Politechnika Warszawska nstytut Maszyn Elektrycznych Laboratorium Maszyn Elektrycznych Małej Mocy BADAE LKA RELUKTACYJEGO PRZEŁĄCZALEGO (RM) CZĘŚĆ 1 POMARY MOMETU TATYCZEGO Warszawa 2015
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z silnikiem reluktancyjnym przełączalnym (ang. RM witched Reluctance Motor) oraz wyznaczenie jego charakterystyk statycznych i dynamicznych. 2. Wprowadzenie ilnik reluktancyjny przełączalny jest maszyną elektryczną składającą się ze stojana na którym nawinięte są uzwojenia oraz blachowanego wirnika. Maszyna reluktancyjna posiada bieguny wydatne zarówno na stojanie jak i na wirniku [1]. Podstawowymi parametrami opisującymi silnik reluktancyjny są: liczba pasm fazowych stojana m, liczba par biegunów stojana na pasmo fazowe q (jedno pasmo = 2q cewek połączonych szeregowo), liczba biegunów stojana s = 2mq, liczba biegunów wirnika r, skok roboczy wirnika ϵ o. ilniki reluktancyjne opisujemy na podstawie jego parametrów geometrycznych (liczba faz: m, liczba biegunów stojana s, liczba biegunów wirnika r ). a rysunku 1 przedstawiony został dwufazowy silnik RM o konfiguracji 4/2. A B B 1 A 1 Rys. 1: Dwufazowy silnik RM o strukturze 4/2. Liczba par biegunów stojana w silniku RM musi być parzysta. Jest to spowodowane koniecznością zrównoważenia naciągu magnetycznego. Jednocześnie bieguny wirnika muszą być rozstawione w taki sposób, aby była możliwość zamknięcia obwodu magnetycznego.
Z powyższych warunków wynika wniosek, iż liczba biegunów stojana musi stanowić parzystą wielokrotność liczby pasm fazowych [3]. 2.1. Zasada działania silnika RM Zasada działania silnika reluktancyjnego przełączalnego (RM) opiera się o podstawowy z jego elementów elektromagnes. iła z jaką elektromagnes przyciąga do siebie ferromagnetyczne przedmioty jest proporcjonalna do kwadratu indukcji magnetycznej B oraz pola przekroju poprzecznego rdzenia i odwrotnie proporcjonalna do przenikalności magnetycznej próżni μ 0 (Rys. 2). F= B2 2 μ 0 F Rysunek 2: Elektromagnes przyciągający żelazną sztabkę. W przypadku, gdy żelazny blok (wirnik) zostanie zamocowany na wale i umieszczony pomiędzy dwoma elektromagnesami, tak jak to pokazano na rysunku 3, powstanie najprostszy silnik RM. iła wywierana na wirnik w czasie przepływu prądu spowoduje obrócenie go do pozycji, w której występuje najmniejsza reluktancja wytwarzając tym samym moment napędowy. F F Rysunek 3: Ruch obrotowy spowodowany siłą wytwarzaną przez elektromagnesy. W silniku reluktancyjnym wyróżniamy charakterystyczne pozycje wirnika: pozycja stabilna (wzdłużna), pozycja niestabilna (poprzeczna), Pozycja wzdłużna stabilna występuje w sytuacji, kiedy bieguny wirnika znajdą się bezpośrednio pod biegunami stojana θ=0 o (Rys. 4)
Θ Rys. 4: Pozycja wzdłużna stabilna(ang. aligned possition). W takiej sytuacji wirnik nie jest w stanie się poruszyć w żadną stronę i generowany moment jest zerowy. Jest to pozycja, w której szczelina powietrzna oraz reluktancja obwodu magnetycznego, między wirnikiem a biegunami stojana jest najmniejsza, a indukcyjność fazy największa. W tym przypadku, jeżeli wirnik zostanie odchylony od położenia zerowego, siła wytwarzana przez elektromagnes spowoduje przyciągnięcie go z powrotem pod jego biegun. Pozycja poprzeczna niestabilna występuje w sytuacji, kiedy bieguny wirnika są, najbardziej jak to możliwe, oddalone od biegunów stojana, a reluktancja jest największa (Rys. 5). Θ=90 o Rys. 5: Pozycja poprzeczna niestabilna (ang. unaligned position) (opracowanie własne). W tej sytuacji wirnik również nie jest w stanie się poruszyć i generowany moment wynosi zero. ndukcyjność w tej pozycji jest najmniejsza, a dowolne odchylenie wirnika od tego położenia spowoduje obrócenie go do pozycji wzdłużnej stabilnej. Pomiędzy pozycją zera niestabilnego, a pozycją zera stabilnego silnik RM jest zdolny do wytwarzania momentu elektromagnetycznego. Moment elektromagnetyczny wytwarzany w silniku RM wynosi gdzie: L indukcyjność uzwojenia, i prąd uzwojenia, Θ - położenie kątowe wirnika T e = 1 2 i2 δ L δ Θ Przykładowy przebieg momentu elektromagnetycznego dla silnika dwufazowego o strukturze 4/2 przedstawiony został na rysunku 6.
Rys. 6: Moment elektromagnetyczny dwufazowego silnika RM 4/2 w funkcji położenia kątowego wirnika. Ciągły obrót wirnika w silniku RM 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 [2]. 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. Za regulację wartości prądu odpowiada układ sterowania, który utrzymuje wartość prądu na zadanym poziomie wynoszącym i lim.
3. tanowisko laboratoryjne i wykonanie ćwiczenia Badania statyczne silnika 230V 230:24 A 0 o 315 o 45 o 270 o 90 o 0.300 225 o 180 o 135 o Rys. 7: chemat stanowiska laboratoryjnego. chemat stanowiska przedstawiony został na rysunku 7: tanowisko wyposażone zostało w następujące elementy: silnik trójfazowy 6/4, ramie pomiarowe o długości 290 mm z możliwością nastawy kąta zamontowane na wale silnika, wagę z cyfrowym odczytem, kątomierz zamontowany na tarczy łożyskowej silnika, układ zasilania silnika składający się z: autotransformatora służącego do regulacji napięcia, transformatora obniżającego napięcie 230/24,
prostownika, filtru typu P, amperomierza. 3.1.1 Wykonanie ćwiczenia, W pierwszej kolejności należy połączyć układ pomiarowy według schematu na rysunku 7. astępnie należy skalibrować kątomierz zamontowany na silniku. W tym celu należy: ustawić wartość prądu w obwodzie silnika na wartość 6A jeśli prowadzący nie wskaże inaczej, wyzerować wskazanie kątomierza po ustawieniu się wirnika w pozycji wzdłużnej stabilnej, astępnie należy wyznaczyć charakterystykę momentu statycznego wybranej fazy maszyny. W tym celu należy: uruchomić wagę i ją wytarować, upewnić się, że kątomierz został poprawnie skalibrowany, nastawić wartość prądu 2 A i kontrolować ją w czasie wykonywania pomiarów, odchylić ramie pomiarowe (obracając pokrętło na nim umieszczone), zanotować wskazanie wagi. Wykonać rodzinę charakterystyk momentu w funkcji kąta obrotu wału od 0 do 90 stopni z krokiem co 5 stopni dla prądów 2 A, 4 A, 6 A, 8 A, 10 A. Tabela 1. Przykładowa tabela pomiarowa momentu. Kąt (stopnie)/prąd 2A Wskazanie wagi (g) Moment (m) 0 5 10... 90
4. Wykonanie sprawozdania. W sprawozdaniu należy umieścić: dane mierzonego silnika, schemat pomiarowy, tabelę z zebranymi pomiarami, wykres przedstawiający rodzinę charakterystyk momentu statycznego silnika, podsumowanie i wnioski. 5. Zagadnienia Określić kąt pomiędzy położeniem podłużnym i poprzecznym dla silnika o liczbie pasm fazowych m, liczbie biegunów stojana p s i liczbie biegunów wirnika p r, określić liczbę skoków silnika na obrót dla silnika 6/4 i 4/2. określić częstotliwość przełączania pasma fazowego przy prędkości obrotowej 3000 obr/min dla silnika dwufazowego 4/2. określić napięcie wymagane dla ustalenia prądu pasma fazowego równego 10 A przy założeniu, ze rezystancja uzwojenia R=1.2Ω @ 20 o C, a uzwojenie nagrzewa się do temperatury 120 o C. Współczynnik temperaturowy miedzi wynosi 0,004 1. K 6. Literatura [1] T.J.E. Miller: Electronic Control of witched Reluctance Machines, 2001 r. [2] R. Krishnan: witched Reluctance Motor Drives: Modeling, imulation, Analysis, Design, an Application, 2001r. [3] K. Bieńkowski, B. Bucki, Model polowy przełączalnego silnika reluktancyjnego, Proceedings of XL nternational ymposium on Electrical Machines, Hajnówka, 15 18.06.2004 r. opracował: mgr. nż. Krzysztof Jackiewicz, Warszawa 2015