i on =2 przestawiono na rysunku 8. Porównując przebiegi zamieszczone na rysunkach 8a i 8b można zauważyć, że przy zasilaniu uzwojeń, gy on = i supply =9 występują punkty, w których moment rozruchowy jest równy. W przypaku, gy uzwojenia silna są zasilane z opóźnieniem 2 (licząc o położenia niewspółosiowego wirna minimalna wartość momentu wynosi T e =.1Nm. (a (b Rys.8. Przebiegi momentu silna la kąta zasilania supply =9 i kąta załączenia: a on =, b on =2 Regulacja napięcia przy użych prękościach wirna W przypaku napęów wysokoobrotowych SRM, zmiana prękości poprzez moulację szerokości impulsów powouje, że występują uże asymetrie w prąach pasmowych. Wyna, to stą, że częstotliwość moulacji PWM jest tylko kilkukrotnie większa o częstotliwości załączania uzwojeń. Taką sytuację przestawiono na rysunku 9. Aby zmniejszyć asymetrię prąów pasmowych należałoby w tym przypaku znacznie zwiększyć częstotliwość fali nośnej sygnału PWM, to z kolei wiąże się z większymi stratami w ukłazie przekształtnowym. Dlatego, w przeziale wysokich prękości wirowania wirna lepiej jest zastosować zmianę kątów sterujących ( on, off. W oparciu o wyni baań symulacyjnych zaproponowano sposób sterowania napęu wupasmowego SRM. (a (b Rys.9. Przebiegi prąów (i 1, i 2 i napięć (u 1, u 2 pasmowych wyznaczonych la prękości n=39obr/min i częstotliwości: a f PWM =8kHz, b f PWM =16kHz 254 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 91 NR 1/215

4 Proponowany sposób sterowania napęem wysokoobrotowym SRM W napęach wysokoobrotowych o etekcji położenia wirna nie stosuje się enkoerów optycznych ze wzglęu na ich ograniczoną prękość pracy. W tego typu napęach stosuje się czujni yskretne optyczne lub Hall a. Do sterowania wupasmowej maszyny SRM 4/2 wystarczające jest zastosowanie jenego czujna położenia i opowienio ukształtowanej tarczy sprzężonej bezpośrenio z wirniem. Tarcza ta powinna mieć wycięcie 9 (rys.1.. Symetria tarczy pozwala na sterowanie obywu pasm silna przy pomocy jenego czujna, przy czym rugi sygnał sterujący uzyskuje się poprzez negację sygnału z czujna. Mając kąt położenia wirna określony w owolnej chwili czasowej ( est, można regulować przeział zasilania uzwojeń zmieniając kąt załączenia on i kąt wyłączenia uzwojeń off. Na rysunku 11 przestawiono schemat blokowy proponowanego ukłau sterowania wysokoobrotowego silna SRM 4/2. Rys.11. Proponowany schemat blokowy ukłau sterowania wysokoobrotowego silna SRM 4/2 Rys.1. Tarcza z czujniem położenia Jenak ze wzglęu na użą rozpiętość prękości pracy silna (o o 5obr/min konieczna jest regulacja kątów załączenia on i wyłączenia off. Regulacja tych kątów wpływa zarówno na poprawę sprawności jak i na wytwarzany moment. Stą, algorytm sterowania wupasmowego SRM pozielono na wie fazy pracy, zależne o prękości wirowania wirna, tj. fazę rozruchu oraz fazę normalnej pracy. W fazie rozruchu siln jest sterowany bezpośrenio z czujna położenia, gzie kąt zasilania uzwojenia jenego pasma wynosi 9. Faza rozruchu występuje, gy prękość wirowania wirna nie przekracza 4 obr/min. Powyżej tej prękości siln pracuje w fazie normalnej pracy, gzie istnieje możliwość regulacji kątów sterujących on i off. Tarcza i czujn położenia powinny być tak ustawione wzglęem wirna, aby był zapewniony minimalny moment rozruchowy w każym położeniu wirna. Stosując jeen yskretny czujn położenia i tarczę o kącie przesłony /2 (rys.1 nie można w sposób bezpośreni i płynny oczytywać kąta położenia wirna. Rozwiązaniem tego problemu jest estymacja kąta położenia wirna. Estymację można zrealizować stosując pętlę PLL (ang. Phase Locke Loop jak opisano w pracy [9]. Jenak wymaga to zastosowania oatkowych ukłaów czasowolicznowych. W napęach wysokoobrotowych, przy wysokich prękościach obrotowych wirna silna energia kinetyczna zgromazona w masach wirujących jest uża, gyż jest funkcją kwaratu prękości. Stą, też zmiany prękości wirna w czasie w tego typu napęzie są wielokrotnie wolniejsze niż czas potrzebny na obliczenie prękości i kąta położenia wirna przez mrokontroler. Jeżeli przyjąć założenie, że prękość wirna się nie zmienia w określonym przeziale czasowym, to estymowany kąt położenia wirna można określić z prostej zależności (18 t gzie: - prękość kątowa wirna, t - czas. est Zaletą rozwiązania przestawionego na rysunku 11 jest możliwość jego implementacji w tanich 8-bitowych mrokontrolerach. Pomiar prękości obywa się przy stałym kącie (9. Komparator I służy o porównania kąta estymowanego est z kątami załączenia i wyłączenia. Komparator II służy o przełączania sygnału pomięzy bezpośrenim sterowaniem z czujna położenia ( on i off stałe i sterowaniem z mrokontrolera ( on i off regulowane. Wyni baań laboratoryjnych Baania przeprowazono na moelu rzeczywistym wupasmowego SRM 4/2 o geometrii przestawionej na rysunku 1. Wiok stanowiska baawczego przestawiono na rysunku 12. Rys.12. Wiok stanowiska baawczego Siln zasilano ze stabilizowanego zasilacza prąu stałego o regulowanym napięciu o o 311V. Na rysunku 13 przestawiono oscylogram prąów pasmowych i 1 i i 2 i napięcia pasmowego u 1 zarejestrowanych przy prękości wirna n=2268 obr/min. Częstotliwość fali nośnej sygnału PWM była równa f PWM =8kHz. Współczynn wypełnienia sygnału PWM wynosił D=.8. Zbyt mała częstotliwość fali nośnej sygnału PWM powouje użą asymetrię prąów pasmowych, co wyraźnie wiać na rysunku 13. Na rysunku 14 przestawiono przykłaowy oscylogram prąów pasmowych i 1, i 2 oraz napięcia u 1 zarejestrowany poczas skokowej zmiany kąta wyłączenia, który spowoował zmniejszenie przeziału zasilania z 9 o 6 stopni. Zarejestrowany moment związany jest z przejściem ze sterowania bezpośreniego z czujna położenia o PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 91 NR 1/

5 sterowania z estymacją kąta położenia wirna, której algorytm zaimplementowano w 8-bitowym mrokontrolerze. Rys.13. Oscylogram prąów pasmowych (i 1, i 2 i napięcia pasmowego (u 1 la prękości n=2268obr/min, f PWM =8kHz Wnioski Korzystając z moelu matematycznego oraz obliczeń FEM opracowano moel symulacyjny wupasmowej maszyny SRM. Na postawie uzyskanych wynów symulacyjnych zaprojektowano i wykonano ukła sterowania wupasmowym silniem reluktancyjnym przełączalnym 4/2 z zastosowaniem 8-bitowego mrokontrolera. Na postawie otrzymanych wynów baań symulacyjnych i eksperymentalnych, stwierzono, że: Poczas rozruchu kąt zasilania powinien mieścić się w przeziale 9 o 11, aby zapewnić ostateczny moment rozruchowy, przy czym kąt załączenia powinien być ostosowany o przeziału zasilania. Przy sterowaniu PWM i wysokiej prękości wirowania wirna występuje uża niesymetria prąów pasmowych, latego regulacja prękości w takich warunkach powinna być realizowana poprzez zmianę kąta załączenia. Sterowanie SRM 4/2 może być zrealizowane z zastosowaniem jenego czujna położenia, przy czym regulacja kątów załączenia i wyłączenia wymaga estymacji kąta położenia wirna. Zaletą opracowanego algorytmy sterowania jest możliwość implementacji go w tanim 8-bitowym mrokontrolerze. Praca wykona w ramach projektu baawczego NN Rys.14. Oscylogram prąów pasmowych (i 1, i 2 i napięcia pasmowego (u 1 obrazujący skokową zmianę przeziału zasilania z 9 na 6 Na rysunku 15 przestawiono oscylogram, na którym są przebiegi prąów pasmowych (1 i 3 oraz przebiegi sygnałów z czujna położenia (2 oraz sygnału wyjściowego estymowanego (4 la kątów on = i off =7. Rys.15. Oscylogram prąów pasmowych i 1, i 2 oraz sygnałów sterujących z czujna położenia (2 i sygnału estymowanego (4 la kątów on = i off =7 LITERATURA [1] Hamy R., Fletcher J.E., Williams B.W.: Biirectional starting of a symmetry two-phase switche reluctance machine, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 15, No. 2, 2, pp [2] Wen Ding, Ling Liu, Jianyong Lou: Design an control of a highspee switche reluctance machine with conical magnetic bearings for aircraft application, Electric Power Applications, IET, vol. 7, Issue: 3, 213, pp [3] Khater M.M., Afifi W.A., Ei-Khazenar M.A.: Operating performances of a two-phase switche reluctance motor, 11-th International Power Systems Conference, MEPCON 26, Vol. 2, pp [4] Wróbel K., Tomczewski K.: Jenoczesna optymalizacja kształtu obwou magnetycznego i parametrów zasilania przełączalnego silna reluktancyjnego, Przeglą Elektrotechniczny, 29 R 85, Nr 3, 29, s [5] Bogusz P., Korkosz M., Prokop J.: Analiza rozwiązań konstrukcyjnych silnów reluktancyjnych przełączalnych przeznaczonych o napęów wysokoobrotowych, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 1/212 (94, str [6] So-Yeon Ahn, Jin-Woo Ahn, Dong-Hee Lee: A Novel Torque Controller Design for High Spee SRM using Negative Torque Compensator, IEEE 8th International Conference on Power Electronics an ECCE Asia (ICPE & ECCE, 211, pp [7] Qingqing Ma, Daqiang Bi, Baoming Ge: Digital Control Issue of High Spee Switche Reluctance Motor, IEEE International Symposium on Inustry Electronics (ISIE, 212, pp: [8] Bogusz P., Korkosz M., Prokop J., Analiza wpływu sprzężeń mięzypasmowych na właściwości wukanałowego silna reluktancyjnego przełączalnego, Przeglą Elektrotechniczny, R. 88 NR 8/212, pp [9] Deskur, J., Maciejuk, A.: Application of igital phase locke loop for control of SRM rive, European Conference on Power Electronics an Applications, 27, pp: 1-6 Autorzy: r inż. Piotr Bogusz, pbogu@prz.eu.pl, r hab. inż. Mariusz Korkosz, mkosz@prz.eu.pl, r hab. inż. Jan Prokop, jprokop@prz.eu.pl, Politechna Rzeszowska, Wyział Elektrotechni i Informatyki, ul. W. Pola 2, Rzeszów 256 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 91 NR 1/215