BADANIE SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO (SRM) CZĘŚĆ 2 PRACA DYNAMICZNA SILNIKA

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Instytut Maszyn Elektrycznych Laboratorium Maszyn Elektrycznych Małej Mocy BADANIE SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO (SRM) CZĘŚĆ 2 PRACA DYNAMICZNA SILNIKA Warszawa 2015

2 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem silnika reluktancyjnego przełączalnego oraz wyznaczenie jego charakterystyk dynamicznych. 2. Wprowadzenie Silnik SRM do wytwarzania momentu elektromagnetycznego wykorzystuje szereg uzwojeń załączanych w odpowiednich momentach przez układ sterowania. Uzwojenia te połączone są zawsze parami szeregowo i zwane są pasmami fazowymi. Liczba pasm fazowych jest ściśle związana z budową geometryczną silnika. Schemat przedstawiający budowę silnika wykorzystywanego w ćwiczeniu znajduje się na rysunku 1. A Θ B B 1 A 1 Rys. 1: Dwufazowy silnik SRM o strukturze 4/2. Jest to silnik dwufazowy o strukturze 4/2. Oznacza to, że składa się on z dwóch niezależnych pasm fazowych umieszczonych na czterech biegunach oraz dwubiegunowego wirnika Praca silnika w stanie dynamicznym Gdy przez uzwojenie przepływa prąd elektryczny wytwarza ono moment elektromagnetyczny, który zależny jest od dwóch czynników. Pierwszym z nich jest wartość prądu przepływająca przez to uzwojenie, a drugim położenie wirnika względem tego uzwojenia. Od wartości prądu płynącego przez uzwojenie zależy wielkość momentu wytwarzanego przez silnik, natomiast położenie wirnika wpływa zarówno na wielkość momentu jak i jego znak. Rysunek przedstawiający przebieg momentu elektromagnetycznego obu pasm fazowych silnika przedstawiony został poniżej (Rys.2).

3 Rys. 2: Moment elektromagnetyczny dwufazowego silnika SRM 4/2 w funkcji położenia kątowego wirnika. Ciągły obrót wirnika w silniku SRM jest uzyskiwany poprzez odpowiednie przełączanie faz stojana. Układ sterowania musi w taki sposób zasilać kolejne uzwojenia by wytwarzany przez nie moment elektromagnetyczny był cały czas dodatni. Położenie wirnika w którym układ sterowania załącza przepływ prądu przez uzwojenie nazywane jest kątem załączenia fazy ( Θ on ). W momencie osiągnięcia przez wirnik położenia zera stabilnego względem danej fazy prąd w tej fazie musi osiągnąć zero. Oznacza to, że należy odpowiednio wcześniej rozpocząć wyłączanie prądu w uzwojeniu, żeby zdążył on zaniknąć. Położenie wirnika, w którym rozpoczynany jest proces wyłączenia prądu w fazie nazywane jest kątem wyłączenia fazy ( Θ off ). Po osiągnięciu przez wirnik położenia stabilnego względem danej fazy załączana jest kolejna powodując dalszy obrót wirnika. Na rysunku 3 przedstawiony został diagram przedstawiający kąty komutacji pasm fazowych. Rys. 3: Schemat sterowania kątem załączenia i wyłączenia faz silnika SRM.

4 Do poprawnej pracy silnika wymagana jest ciągła kontrola oraz regulacja wartości chwilowej prądu w uzwojeniach. Kontrola prądu niezbędna jest do utrzymania obwodu magnetycznego w stanie nienasyconym oraz do regulacji wartości wytwarzanego przez silnik momentu elektromagnetycznego (np. w celu regulacji prędkości obrotowej silnika). Za regulację wartości prądu odpowiada układ sterowania, który utrzymuje wartość prądu na zadanym poziomie wynoszącym i lim. Ze względu na zmieniającą się (wraz z obrotem wirnika) indukcyjność pasma fazowego wartość prądu w uzwojeniu utrzymywana jest metodą histerezową. Na rysunku 4 przedstawiony został przykładowy przebieg prądu w uzwojeniu. i I zad + h i zad t Rys. 4: Przykładowy przebieg prądu w uzwojeniu maszyny. Pasma fazowe silnika zasilane są z obwodu mocy składającego się z modułu mocy zawierającego 6 tranzystorów wraz z diodami zwrotnymi i obwodu napięcia pośredniczącego DC (U DC ). Tranzystory te tworzą dwa mostki H z których każdy zasila podłączone do niego pasmo fazowe. Schemat połączenia przedstawiony został na rysunku. T1 L A T3 L B T5 U DC T2 T4 T6 R P1 R P2 R P3 Rys. 5: Podłączenie pasm fazowych silnika do obwodu mocy. Układ sterowania kontroluje prąd załączając i wyłączając odpowiednie tranzystory w mostkach H. W czasie gdy sterownik zwiększa prąd, do uzwojenia przykładne jest napięcie U dc.. W czasie wyłączania prądu wszystkie tranzystory są wyłączane i uzwojenie zwraca prąd do źródła z napięciem -U dc.

5 3. Stanowisko laboratoryjne i wykonanie ćwiczenia. Stanowisko laboratoryjne wyposażone jest w: dwufazowy silnik SRM o mocy projektowanej rpm z zamontowanym przetwornikiem obrotowo-impulsowym, hamownica indukcyjna (wiroprądowa) wraz z ramieniem pomiarowym o długości 30 cm chłodzona glikolem służąca do obciążania silnika, chłodnicę cieczy chłodzącej z wymuszonym obiegiem powietrza, sterownik dwufazowego silnika SRM, panel operatorski, układ zasilania wzbudzenia hamownicy składający się z: autotransformatora pozwalającego na regulację prądu wzbudzenia hamownicy, transformatora obniżającego napięcie, prostownika, filtra pojemnościowego, układ zasilania obwodu DC sterownika składający się z: autotransformatora, transformatora separującego, amperomierza, woltomierza, wagi służącej do pomiaru momentu. Schemat pomiarowy przedstawiony został na rysunku V 230V 1:1 A V STEROWNIK SILNIK SRM SPRZĘGŁO WZBUDZENIE 230V PANEL POMIAR MOMENTU HAMOWNICA CHŁODNICA Rys. 6: Schemat stanowiska pomiarowego.

6 4. Obsługa mikroprocesorowego sterownika silnika SRM. Obsługa sterownika, zadawanie parametrów sterowania oraz odczyt danych z silnika odbywa się z wykorzystaniem panelu operatorskiego dostępnego na stanowisku pomiarowym. Zdjęcie panelu operatorskiego wraz z opisem przycisków przedstawione zostało na rysunku 7. Włącz/Wyłącz Zwiększ/Zmniejsz Zatwierdź Cofnij Rys. 7: Panel operatorski. Po włączeniu panelu operatorskiego ukazuje nam się menu główne. Nawigacja po menu odbywa się z wykorzystaniem dwóch przycisków oraz impulsatora obrotowego. Przycisk zatwierdź pozwala na wybór aktualnie wskazywanej pozycji w przypadku nawigacji po menu lub akceptację nowej wartości parametru w przypadku jego edycji. Przycisk cofnij pozwala na powrót do poprzedniego ekranu bez wprowadzania zmian. Impulsator obrotowy pozwala na zmianę pozycji kursora w przypadku nawigacji po menu lub modyfikację parametru w przypadku jego edycji. Aktualna pozycja kursora wskazywana jest przez znak >. UWAGA: W czasie pomiarów należy wykorzystywać tylko tryb automatyczny ( AUTO ). W tym trybie sterownik pracuje w zamkniętej pętli sprzężenie zwrotnego utrzymując zadaną przez użytkownika prędkość obrotową. Regulacja prędkości obrotowej realizowana jest w oparciu o regulator typu PI, który odpowiednio dobiera wartość ograniczenia prądowego pasm fazowych.

7 W trybie automatycznym sterownik pracuje ze stałym kątem włączenia pasma fazowego wynoszącym 5 o. Kąt wyłączenia pasma fazowego dobierany jest automatycznie w taki sposób, by prąd pasma fazowego zanikał dokładnie w momencie osiągnięcia przez wirnik pozycji wzdłużnej stabilnej. Uwaga: Sterownik przedstawia prędkość obrotową silnika w obrotach na sekundę. 4.1 Obsługa trybu automatycznego. W celu wejścia w tryb automatyczny należy kolejno: włączyć zasilanie sterownika silnika SRM duży wyłącznik na obudowie, włączyć panel operatorski, wybrać: MODE, wybrać: AUTO, uruchomić silnik obracając wał hamownicy w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Po wykonaniu powyższych czynności sterownik SRM będzie pracował w trybie automatycznym utrzymując zadaną prędkość obrotową. Na wyświetlaczu urządzenia prezentowane są następujące dane: aktualna prędkość obrotowa, w=... kąt załączenia pasma fazowego, a_on=5 o kąt wyłączenia pasma fazowego, a_off=... wartość ograniczenia prądowego. I=... W celu zmiany zadanej prędkości obrotowej należy kolejno: wcisnąć przycisk ZATWIERDŹ, obracając impulsatorem wybrać nową nową wartości prędkości obrotowej, potwierdzić nową wartość prędkości obrotowej wciskając przycisk ZATWIERDŹ. 5. Wykonanie ćwiczenia W pierwszej kolejności należy upewnić się, ze wszystkie elementy stanowiska połączone są zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku. Po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego należy uruchomić zasilanie i ustawić napięcie zasilanie obwodu DC na wartość 50 V. Następnie należy uruchomić silnik w trybie pracy automatycznej sterownika. Opis uruchomienia

8 trybu automatycznego został przedstawiony w rozdziale 4. W ćwiczeniu należy wyznaczyć rodzinę charakterystyk obciążeniowych silnika dla prędkości obrotowych kolejno: 50, 100 oraz 125 obr/s dla napięć obwodu DC 75, 150 oraz 200 V. W celu przeprowadzenia pomiaru należy: ustawić żądaną wartość napięcia obwodu DC i kontrolować jej wartość w czasie przeprowadzania pomiarów, ustawić na sterowniku zadaną wartość prędkości obrotowej, zapisać w protokole następujące parametry: prąd obwodu DC [A], nacisk ramienia pomiarowego na wagę [g], prąd pasma fazowego zadany przez regulator [A], kąt wyłączenia pasma fazowego [ o ]. zwiększyć obciążenie silnika podnosząc prąd wzbudzenia hamownicy. Pomiary należy przeprowadzać od biegu jałowego do momentu w którym sterownik nie będzie w stanie utrzymać zadanej prędkości obrotowej lub gdy zostanie osiągnięte maksymalne napięcie wzbudzenia hamownicy. Przykładowa tabela pomiarowa została przedstawiona poniżej: Prędkość:... napięcie DC:... Lp. Prąd DC [A] Nacisk [g] Prąd pasma [A] Kąt wyłączenia [st] Na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy obliczyć kolejno: moment obrotowy silnika [ N m ], moc mechaniczną [W], moc elektryczną obwodu DC [W], sprawność silnika [%],

9 Na podstawie zebranych wyników należy dla każdej prędkości obrotowej utworzyć następujące rodziny charakterystyk: rodzinę charakterystyk przedstawiającą sprawności silnika w funkcji momentu obrotowego dla kolejnych napięć obwodu DC, rodzinę charakterystyk kąta wyłączenia w funkcji momentu obrotowego dla kolejnych napięć obwodu DC. UWAGA: W czasie pomiarów należy zwracać uwagę czy następuje prawidłowy przepływ cieczy chłodzącej przez hamownicę! 7. Zagadnienia Określić sprawność silnika SRM wirującego z prędkością obrotową wynoszącą obr/min obciążonego momentem obrotowym 0,5 N m wiedząc, że obwód DC dostarczający energię do silnika ma następujące parametry: napięcie 300 V, prąd średni 2,32 A. Wyznaczyć czas potrzebny na wygaszenie prądu o wartości 10 A w uzwojeniu silnika przy założeniu, że indukcyjność uzwojenia jest stała i wynosi 10 mh, a napięcie gaszenia utrzymywane na uzwojeniu wynosi 300 V, 8. Sprawozdanie i opracowanie wyników W sprawozdanie należy umieścić: tabelę z zebranymi wynikami oraz obliczonymi parametrami, przykładowe obliczenia, wykreślone charakterystyki, spostrzeżenia i wnioski. 9. Literatura [1] T.J.E. Miller: Electronic Control of Switched Reluctance Machines, 2001 r. [2] R. Krishnan: Switched Reluctance Motor Drives: Modeling, Simulation, Analysis, Design, an Application, 2001r. [3] K. Bieńkowski, B. Bucki, Model polowy przełączalnego silnika reluktancyjnego, Proceedings of XL International Symposium on Electrical Machines, Hajnówka, r. Opracował: mgr. inż. Krzysztof Jackiewicz, Warszawa 2015