ANALIZA PRACY MASZYNY SYNCHRONICZNEJ WZBUDZANEJ HYBRYDOWO W OBSZARZE OSŁABIONEGO STRUMIENIA

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 167 Michał Bonisławski, Ryszard Pałka Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie ANALIZA PRACY MASZYNY SYNCHRONICZNEJ WZBUDZANEJ HYBRYDOWO W OBSZARZE OSŁABIONEGO STRUMIENIA ANALYSYS OF HYBRID EXCITATION SYNCHRONOUS MACHINE IN FLUX WEAKENING REGION Streszczenie: W artykule przedstawiono wybrane warianty konstrukcyjne maszyn elektrycznych ze wzbudzeniem hybrydowym. Zaletą tej grupy maszyn, w stosunku do tradycyjnych maszyn synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM), jest możliwość łatwej zmiany strumienia maszyny. Dzięki temu, wytworzyć można większy moment obrotowy w zakresie niskich prędkości obrotowych oraz zwiększyć prędkość maksymalną, bez użycia tradycyjnych technik osłabiania strumienia. W celu weryfikacji możliwości zmiany strumienia maszyny synchronicznej, przeprowadzono badania na modelu prototypowej maszyny z magnesami trwałymi z możliwością regulacji wzbudzenia (ang. Electric Synchronous Permanent Magnet Machine ). Wykorzystano algorytmy sterowania z wektorową orientacją pola FOC (Field Oriented Control) wraz z blokiem automatycznej regulacji prądu wzbudzenia cewki pomocniczej. Abstract: The paper presents selected design variants of electric machines with hybrid excitation. The advantage of this group of machines is the ability to easily change the excitation flux. This allows a larger torque generation in the low speed range and an increase of the maximum speed, without using traditional flux weakening techniques. In order to verify the possibility of changing the flux of the synchronous machine, different tests were performed on a prototype model of permanent magnet synchronous machine with controllable excitation (). The Field Oriented Control (FOC) with automatic adjustment of the excitation current of the auxiliary coil was used. Słowa kluczowe: maszyny hybrydowe, regulacja strumienia osłabianie strumienia, Keywords: hybrid machines, excitation regulation, flux weakening, 1. Wstęp Cechą charakterystyczną maszyn synchronicznych z wzbudzeniem hybrydowym jest istnienie dwóch źródeł wzbudzenia: magnesów trwałych i dodatkowych uzwojeń zasilanych prądem stałym [1]. Głównym celem takiego rozwiązania jest uzyskanie kombinacji zalet tradycyjnych maszyn wzbudzonych magnesami trwałymi oraz umożliwienie regulacji strumienia w szczelinie maszyny. Dużą zaletą hybrydowo wzbudzonych maszyn synchronicznych jest możliwość ich zastosowania w układach, w których istotne jest uzyskanie wysokiej sprawności w szerokim zakresie obciążenia [2]. Dzięki możliwości stosunkowo łatwej zmiany wartości strumienia wypadkowego, w odróżnieniu od rozwiązań klasycznych (maszyna indukcyjna, PMSM), pozwalają one na uzyskanie wyższej efektywności w szerokim zakresie prędkości obrotowych i obciążeń. 2. Typowe maszyny wzbudzane hybrydowo Znanych jest wiele rozwiązań konstrukcyjnych hybrydowych maszyn synchronicznych. Zazwyczaj maszyny te posiadają dwa źródła wzbudzenia: magnesy trwałe oraz dodatkowe uzwojenia wzbudzające zasilane prądem stałym. Jednym z kryteriów podziału maszyn hybrydowych jest konfiguracja obwodu magnetycznego źródeł strumienia magnetycznego [3-8]. W przypadku konfiguracji szeregowej, strumień wywołany uzwojeniem dodatkowym przechodzi przez magnesy trwałe, natomiast w konfiguracji równoległej, strumień związany z uzwojeniem dodatkowym nie przenika przez magnes, z powodu jego stosunkowo dużej reluktancji (Rys. 1). Drugie kryterium uwzględnia lokalizację źródeł wzbudzenia w maszynie [3]: oba źródła mogą znajdować się jednocześnie w wirniku bądź w stojanie, lub w przypadku lokalizacji mieszanej jedno ze źródeł znajduje się w stojanie, a drugie w wirniku.

2 168 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) Rys. 1. Idea konstrukcji konfiguracji szeregowej i równoległej maszyn hybrydowych Rys. 2a przedstawia budowę maszyny hybrydowej (szeregowej), w której magnesy trwałe oraz uzwojenia pomocnicze umieszczone są w wirniku. W celu ich zasilenia konieczne jest użycie układu szczotek i pierścieni ślizgowych, co jest wadą opisywanej konstrukcji [6]. Konstrukcja z Rys. 2b jest również konstrukcją szeregową, jednak obydwa źródła wzbudzenia znajdują się w tym przypadku na stojanie. Cechą charakterystyczną tej konstrukcji jest duża objętość magnesów trwałych, jednak dzięki koncentracji strumienia, możliwe jest tu użycie tańszych magnesów ferrytowych [9]. Generalnie, konfiguracja szeregowa pozwala na węższy zakres regulacji strumienia. Dodatkowo, istotną wadą większości konstrukcji szeregowych, jest potencjalne niebezpieczeństwo trwałego odmagnesowania magnesów trwałych [10], jednak zaletą jest stosunkowo prosta budowa tego typu maszyny, a także korzystny stosunek momentu do masy. Wzbudzenie równoległe, pozwala na budowę różnorodnych struktur maszyn. Rys. 2c i 2d przedstawiają przykładowe rozwiązania, w których obydwa źródła wzbudzenia znajdują się na wirniku. W konsekwencji, zasilenie cewki wzbudzenia wymaga także zastosowania szczotek i pierścieni ślizgowych [11], [12]. Wady tej nie posiadają rozwiązania z mieszaną lokalizacją źródeł wzbudzenia, w których dodatkowe, regulowane źródło wzbudzenia znajduje się w stojanie maszyny (Rys. 2e). Wyróżnić można kilka wariantów w budowie tego typu maszyn opisanych w [13-16]. Znane są również metody zmiany wartości strumienia wzbudzenia poprzez dynamiczną modyfikację mechanicznej struktury maszyny [7]: Podział wirnika lub stojana na sekcje z możliwością ich wzajemnego rozsunięcia lub obrotu Modyfikacja szczeliny magnetycznej Zmiana drogi strumienia magnetycznego Wadą tego typu maszyn jest niekorzystny stosunek uzyskiwanego momentu do masy oraz znaczna komplikacja konstrukcji. Rys. 2. Wybrane rozwiązanie konstrukcyjne maszyn wzbudzanych hybrydowo (1 stojan, 2 wirnik, 3 uzwojenie główne, 4 magnes trwały, 5 uzwojenie pomocnicze).

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) Konstrukcja prototypowej maszyny W celu weryfikacji możliwości zmiany strumienia maszyny synchronicznej, badania przeprowadzono na modelu prototypowej maszyny z magnesami trwałymi o mocy ok. 20kW z możliwością regulacji wzbudzenia (ang. Electric Synchronous Permanent Magnet Machine ) [17]. Twornik testowej maszyny zbudowany jest z dwóch identycznych rdzeni, które oddzielone są dodatkową cewką, umożliwiającą zmianę stanu wzbudzenia maszyny. Rezystancja cewki wynosi ok. 8Ω. Bieguny maszyny umieszczone są na rdzeniu i składają się z grupy czterech magnesów wykonanych z metali ziem rzadkich. Polaryzacja magnesów jest przeciwna w stosunku do analogicznego bieguna drugiej części wirnika. Dodatkowo, pomiędzy magnesami umieszczone są bieguny ferromagnetyczne, których strumień jest wypadkową strumienia od magnesów oraz dodatkowej cewki. Część obwodu magnetycznego maszyny (rdzenie wirnika i jarzmo stojana) wykonane zostały z mieszaniny proszku magnetycznego i żywicy epoksydowej. Wał maszyny jest jednolitym elementem stalowym. Stanowisko badawcze składa się z dedykowanych przekształtników energoelektronicznych, sterownika mikroprocesorowego oraz aparatury pomiarowej. Maszyna zasilana jest z trójfazowego falownika napięcia i przekształtnika DC-DC zasilającego cewkę pomocniczą. W celu swobodnej integracji w struktury i parametry pętli regulacji, zaprojektowany i wykonany został nadrzędny, cyfrowy układ sterowania z procesorem sygnałowym (DSP) rodziny C2000 firmy Texas Instruments: TMS320F Do regulacji prądów stojana zastosowano algorytm zorientowany polowo FOC (ang. Field Oriented Control) z liniowymi regulatorami PI, pracującymi niezależnie na składowych prądu d i q. Rys. 4. Schemat stanowiska badawczego Układ taki odznacza się dobrą dokładnością regulacji prądu. Wyjściowe wartości regulatorów prądu, są przekształcane do współrzędnych skojarzonych ze stojanem (αβ i ABC), a następnie podane zostają na tzw. modulator wektorowy SVM (ang. Space Vector Modulator), którego zadaniem jest (przy pomocy falownika sześciotranzystorowego) wypracowanie zadanego wektora napięcia, którego maksymalna amplituda (w liniowym obszarze pracy modulatora) wynosi U DC / 3 [18]. Rys. 3. Budowa prototypowego modelu maszyny 4. Układ zasilania i sterowania Rys. 5. Struktura metody FOC 4.1. Praca w strefie osłabionego strumienia W obszarze dużych prędkości obrotowych, indukowane napięcie w uzwojeniach stojana maszyny (o amplitudzie proporcjonalnej do tej prędkości) może być na tyle wysokie, że niemożliwy będzie przepływ prądów w stojanie na wymaganym poziomie. Napięcie przekształtnika wyjściowego może być podwyższane, jednak ograniczeniem jest dostępna maksymalna wartość napięcia pośredniczącego obwodu napięcia DC [19]. Konsekwencją jest ograniczenie maksymalnej prędkości obrotowej do prędkości

4 170 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) granicznej, która dla biegu jałowego wynosi (wartość prądu I q = 0): ω = b U RI s s d Ψ s (1) Możliwe jest jednak osłabienie wartości wypadkowego strumienia magnetycznego (ang. Field Weakening FW), poprzez obniżanie amplitudy strumienia stojana odwrotnie proporcjonalnie do zadanej prędkości ω ref [20]: Usmax Ψ = (2) s ω ref wartość U s przekroczy wartość U max, to regulator PI zwiększy zadaną wartość ujemnego komponentu prądu w osi d [21]. Wyjście regulatora jest dodatkowo ograniczone dla dodatnich wartości prądu I d. Strukturę układu regulacji prądów w osi dq przedstawia Rys. 7. Na Rys. 8. przedstawiono wynik symulacji działania powyższej metody, przy założeniu, że prędkość bazowa ω b 125 rad/s (1200 obr/min). Widoczne jest stopniowe zmniejszanie wartości prądu I d po przekroczeniu prędkości bazowej. Rys. 7. Blok osłabiania strumienia maszyny PMSM Rys. 6. Obszar pracy osłabiania strumienia W tradycyjnej maszynie PMSM, można to uzyskać, wpływając na wartość prądu stojana w osi d [20], uwzględniając maksymalne wartości napięć i prądów narzucone przez parametry falownika i maszyny: u + u U d q smax i + i I d q smax (3) gdzie: U maksymalna amplituda napięcia smax fazowego podstawowej harmonicznej, I maksymalna amplituda prądu. smax W wybranej metodzie osłabiania strumienia wypadkowego stojana, wartość zadana prądu I d wyznaczana jest na podstawie różnicy napięcia maksymalnego U max =U DC / 3 i modułu napięć 2 2 zadanych w osi dq: U = u + u. Jeżeli s sd sd Rys. 8. Symulacja działania algorytmu FOC z blokiem osłabiania strumienia W celu przeprowadzenia analizy pracy prototypowej maszyny w strefie osłabienia strumienia wypadkowego cewką dodatkową, powyższą metodą zmodyfikowano: w momencie osiągnięcia prędkości bazowej (wynikającej z osiągnięcia limitu napięcia wyjściowego falownika), zamiast prądu I d, zmniejszona zostaje

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 171 wartość prądu cewki dodatkowej I exc, aż do osiągnięcia wartości granicznej (-5A) (Rys. 9). Rys. 11 przedstawa wynik działania algorytmu zadawania prądu cewki dodatkowej I exc. Rys. 9. Diagram systemu zasilania maszyny Maksymalna prędkość kątowa maszyny ograniczona została do 210rad/s (2000obr/min). W celu weryfikacji działania metody FW, wyjściowe napięcie falownika zostało ograniczone do wartości ok. 130V. Prędkość bazowa w takim wypadku wynosiła ok. 125rad/s (1200obr/min). Rys. 10 i 11 przedstawiają mapy wartości prądów stojana, kolejno dla tradycyjnej metody osłabiania strumienia (redukcja I d ) oraz poprzez zmniejszanie prądu cewki dodatkowej (redukcja I exc ). Rys. 10. Skuteczne wartości prądów stojana przy redukcji prądu cewki pomoczniczej (I exc ) Rys. 11. Mapa wartości prądu I exc Rys. 10. Skuteczne wartości prądów stojana w tradycyjnej metodzie FW (I d ) Widoczny jest wzrost wartości prądu przy przekroczeniu prędkości bazowej. Zaletą pracy z regulacją strumienia cewką dodatkową jest redukacja wymaganego prądu stojana dla pewnych zakresów obciążeń i prędkości. 6. Wnioski Celem przeprowadzonych badań była weryfikacja pracy prototypowej maszyny w obszarze osłabionego strumienia magnetycznego. Na podstawie wyników badań eksperymentalnych, potwierdzony został wpływ dodatkowej cewki na stan wzbudzenia maszyny. Możliwe jest zmniejszenie prądu stojana w stosunku do klasycznych metod, co wpływa pozytywnie na sprawność maszyny i układu zasilania w zakresie wysokich prędkości obrotowych.

6 172 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 7. Literatura [1]. J. F. Gieras, PM synchronous generators with hybrid excitation systems and voltage control Capabilities: A review in Electrical Machines (ICEM), 2012 XXth International Conference on, 2012, pp [2]. D. Fodorean, A. Djerdir, A. Miraoui, and I.-A. Viorel, FOC and DTC Techniques for Controlling a Double Excited Synchronous Machine, in Electric Machines Drives Conference, IEMDC 07. IEEE International, 2007, vol. 2, pp [3]. B. Nedjar, S. Hlioui, M. Lecrivain, Y. Amara, L. Vido, and M. Gabsi, Study of a new hybrid excitation synchronous machine, in Electrical Machines (ICEM), 2012 XXth International Conference on, 2012, pp [4]. H. May, Meins, w. Canders, and R. Pałka, New permanent magnet excited synchronous machine with extended, stator fixed auxilary excitation coil, in ISEF XIV International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering, 2009 [5]. H. May, R. Palka, P. Paplicki, S. Szkolny, and W.-R. Canders, Modified concept of permanent magnet excited synchronous machines with improved high-speed features, Arch. Electr. Eng., vol. 60, no. 4, pp , Jan [6]. D. Fodorean, A. Djerdir, l.-a. Viorel, and A. Miraoui, A Double Excited Synchronous Machine for Direct Drive Application, Design and Prototype Tests, Energy Conversion, IEEE Trans., vol. 22, no. 3, pp , 2007 [7]. R. L. Owen, Z. Q. Zhu, J. B. Wang, D. A. Stone, and I. Urquhart`, Review of Variable-flux Permanent Magnet Machines, in Journal of International Conference on Electrical Machines and Systems, Vol.1, No.1, pp.23~31, , 2012 [8]. C. Zhao and Y. Yan, A review of development of hybrid excitation synchronous machine, in Industrial Electronics, ISIE Proceedings of the IEEE International Symposium on, 2005, vol. 2, pp vol. 2 [9]. F. Leonardi, T. Matsuo, Y. Li, T. A. Lipo, and P. McCleer, Design considerations and test results for a doubly salient PM motor with flux control, in Industry Applications Conference, Thirty-First IAS Annual Meeting, IAS 96., Conference Record of the 1996 IEEE, 1996, vol. 1, pp vol.1 [10]. Y. Amara, S. Hlioui, R. Belfkira, G. Barakat, and M. Gabsi, Comparison of Open Circuit Flux Control Capability of a Series Double Excitation Machine and a Parallel Double Excitation Machine, Veh. Technol. IEEE Trans., vol. 60, no. 9, pp , 2011 [11]. X. Luo and T. A. Lipo, A. Synchronous/permanent magnet hybrid AC machine, Energy Conversion, IEEE Trans., vol. 15, no. 2, pp , 2000 [12]. A. D. Akemakou and S. K. Phounsombat, Electrical machine with double excitation, especially a motor vehicle alternator, Patent no. US A [13]. Mizuno, Hybrid excitation type permanent magnet synchronous motor, Patent no [14]. Y. Amara, L. Vido, M. Gabsi, E. Hoang, A. Hamid Ben Ahmed, and M. Lecrivain, Hybrid Excitation Synchronous Machines: Energy-Efficient Solution for Vehicles Propulsion, IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 58, no. 5, pp , 2009 [15]. J. A. Tapia, F. Leonardi, and T. A. Lipo, A design procedure for a PM machine with extended field weakening capability, in Industry Applications Conference, th IAS Annual Meeting. Conference Record of the, 2002, vol. 3, pp vol.3 [16]. J. A. Tapia, F. Leonardi, and T. A. Lipo, Consequent-pole permanent-magnet machine with extended field-weakening capability, Ind. Appl. IEEE Trans., vol. 39, no. 6, pp , 2003 [17]. R. Pałka, P. Paplicki, and M. Wardach, Wpływ klinów magnetycznych na parametry maszyny elektrycznej z magnesami i regulacją strumienia, Zeszyty Problemowe: Maszyny Elektryczne, Nr 100, cz. 1, 2013 [18]. J. Holtz, Pulsewidth modulation a survey, Ind. Electron. IEEE Trans., vol. 049, no. 202, 1992 [19]. P.-Y. Lin and Y.-S. Lai, Novel Voltage Trajectory Control for Flux Weakening Operation of Surface Mounted PMSM Drives, in Industry Applications Society Annual Meeting, IAS 08. IEEE, 2008, pp. 1 8 [20]. K. Zawirski, Sterowanie silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2005 [21]. J.-H. Song, J.-M. Kim, and S.-K. Sul, A new robust SPMSM control to parameter variations in flux weakening region, in Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, 1996., Proceedings of the 1996 IEEE IECON 22nd International Conference on, 1996, vol. 2, pp vol.2 Autorzy prof. dr hab. inż. Ryszard Pałka, rpalka@zut.edu.pl; mgr inż. Michał Bonisławski, michal.bonislawski@zut.edu.pl. Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Elektryczny, ul. Sikorskiego 37, Szczecin, tel.: Informacje dodatkowe Badania finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR), projekt nr N ( ).