SYSTEMY ELEKTROMECHANICZNE

Transkrypt

1 SYSTEMY ELEKTROMECHANICZNE kie. Elektotechnika, studia stopnia stacjonane, sem. 1, 010/011 SZKIC DO WYKŁADÓW SILNIKI BEZSZCZOTKOWE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI (SBMT) (1) MODELE OBWODOWE DYNAMICZNE Mieczysław RONKOWSKI Politechnika Gdańska Wydział Elektotechniki i Automatyki Kateda Enegoelektoniki i Maszyn Elektycznych EWOLUCJA_ME_SBMT_GW_schem_blok_010_011_sem1_MR_ PPT SE_SBMT_1_011.PPT/ NOWE MATERIAŁY POSTĘP W TECHNOLOGII MATERIAŁÓW MAGNESY TRWAŁE O INDUKCJI B = T MOMENTY: MAGNETYCZNY PĘDU (KRĘTU) ZJAWISKO MAGNETYZACJI: PRĄDY ATOMOWE ELEKTRONÓW Mateiały feomagnetyczne: miękkie, twade 1

2 MATERIAŁY MAGNETYCZNIE TRWAŁE d inż. Michał Michna EWOLUCJA MASZYN ELEKTRYCZNYCH Napięcie stałe (DC) Pąd stały (DC) 3-faz. napięcie pzemienne (AC) 3-faz. napięcie pzemienne (AC) Silnik pądu stałego Silnik synchoniczny Pąd stały (DC) Silnik asynchoniczny/indukcyjny Napięcie stałe (DC) 3-faz. napięcie pzemienne (AC) 3-faz. napięcie pzemienne (AC) Silnik pądu stałego z magnesami twałymi Silnik synchoniczny z magnesami twałymi Silnik synchoniczny eluktancyjny 3-faz. napięcie postokątne 3-faz. napięcie pzemienne (AC) Kluczowane sekwencyjnie napięcie stałe (DC) Silnik bezszczotkowy pądu stałego z magnesami twałymi i komutatoem elektonicznym Silnik bezszczotkowy pądu pzemiennego z magnesami twałymi i komutatoem elektonicznym Silnik o pzełączanej eluktancji z komutatoem elektonicznym Bylowski ys..

3 MASZYNA ELEKTRYCZNA SYSTEM ELEKTROMECHANICZNY ME jest dynamicznym układem elektomechanicznym. W ME zachodzi inteakcja dwóch pól elektomagnetycznych stojana i winika. Poszczególne typy ME óżnią się między sobą tylko sposobem steowania położeniem wektoów (osi) pól. PRAWO STEROWANIA W stanie ustalonym wektoy pól elektomagnetycznych stojana i winika są nieuchome względem siebie - waunek geneacji stałego momentu obotowego. PRAWO STEROWANIA Teza pof. Jezego Pustoły Różnoodność typów ME - szczególnie silników, nie zależy od ich konstukcji, ale od algoytmu ich steowania 3

4 SILNIK BEZSZCZOTKOWY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI SBMT WZBUDZENIE: MAGNETOELEKTRYCZNE --MAGNESY TRWAŁE SBMT ŹE PE UEM MR m US Pętla położeniowa m CPW Zadawanie Schemat układu napędowego z silnikiem bezszczotkowym z magnesami twałymi (SBMT): UEM układ elektomechaniczny silnika, ŹE źódło enegii elektycznej, PE - pzekształtnik enegoelektoniczny, US układ steowania, CPW czujnik położenia winika, MR maszyna obocza (obciążenie) (Michna d ys. 1.1) SILNIK BEZSZCZOTKOWY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI STOJAN/TWORNIK ZEWNĘTRZNY WIRNIK/WZBUDNIK WEWNĘTRZNY MOCOWANIE MT: POWIERZCHNIOWE MOCOWANIE MT: ZAGŁĘBIONE 4

5 SILNIK BEZSZCZOTKOWY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI STOJAN/TWORNIK ZEWNĘTRZNY WIRNIK/WZBUDNIK WEWNĘTRZNY MOCOWANIE MT: ZAGŁĘBIONE PRACA DYPLOMOWA MGR (000): MICHAŁ MICHNA SILNIK BEZSZCZOTKOWY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI STOJAN/TWORNIK ZEWNĘTRZNY; WIRNIK/WZBUDNIK WEWNĘTRZNY MOCOWANIE MT: ZAGŁĘBIONE. SILNIK TYPU RTM6-06 5

6 SILNIK BEZSZCZOTKOWY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI STOJAN/TWORNIK WEWNĘTRZNY WIRNIK/WZBUDNIK ZEWNĘTRZNY MOCOWANIE MT: POWIERZCHNIOWE Stuktua uzwojenia stojana - modułowa SOLAR VEHICLE «SOLELHADA» SBMT w SOLAR VEHICLE «SOLELHADA» MECHATRONIC SYSTEM 6

7 SBMT w SAMOCHODACH HYBRYDOWYCH HONDA: SILNIK HYBRYDOWY SILNIK SPALINOWY + SILNIK ELEKTRYCZNY SBMT w ZESPOLE PRĄDOTWÓRCZYM SPALINOWYM Zespół pądotwóczy o zmiennej pędkości obotowej 7

8 SBMT w ZESPOLE PRĄDOTWÓRCZYM RĘCZNYM NOWA KONCEPCJA GENEROWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ SILNIK BEZSZCZOTKOWY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI 3-faz. napięcie postokątne (DC) 3-faz. napięcie pzemienne (AC) Silnik bezszczotkowy z magnesami twałymi typu pądu stałego - BLDCM Silnik bezszczotkowy z magnesami twałymi typu pądu pzemiennego - BLACM MT powiezchniowe - tapezoidalny ozkład indukcji w szczelinie oboczej MT zagłębione - sinusoidalny ozkład indukcji w szczelinie oboczej 8

9 SILNIK BEZSZCZOTKOWY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI KONWENCJA GRAFÓW WIĄZAŃ Silnik bezszczotkowy o magnesach twałych dwuwotowy pzetwonik elektomechaniczny: wota (zaciski) obwodu stojana/twonika s dopływ enegii elektycznej pzetwazanej ma enegię mechaniczną, wota układu (obwodu) mechanicznego m odpływ enegii mechanicznej BUDOWA I I ZASADA DZIAŁANIA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA O MAGNESACH TRWAŁYCH (UZWOJENIE PASMOWE) 9

10 BUDOWA I I ZASADA DZIAŁANIA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA O MAGNESACH TRWAŁYCH (UZWOJENIE PASMOWE) BUDOWA I I ZASADA DZIAŁANIA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA O MAGNESACH TRWAŁYCH (UZWOJENIE PASMOWE) Pzewodzi tanzysto T1 Pzewodzi tanzysto T 10

11 BUDOWA I I ZASADA DZIAŁANIA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA O MAGNESACH TRWAŁYCH (UZWOJENIE PASMOWE) Pzewodzi tanzysto T3 Pzewodzi tanzysto T4 BUDOWA I I ZASADA DZIAŁANIA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA O MAGNESACH TRWAŁYCH (UZWOJENIE PASMOWE) Pzebieg składowych momentu elektomagnetycznego T e 11

12 SBMT (UZWOJENIE PASMOWE) ω = pω m ω = ( P / ) ω m θ = pθ m θ = ( P / ) θ m Model fizyczny w układzie osi natualnych stojana as bs i winika qd Stumienie Φ s i Φ f spzęgające się z uzwojeniami stojana są funkcjami kąta położenia winika θ SBMT (UZWOJENIE PASMOWE) Założenie: napięcia na zaciskach poszczególnych pasm uzwojenia stojana zawieają tylko piewszą hamoniczną o pzebiegach okeślanych wg następującej zależności: u u = U as s esu = U cosθ sinθ bs s esu t esu = ( ) d + esu( 0) 0 θ ω ξ ξ θ U s -watość skuteczna napięcia stojana; ω - elektyczna pędkość kątowa winika zależna od czasu t, θ esu - faza napięcia stojana, θ esu (0) - faza początkowa napięcia stojana (t = 0), ξ - zmienna podcałkowa, t - czas 1

13 BSMT (UZWOJENIE PASMOWE) TRANSFORMACJA UKŁADU OSI OSI as asbs bsdo OSI OSI qd qd Relacje między zmiennymi zaciskowymi w układzie osi stojana as bs i w układzie osi winika qd u u i i as bs = cosθ sinθ cosθ = sinθ sinθ u cosθ u sinθ cosθ θ = ω ( ξ) dξ + θ ( 0) θ (0) - początkowe położenie kątowe winika (t = 0), ξ - zmienna podcałkowa, t - czas t 0 i i as bs SBMT (UZWOJENIE PASMOWE) Model fizyczny w układzie osi winika qd 13

14 BSMT (UZWOJENIE PASMOWE) Zmiennymi obwodowymi modelu dwuosiowego qd są następujące wielkości: u - napięcie zasilania uzwojenia stojana jakby uchomego w osi q; u - napięcie zasilania uzwojenia stojana jakby uchomego w osi d; i -pąd uzwojenia stojana jakby uchomego w osi q; i -pąd uzwojenia stojana jakby uchomego w osi d; λ fd -stumień magnesu skojazony z uzwojeniem stojana w osi d; I f - wydajność źódła pądowego zasilającego zastępcze uzwojenie wzbudzenia w osi d o pzepływie Θ f ównoważnym magnesowi wzbudzającym stumień λ fd ; e, e d - SEM otacji indukowane w uzwojeniach stojana w osiach qd (odwzoowują elektomechaniczne pzetwazanie enegii efekt uchu względnego zeczywistych uzwojeń stojana i winika maszyny). BSMT (UZWOJENIE PASMOWE) Modele spzężeń tansfomatoowych uzwojeń stojana i winika w osiach qd w osi q jest tylko jeden obwód λ = ( L + L ) i ls ls mq md w osi d są dwa obwody λ = L i + L ( i + I ) = L i + L i + λ ' f ls md ' fd gdzie: λ fd = L md I' f L mq L md L ls - indukcyjność magnesowania modelująca wpływ stumienia głównego (magnesującego) w osi q na właściwości silnika; - indukcyjność magnesowania modelująca wpływ stumienia głównego (magnesującego) w osi d na właściwości silnika; - indukcyjności ozposzenia uzwojenia stojana modelująca wpływ stumienia ozposzenia na właściwości silnika. 14

15 BSMT (UZWOJENIE PASMOWE) Modele spzężeń elektomechanicznych uzwojeń stojana i winika w osiach qd *SEM otacji składowe w osiach qd e e =+ω λ = ω λ - paca silnikowa - paca pądnicowa *Moment elektomagnetyczny składowe w osiach qd T i eq = + λ T ed = i λ - paca silnikowa - paca pądnicowa BSMT (UZWOJENIE PASMOWE) Modele spzężeń elektomechanicznych uzwojeń stojana i winika w osiach qd *Moment elektomagnetyczny suma składowych T = ( )( i λ i λ ) e P lub pod stawieniu zależności na stumienie skojazone w osiach qd T = ( )[ i L I + i i ( L L ) ] e P md f md mq 15

16 BSMT (UZWOJENIE PASMOWE) Modele spzężeń elektomechanicznych uzwojeń stojana i winika w osiach qd *Moment elektomagnetyczny pzy L md = L mq lub T e P = ( ) i( Lmd I' P T e = ( ) i λ' fd Analogicznie jak w silniku pądu stałego T P = ( e ) i a λ daf f ) SBMT (UZWOJENIE PASMOWE) Obwód całkowania pędkości Model obwodowy SBMT w układzie osi stojana as bs i winika qd 16

17 SBMT (UZWOJENIE PASMOWE) PSPICE - model obwodowy SBMTw układzie osi stojana as bs i winika qd SBMT (UZWOJENIE PASMOWE) Chaakteystyka mechaniczna statyczna T e = T e (Ω ) pzy θ esu (0) = 0 oaz θ (0) = 0; = - p/6; = + p/6 (IW - elektyczna pędkość kątowa) 17

18 SBMT (UZWOJENIE PASMOWE) Chaakteystyka ozuchowa dynamiczna T e = T e (t) pzy T L = 0, θ esu (0) = 0 oaz θ (0) = 0 (W - elektyczna pędkość kątowa) BUDOWA I I ZASADA DZIAŁANIA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA O MAGNESACH TRWAŁYCH (UZWOJENIE 3 PASMOWE) e ω m T e is B f T j B s f 18

19 SBMT SBMT TRANSFORMACJA UZWOJENIA 3 PASMOWEGO DO DO PASMOWEGO Uzwojenie 3-pasmowe tansfomowane do -pasmowego Model fizyczny w układzie osi natualnych stojana as bs cs/αs βs i winika qd SBMT (UZWOJENIE 3 PASMOWE) Założenie: napięcia na zaciskach poszczególnych pasm uzwojenia stojana zawieają tylko piewszą hamoniczną o pzebiegach okeślanych wg następującej zależności: u u u as bs cs θ = ω ( ξ) dξ + θ ( 0) esu = = = t 0 U U U s s s cosθ cos( θ cos( θ esu esu esu esu π ) π ) U s -watość skuteczna napięcia stojana; ω - elektyczna pędkość kątowa winika zależna od czasu t, θ esu (0) - faza początkowa napięcia stojana, ξ - zmienna podcałkowa, t - czas

20 BSMT (UZWOJENIE 3 PASMOWE) TRANSFORMACJA UKŁADU OSI OSI as asbs bscs csdo OSI OSI qd qd Relacje między zmiennymi zaciskowymi w układzie osi stojana as bs cs i układzie osi winika qd ( θ ) ( ) 3 π cos θ + 3 π ( θ π ) sin( θ + π ) u cosθ cos u = sinθ sin u0s ias cosθ sinθ i = bs cos i cs cos 3 3 t θ = ω( ξ) dξ + θ ( 0) u u u 1 i ( θ ) ( ) 3 π sin θ 3 π 1 idc ( ) ( ) θ + π sin θ + π 1 i θ (0) - początkowe położenie kątowe winika (t = 0), ξ - zmienna podcałkowa, t - czas as bs cs 0s SBMT (UZWOJENIE 3/ 3/ --PASMOWE) Założenie: i as + i bs + i cs = 0 i 0s = 0 Model fizyczny w układzie osi winika qd 0

21 BSMT (UZWOJENIE 3/ --PASMOWE) Zmiennymi obwodowymi modelu dwuosiowego qd są następujące wielkości: u - napięcie zasilania uzwojenia stojana jakby uchomego w osi q; u - napięcie zasilania uzwojenia stojana jakby uchomego w osi d; i -pąd uzwojenia stojana jakby uchomego w osi q; i -pąd uzwojenia stojana jakby uchomego w osi d; λ fd -stumień magnesu skojazony z uzwojeniem stojana w osi d; I f - wydajność źódła pądowego zasilającego zastępcze uzwojenie wzbudzenia w osi d o pzepływie Θ f ównoważnym magnesowi wzbudzającym stumień λ fd ; e, e d - SEM otacji indukowane w uzwojeniach stojana w osiach qd (odwzoowują elektomechaniczne pzetwazanie enegii efekt uchu względnego zeczywistych uzwojeń stojana i winika maszyny). BSMT (UZWOJENIE 3/ 3/ --PASMOWE) Modele spzężeń tansfomatoowych uzwojeń stojana i winika w osiach qd w osi q jest tylko jeden obwód λ = ( L + L ) i ls ls mq md w osi d są dwa obwody λ = L i + L ( i + I ) = L i + L i + λ ' f ls md ' fd gdzie: λ fd = L md I' f L mq L md L ls - indukcyjność magnesowania modelująca wpływ stumienia głównego (magnesującego) w osi q na właściwości silnika; - indukcyjność magnesowania modelująca wpływ stumienia głównego (magnesującego) w osi d na właściwości silnika; - indukcyjności ozposzenia uzwojenia stojana modelująca wpływ stumienia ozposzenia na właściwości silnika. 1

22 BSMT (UZWOJENIE 3/ 3/ --PASMOWE) Modele spzężeń elektomechanicznych uzwojeń stojana i winika w osiach qd *SEM otacji składowe w osiach qd e e =+ω λ = ω λ - paca silnikowa - paca pądnicowa *Moment elektomagnetyczny składowe w osiach qd T i eq = + λ T ed = i λ - paca silnikowa - paca pądnicowa BSMT (UZWOJENIE 3/ 3/ -- PASMOWE) Modele spzężeń elektomechanicznych uzwojeń stojana i winika w osiach qd *Moment elektomagnetyczny suma składowych T e P = ( 3 )( )( i λ i λ ) lub pod stawieniu zależności na stumienie skojazone w osiach qd T e P = ( 3 )( )[ L md I i f + ( L md L mq ) i i ]

23 BSMT (UZWOJENIE 3/ 3/ --PASMOWE) Modele spzężeń elektomechanicznych uzwojeń stojana i winika w osiach qd *Moment elektomagnetyczny pzy L md = L mq lub T e 3 P = ( )( ) i ( Lmd I' 3 P T e = ( )( ) i λ' fd Analogicznie jak w silniku pądu stałego T P = ( e ) i a λ daf f ) SBMT (UZWOJENIE 3/ 3/ --PASMOWE) abc/qd c c c Obwód całkowania pędkości 3 Model obwodowy w układzie osi stojana as bs cs i winika qd 3

24 SBMT (UZWOJENIE 3/ 3/ --PASMOWE) c c c c PSPICE - model obwodowy SBMTw układzie osi stojana as bs cs i winika qd 4