DOBÓR DIOD ZABEZPIECZAJĄCYCH W FALOWNIKACH SILNIKÓW BLDC Z ELEKTRONICZNYM BOCZNIKOWANIEM CZĘŚCI UZWOJENIA



Podobne dokumenty
Rys. 1. Krzywe mocy i momentu: a) w obcowzbudnym silniku prądu stałego, b) w odwzbudzanym silniku synchronicznym z magnesem trwałym

SILNIK ELEKTRYCZNY O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM

Ćwiczenie 1. Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i przekształtnikiem obniżającym.

PRĄDNICE I SILNIKI. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Silniki prądu stałego

PRACA RÓWNOLEGŁA PRĄDNIC SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

Silniki prądu stałego z komutacją bezstykową (elektroniczną)

Maszyna indukcyjna jest prądnicą, jeżeli prędkość wirnika jest większa od prędkości synchronicznej, czyli n > n 1 (s < 0).

Wykaz ważniejszych oznaczeń Podstawowe informacje o napędzie z silnikami bezszczotkowymi... 13

SPIS TREŚCI PRZEDMOWA WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 1. PODSTAWOWE INFORMACJE O NAPĘDZIE Z SILNIKAMI BEZSZCZOTKOWYMI 1.1. Zasada działania i

Wykład 2 Silniki indukcyjne asynchroniczne

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 115

Silnik indukcyjny - historia

Temat: Silniki komutatorowe jednofazowe: silnik szeregowy, bocznikowy, repulsyjny.

mgr inŝ. TADEUSZ MAŁECKI MASZYNY ELEKTRYCZNE Kurs ELEKTROMECHANIK stopień pierwszy Zespół Szkół Ogólnokształcących i Zawodowych

WPŁYW SPOSOBU ZASILANIA NA WŁASNOŚCI DYNAMICZNE SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO, ZASILANYCH Z IMPULSOWYCH PRZETWORNIKÓW ENERGII

Ćwiczenie: "Silnik prądu stałego"

Alternator. Elektrotechnika w środkach transportu 125

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

ZWARTE PRĘTY ROZRUCHOWE W SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

Ćwiczenie 1 Symulacja układu napędowego z silnikiem prądu stałego i przekształtnikiem tranzystorowym obniżającym napięcie.

Charakterystyka rozruchowa silnika repulsyjnego

Pracownia Automatyki i Elektrotechniki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5. Analiza pracy oraz zasada działania silników asynchronicznych

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

Opracował: mgr inż. Marcin Wieczorek

PODSTAWOWE ELEMENTY ELEKTRONICZNE DIODA PROSTOWNICZA. W diodach dla prądu elektrycznego istnieje kierunek przewodzenia i kierunek zaporowy.

BADANIE JEDNOFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO Strona 1/5

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Silniki synchroniczne

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Gr. 2 Godzina: 15:30 Temat ćwiczenia: Hamowanie impulsowe silnika szeregowego

ANALIZA PRACY SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI W WARUNKACH ZAPADU NAPIĘCIA

Ćwiczenie 1b. Silnik prądu stałego jako element wykonawczy Modelowanie i symulacja napędu CZUJNIKI POMIAROWE I ELEMENTY WYKONAWCZE

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Silniki indukcyjne. Ze względu na budowę wirnika maszyny indukcyjne dzieli się na: -Maszyny indukcyjne pierścieniowe. -Maszyny indukcyjne klatkowe.

ŁAGODNA SYNCHRONIZACJA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO DUŻEJ MOCY Z PRĘDKOŚCI NADSYNCHRONICZNEJ

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

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

IMPULSOWY PRZEKSZTAŁTNIK ENERGII Z TRANZYSTOREM SZEREGOWYM

Pracę każdej prądnicy w sposób jednoznaczny określają następujące wielkości:

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

Wykład 1. Serwonapęd - układ, którego zadaniem jest pozycjonowanie osi.

SAMOCZYNNA SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW LSPMSM

Wykład 4. Strumień magnetyczny w maszynie synchroniczne magnes trwały, elektromagnes. Magneśnica wirnik z biegunami magnetycznymi. pn 60.

POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO

Obwód składający się z baterii (źródła siły elektromotorycznej ) oraz opornika. r opór wewnętrzny baterii R- opór opornika

PRACA DWUMASZYNOWEGO NAPĘDU Z SILNIKAMI BLDC W ELEKTROMECHANICZNYCH STANACH PRZEJŚCIOWYCH

Przekształtniki napięcia stałego na stałe

PL B1. AZO DIGITAL SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Gdańsk, PL BUP 20/10. PIOTR ADAMOWICZ, Sopot, PL

WPŁYW UKŁADU STEROWANIA PRĄDEM WZBUDZENIA NA PROCES SYNCHRONIZACJI SILNIKA SYNCHRONICZNEGO

PL B1. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL BUP 10/16. JAROSŁAW GUZIŃSKI, Gdańsk, PL PATRYK STRANKOWSKI, Kościerzyna, PL

ANALIZA BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA PRĄDU STAŁEGO Z MAGNESAMI NdFeB

bieguny główne z uzwojeniem wzbudzającym (3), bieguny pomocnicze (komutacyjne) (5), tarcze łożyskowe, trzymadła szczotkowe.

Napędy z silnikiem prądu stałego: obcowzbudnym i z magnesami trwałymi.

SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH PRZEZ ZMIANĘ KIERUNKU PRZEPŁYWU PRĄDU WZBUDZENIA

Na podstawie uproszczonego schematu zastępczego silnika w stanie zwarcia (s = 1) określamy:

Rozwój sterowania prędkością silnika indukcyjnego trójfazowego

BADANIE SILNIKA WYKONAWCZEGO PRĄDU STAŁEGO

WERYFIKACJA METOD OBLICZENIOWYCH SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Badanie prądnicy prądu stałego

Przegląd koncepcji maszyn wzbudzanych hybrydowo do zastosowania w napędzie samochodów

SPOSOBY REGULACJI PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA W POJEŹDZIE Z NAPĘDEM ELEKTRYCZNYM

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

MODERNIZACJA NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO WIRÓWKI DO TWAROGU TYPU DSC/1. Zbigniew Krzemiński, MMB Drives sp. z o.o.

Oddziaływanie wirnika

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH DUŻEJ MOCY PRZY CZĘŚCIOWYM ZASILANIU UZWOJENIA STOJANA

2.3. Praca samotna. Rys Uproszczony schemat zastępczy turbogeneratora

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 18/11. JANUSZ URBAŃSKI, Lublin, PL WUP 10/14. rzecz. pat.

Sposób analizy zjawisk i właściwości ruchowych maszyn synchronicznych zależą od dwóch czynników:

WPŁYW ALGORYTMU STEROWANIA PRZEKSZTAŁTNIKA NA WŁAŚCIWOŚCI NAPĘDU Z SILNIKIEM BEZSZCZOTKOWYM

Zasilanie silnika indukcyjnego poprzez układ antyrównoległy

WOLNOOBROTOWY BEZSZCZOTKOWY SILNIK PRĄDU STAŁEGO DO NAPĘDU ROGATKOWEGO

WPŁYW PARAMETRÓW UKŁADU NAPĘDOWEGO NA SKUTECZNOŚĆ SYNCHRONIZACJI SILNIKA DWUBIEGOWEGO

ANALIZA WPŁYWU NIESYMETRII NAPIĘCIA SIECI NA OBCIĄŻALNOŚĆ TRÓJFAZOWYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

ZASTOSOWANIE MONOLITYCZNYCH NADPRZEWODNIKÓW WYSOKOTEMPERATUROWYCH W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH

Wykład 2. Tabliczka znamionowa zawiera: Moc znamionową P N, Napięcie znamionowe uzwojenia stojana U 1N, oraz układ

Wykład 5. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów

PL B1. Układ samochodowego prądnico-rozrusznika ze wzbudzeniem elektromagnetycznym i sposób jego sterowania

PL B1. INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL, Katowice, PL BUP 17/18

SILNIK BEZSZCZOTKOWY O WIRNIKU KUBKOWYM

STEROWANIE BEZSZCZOTKOWYM SILNIKIEM PRĄDU STAŁEGO

Ćwiczenie nr 4 Tranzystor bipolarny (npn i pnp)

Temat: Analiza pracy transformatora: stan jałowy, obciążenia i zwarcia.

Wpływ debouncingu na właściwości szybkobieżnych bezszczotkowych silników prądu stałego

Obliczenia polowe silnika przełączalnego reluktancyjnego (SRM) w celu jego optymalizacji

OKREŚLENIE OBSZARÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W PRACY TRÓJFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

Ćwiczenie 4- tranzystor bipolarny npn, pnp

BADANIA SYMULACYJNE SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH PRZEŁĄCZALNYCH PRZEZNACZONYCH DO NAPĘDU WYSOKOOBROTOWEGO

B. Rozruch silnika przy obniŝonym napięciu

Klasyczny efekt Halla

Silniki prądu przemiennego

6. Narysować wykres fazorowy uproszczony transformatora przy obciąŝeniu (podany będzie charakter obciąŝenia) PowyŜszy wykres jest dla obciąŝenia RL

SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH. WYBÓR CHWILI ZAŁĄCZENIA PRĄDU WZBUDZENIA

MASZYNA Z MAGNESAMI O REGULOWANYM WZBUDZENIU WYBRANE WYNIKI PRAC PROJEKTOWYCH

ANALIZA WPŁYWU SPOSOBU NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA PRZEBIEGI CZASOWE WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH I MECHANICZNYCH W SILNIKU BEZSZCZOTKOWYM

Wymagania edukacyjne: Maszyny elektryczne. Klasa: 2Tc TECHNIK ELEKTRYK. Ilość godzin: 1. Wykonała: Beata Sedivy

Przekształtniki impulsowe prądu stałego (dc/dc)

Badanie napędu z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego

BADANIA LABORATORYJNE RELUKTANCYJNEJ MASZYNY PRZEŁĄCZALNEJ PRACUJĄCEJ W ZAKRESIE PRACY GENERATOROWEJ

Transkrypt:

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 49 Aleksander Fręchowicz Politechnika Śląska, Gliwice DOBÓR DIOD ZABEZPIECZAJĄCYCH W FALOWNIKACH SILNIKÓW BLDC Z ELEKTRONICZNYM BOCZNIKOWANIEM CZĘŚCI UZWOJENIA SELECTION OF PROTECTIVE DIODES IN INVERTERS USED FOR BLDC MOTORS WITH ELECTRONICALLY SHUNTED EXCITATION WINDING Abstract: Some drive systems with PM excited motors use two zones of rotational speed control. Smooth transition from "constant torque" zone to "constant power" zone is achieved by either weakening PM field or by gradual switching off (shunting) of parts of winding with the help of power electronics elements (IGBT transistors). The second method of speed control may be especially useful in those PM motor drives, where small rotor inertia is required or where application of IPM rotors (permanent magnets inset into rotor iron) might be difficult (disc rotors, motors with rotating external excitation). In those machines we use magnets glued onto rotor surface, and this results in rapid decrease of motor's maximum torque during field weakening. If we look at a motor dedicated to operation with parts of the winding shunted, the terminal box exhibits three terminals, representing armature winding beginning, end and midpoint. Midpoints and endpoints may be shortcircuited with transistors and therefore star-connected armature bands may exhibit more or less turns. During start-up and at low rotating speeds, lower group transistors operate (those are transistors short-circuiting bands' endpoints). The motor operates in a way identical to standard brushless dc motor (BLDC). At high rotating speeds, the bands' midpoints start to become short-circuited by upper group transistors and this results in further increase of rotor speed. Application of transistors makes transition from motor mode of operation to recuperative braking operation more complex. Different variants of drives are described in the paper, all drives making possible braking accompanied by energy recuperation into the supply source. It has been proved that in some circuits some part of conducting current is taken over by backward diodes. In order to select these diodes properly, one must be aware of magnitude of this current. The paper demonstrates how to evaluate this current. 1. Wstęp W niektórych układach napędowych z silnikami wzbudzanymi przez magnesy trwałe wykorzystuje się dwustrefową regulację prędkości obrotowej. Płynne przejście od pracy w strefie stałego momentu do pracy w strefie stałej mocy uzyskuje się przez osłabianie pola magnesów, bądź przez stopniowe odłączanie (bocznikowanie) części uzwojenia za pomocą elementów elektronicznych (tranzystorów IGBT). Schemat falownika wyposaŝonego w układ bocznikowania części uzwojenia i sposób podłączenia uzwojeń silnika pokazano na rys. 1. Ten rodzaj regulacji prędkości moŝe znaleźć zastosowanie szczególnie w tych silnikach z magnesami trwałymi, w których wymagany jest mały moment bezwładności wirnika, lub w których zastosowanie wirników typu IPM (czyli silników z magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz Ŝelaza wirnika) jest trudne w realizacji (silniki tarczowe, silniki z wirującym zewnętrznym wzbudzeniem). W takich maszynach sto- suje się magnesy przyklejane na powierzchni wirnika, skutkiem czego podczas odwzbudzania moment maksymalny silnika gwałtownie maleje. Rys. 1. Falownik silnika BLDC z układem bocznikującym część uzwojenia

50 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) W silniku przeznaczonym do pracy z bocznikowaniem części uzwojenia, trójpasmowe uzwojenie stojana silnika wykonywane jest jako dzielone. Z kaŝdego pasma do tabliczki zaciskowej silnika wyprowadza się trzy zaciski: początek pasma (oznaczony Px), środek pasma (oznaczony Sx) i koniec pasma (oznaczony Kx). W tych oznaczeniach litera x oznacza numer pasma: 1, 2 lub 3. Uzwojenie zasilane jest ze źródła prądu stałego, poprzez klasyczny falownik trójfazowy (tranzystory T1 do T6). Pasma twornika zwierane są w gwiazdę, bądź za pomocą tranzystorów T7, T8, T9 przy otwartych tranzystorach T10, T11, T12 (pracują wszystkie zwoje pasm), bądź za pomocą tranzystorów T10, T11, T12, przy otwartych tranzystorach T7, T8, T9 (pracuje połowa pasm). Odpowiednie sterowanie impulsami bramkowymi tranzystorów umoŝliwia niezauwaŝalne dla uŝytkownika przejście od pracy przy całym uzwojeniu do pracy przy połowie uzwojenia. Przełączanie tranzystorów wiąŝe się z przerywaniem prądów płynących przez uzwojenia, co musi prowadzić do powstawania przepięć. Aby nie dopuścić do uszkodzenia izolacji w układzie zastosowano diody zabezpieczające oba końce przełączanych połówek pasm. Zespół tranzystorów T10, T11, T12, wraz z diodami D1 do D6 nazywać będziemy kluczami górnymi, a zespół tranzystorów T7, T8, T9 wraz z diodami D7 do D12 nazywać będziemy kluczami dolnymi. Praca obu układów zwierających sterowana jest przez sterownik procesorowy. Działanie układu jest następujące. Podczas rozruchu i przy małej prędkości wirowania, klucze górne są rozwarte, a klucze dolne są zwarte na stałe lub są wyzwalane tymi samymi impulsami co górne tranzystory falownika. Silnik pracuje jak klasyczny bezszczotkowy silnik prądu stałego (BLDC). Wzrost prędkości odbywa się poprzez odpowiednie sterowanie szerokościami impulsów tranzystorów falownika tak, by do silnika docierało napięcie o coraz większej wartości skutecznej i częstotliwości. Jest to pierwszy etap pracy (praca w zakresie stałego momentu ), w którym sterowanie jest takie samo jak stosowane powszechnie w układach tego typu. W chwili, gdy tranzystory falownika (T1 do T6) pracują przy współczynniku wypełnienia fali PWM α zbliŝonym do jedności (np. α = 98%), silnik zasilany jest napięciem zbliŝonym do znamionowego, co pozwala mu osiągnąć tak zwaną prędkość bazową. W tej chwili kończy się praca w zakresie stałego momentu, a zaczyna praca w zakresie stałej mocy. Dalsze powiększanie prędkości jest związane ze zmniejszaniem się momentu maksymalnego rozwijanego przez silnik. Od tego czasu klucze dolne powinny być wyzwalane tymi samymi impulsami co górne tranzystory falownika. W sterowniku pracę rozpoczyna drugi układ generowania impulsów, sterujący górnymi kluczami tranzystorowymi (tranzystory T10, T11, T12). Zmiana współczynnika wypełnienia impulsów sterujących tymi kluczami prowadzona jest w ten sposób, by coraz dłuŝszy czas zwierania środków pasm powodował coraz większy wzrost prędkości wirnika. Jak juŝ wspomniano, odłączanie części uzwojenia powoduje przerwanie prądów płynących przez uzwojenie silnika, co prowadzi do powstania przepięć i moŝe uszkodzić izolacje cewek. Dlatego odłączana część uzwojenia jest zabezpieczana diodami (na rys. 1 są to diody D1 do D12). W zaleŝności od przyjętego sposobu sterowania tranzystorami falownika i od trybu pracy maszyny (napędowa, hamulcowa), przez diody moŝe płynąć większy lub mniejszy prąd. WaŜna jest znajomość tego prądu, bo pozwala to na właściwy dobór parametrów diod, co rzutuje na cenę całego falownika. W artykule przedstawione są podstawowe układy i tryby pracy falownika silnika BLDC z elektronicznym bocznikowaniem części uzwojenia twornika, ze szczególnym zwróceniem uwagi na pracę diod zabezpieczających. Wywody zilustrowane są przebiegami uzyskanymi w oparciu o model matematyczny układu. 2. Praca silnikowa układu zasilającego silnik BLDC z bocznikowaną częścią uzwojenia Przykład przebiegów prądów obliczonych dla prezentowanego napędu pokazano na rys. 2. Maszyna pracuje jako silnik na początku drugiej strefy regulacji prędkości obrotowej. Tranzystory bocznikujące (T10 do T12) pracują przy współczynniku wypełnienia równym ok. 60%. Tranzystory falownika (T1 do T6) przełączają pasma twornika, pracując ze współczynnikiem wypełnienia fali PWM zbliŝonym do 100%. Tranzystory pomocnicze (T7 do T9), których zadaniem jest zapobieganie powstawaniu prądów hamujących w dolnych cewkach uzwojenia, sterowane są tymi samymi impulsami co górne tranzystory falownika (T1 do T3).

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 51 Rys. 2. Prądy układu w warunkach: U = 110V, M obc = 5 Nm, α = 60%, n = 1150 obr/min; a) fragment obwodu z rys. 1, b) prąd górnej gałęzi I g, c) prąd dolnej gałęzi I d, d) prąd tranzystora I t10, e) prąd diody zabezpieczającej I d1, f) prąd diody zabezpieczającej I d5 Przebiegi prądów pokazane na rys. 2 ilustrują pracę fragmentu obwodu z rysunku 1, znajdującego się w pobliŝu środka pierwszego pasma twornika (rys. 2a). Przez górną cewkę pierwszego pasma płynie ciągły prąd (rys. 2b). Tętnienia tego prądu związane są z pracą tranzystora T10 (rys. 2d). Przewodzenie tranzystora powoduje wzrost prądu, a zablokowanie zmniejszanie. Prąd płynący przez dolną cewkę pierwszego pasma (rys. 2c), jest znacznie mniejszy niŝ prąd górnej cewki. Zablokowanie tranzystora T10 powoduje gwałtowny wzrost prądu dolnej cewki i wytwarza przepięcie, po którym nadwyŝka prądu górnej części pasma poprzez diodę zabezpieczającą D1 (rys. 2e) zostaje zwrócona do (bieguna +) źródła. Prąd, który przepłynął przez pierwsze pasmo, wraca do ujemnego bieguna źródła przez drugie (lub trzecie) pasmo twornika. RównieŜ w tych pasmach przełączania kluczy zwierających wywołują przepięcia i związany z nimi przepływ prądów przez diody zabezpieczające. W omawianym przypadku prąd drugiego pasma będzie płynął przez diodę D5 (rys. 1 i rys 2f). W innych chwilach komutacji wyznaczonych przez stan czujników hallotronowych prąd z bieguna (+) źródła będzie przesyłany do innych pasm uzwojenia silnika, a przebiegi pokazane na rysunkach 2e i 2f będą powtarzały się na pozostałych diodach górnych kluczy zwierających. Porównując rysunki 2d i 2e widać, Ŝe tranzystor T10 i dioda D1 przekazują sobie wzajemnie przewodzenia nadwyŝki prądu. Sugerowałoby to, Ŝe część prądu przepływająca przez diodę, jest wprost proporcjonalna do obciąŝenia silnika i odwrotnie proporcjonalna do współczynnika wypełnienia. Takie twierdzenie nie jest w pełni prawdziwe, bowiem przy małych współczynnikach wypełnienia prąd diody zgaśnie, zanim zacznie przewodzić tranzystor T10. Na rysunku 3 pokazano przebiegi prądów diody i tranzystora dla silnika obciąŝonego stałym momentem, ale pracującego przy trzech róŝnych współczynnikach wypełnienia fali PWM sterującej górnymi kluczami zwierającymi: 30%, 65% i 90%. Widać, Ŝe przy małych współczynnikach wypełnienia wartość skuteczna prądów płynących przez diody jest mała, przy większych wzrasta, a przy największych znów maleje. Na podstawie obliczeń naszkicowano charakterystyki rzeczywistej wartości skutecznej prądów płynących przez diody i porównano je z prądami płynącymi przez uzwojenia silnika. Stwierdzono, Ŝe najwyŝsze wartości przyjmują prądy w pobliŝu współczynnika wypełnienia

52 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) alfa zbliŝonego do 67%. W tym stanie prąd płynący przez diody osiąga wartość zbliŝoną do 1/3 prądu znamionowego silnika. Rys. 3. Przebiegi prądów diody D1 (czerwone) i tranzystora T10 (niebieskie) dla silnika obcią- Ŝonego stałym momentem 4 Nm, pracującego przy trzech róŝnych współczynnikach wypełnienia α: a) α = 20%, b) α = 50%, c) α = 80 % 3. Hamowanie odzyskowe napędu z klasycznym silnikiem BLDC W elektrycznych napędach trakcyjnych, a szczególnie w napędach zasilanych bateryjnie niezwykle waŝnym staje się problem oszczędnego gospodarowania energią i związane z tym odpowiednie wykorzystanie energii hamowania. Jak opisano wyŝej, w napędach z bocznikowaną elektronicznie częścią uzwojenia stosuje się niezaleŝne przełączanie tranzystorów falownika (T1 do T6) (independent switching). Przy tym sposobie przełączania w klasycznych układach zasilania silników BLDC (pracujących jedynie w I strefie) istnieją dwie zasadnicze metody sterowania i związane z nimi dwie metody hamowania odzyskowego silników (pomijamy ich modyfikacje). W pierwszej metodzie zakłada się, Ŝe w jednym z okresów pracy silnikowej, wyznaczonym przez wartość logiczną napięć otrzymywanych z hallotronowych czujników połoŝenia wału, pracują jedynie dwa tranzystory mostka prostowniczego: górny tranzystor z jednej gałęzi mostka falownika i dolny tranzystor z drugiej gałęzi. W trzeciej gałęzi oba tranzystory są zablokowane. Najczęściej jeden tranzystor jest przełączany w takt zadanej fali PWM, a drugi jest wysterowany na stałe. Współczynnik wypełnienia fali PWM zaleŝy od zadanej prędkości wirowania silnika. Kiedy kończy się okres przewodzenia fali PWM, tranzystory przechodzą w stan zaporowy. Prąd płynący przez uzwojenie wirnika płynie dalej w tym samym kierunku poprzez diody zwrotne (zwrot energii zmagazynowanej w polu magnetycznym silnika do kondensatorów w obwodzie pośredniczącym lub do źródła) aŝ do chwili, gdy zacznie się kolejny okres przewodzenia PWM (prąd ciągły), lub do chwili, gdy prąd obniŝy się do zera (prąd przerywany). Aby w tej metodzie przejść do pracy hamulcowej, naleŝy zmienić strukturę sterowania tranzystorów falownika: zaprzestać sterować górne tranzystory falownika, a sterować impulsowo równocześnie dwa lub wszystkie trzy dolne tranzystory mostka. W takim układzie zostanie zwarta siła elektromotoryczna rotacji wzbudzona w uzwojeniach, co powoduje wygaszenie prądu napędzającego silnik i wzniecenie prądu płynącego w przeciwną stronę (hamującego). Prąd rosnąc przekształca energię mechaniczną w energię pola magnetycznego. Energia pola ponownie jest zamieniana na energię elektryczną i zwracana do źródła W drugiej metodzie podczas pracy silnikowej w trakcie jednego okresu pracy w jednej gałęzi mostka dwa tranzystory pracują przemiennie (complementary switching), a w drugiej gałęzi dolny tranzystor jest na stałe wysterowany, a górny jest na stałe zablokowany. W trzeciej gałęzi oba tranzystory są zablokowane. W początkowym okresie fali PWM przewodzi górny tranzystor z pierwszej gałęzi mostka i dolny z drugiej. Rośnie prąd płynący przez te tranzystory i przez dwa pasma silnika, część energii przetwarzana jest na energię mechaniczną, a pozostała część jest magazynowana w indukcyjnościach silnika. Kiedy kończy się okres przewodzenia fali PWM i górny tranzystor zostanie zatkany, indukcyjność uzwojenia silnika podtrzymuje prąd płynący przez silnik, który

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 53 przez diody zwrotne falownika zwraca energię do źródła. Tak zbudowany układ posiada właściwość samoczynnej zmiany kierunku przesyłanej energii. Aby przejść do pracy hamulcowej wystarczy zmniejszyć współczynnik wypełnienia fali PWM i gdy prąd silnika zostanie wygaszony, sem rotacji E wzbudzi prąd hamujący płynący przez uzwojenia silnika w przeciwnym kierunku. Energia mechaniczna będzie zamieniana na energię pola magnetycznego, ta z kolei na energię elektryczną i zwrócona do źródła. 4. Hamowanie odzyskowe w silnikach BLDC z bocznikowaniem części uzwojenia Silniki BLDC pracujące w układzie z bocznikowaną częścią uzwojenia w I strefie (na stałe otwarte górne klucze T10, T11, T12 i na stałe zwarte dolne klucze T7, T8, T9) zarówno w trybie pracy napędowej jak i hamulcowej pracują podobnie jak zwykłe silniki BLDC. RóŜnice powstają dopiero podczas pracy w II strefie regulacji prędkości. W tym stanie próba przejścia do hamowania w sposób typowy dla pracy w I strefie (połączenie cewek silnika na stałe w gwiazdę, czyli zwarcie dolnych kluczy i otwarcie górnych kluczy tranzystorowych), nawet przy zablokowanych wszystkich tranzystorach falownika, spowoduje przepływ prądu zwarciowego wytworzonego przez indukowane w tworniku siły elektromotoryczne rotacji (rys. 4), bowiem w drugiej strefie, suma napięć indukowanych w pracujących pasmach twornika jest większa od napięcia źródła (E 2g + E 2d + E 1d + E 1g > V). Jest to proces w Ŝaden sposób nie kontrolowany, który spowoduje, Ŝe silnik gwałtownie wyhamuje, aŝ do prędkości bazowej. Przy prędkości bazowej sumaryczna siła elektromotoryczna rotacji indukowana w uzwojeniach stanie się mniejsza od napięcia źródłowego baterii i hamowanie ustanie. Aby rozwiązać problem hamowania odzyskowego w II strefie regulacji prędkości, rozpatrzmy typowy proces przesyłania energii z silnika do źródła. Składa się on z dwóch etapów, które powtarzają się, co kaŝdy cykl PWM. W pierwszym etapie naleŝy wzniecić prąd płynący w uzwojeniu twornika w przeciwną stronę niŝ przy pracy silnikowej, czyli w kierunku zgodnym z indukowaną w uzwojeniach sem rotacji. Najczęściej polega to na wygaszeniu prądu zasilającego maszynę (płynącego od źródła do uzwojenia twornika) i stworzeniu oczka przez które mógłby zamknąć się prąd hamujący wzniecony przez sem rotacji. Prąd narastając wytwarza pole magnetyczne, w którym magazynowana jest energia ruchu wirnika. W drugim Rys. 4. Droga prądu zwarciowego płynącego przy próbie hamowania silnika pracującego przy prędkości większej niŝ bazowa etapie naleŝy przerwać oczko, a powstające przy tym przepięcie powinno skierować prąd i energię do źródła (akumulatora). Po ustąpieniu przepięcia napięcie źródła powinno gasić prąd hamujący silnika (czyli napięcie źródła powinno być wyŝsze od indukowanej sem rotacji), bo w przeciwnym przypadku hamowanie będzie trwać aŝ do zatrzymania się silnika. W omawianym układzie moŝemy wzbudzić prąd hamujący na kilka sposobów, z czego dwa są najbardziej oczywiste. Pierwszy polega na zamknięciu oczka przez obwód pokazany na rys. 4 i omówiony wyŝej. Drugi sposób pokazano na rys. 5. Aby zamknąć oczko pokazane na rys. 5 naleŝy wysterować tranzystory T8 i T2, a zablokować tranzystory naleŝące do górnej grupy mostka falownika. W takim oczku wypadkowa sem rotacji wznieci prąd hamujący. Pewien problem stanowi realizacja drugiego etapu hamowania, bo w obu przedstawionych oczkach dla silnika pracującego w II strefie regulacji prędkości wypadkowa sem rotacji indukowana w oczku jest większa niŝ napięcie źródła. Oznaczałoby to, Ŝe raz wzbudzonego prądu nie da się zgasić, póki prędkość nie zmaleje poniŝej prędkości bazowej, przy której sem rotacji zrówna się z napięciem źródła. Istnieje jednak

54 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) moŝliwość takiego przerwania oczka, by obwód rozbić na dwa obwody, w których indukowane napięcie będzie mniejsze niŝ napięcie źródła. prawdopodobieństwo nierównej pracy napędu. Jak zaznaczono wyŝej, bez względu na przyjęty Rys. 5. Jeden z moŝliwych obwodów pozwalających wzniecić prąd hamujący silnika Taki sposób pokazano na rys. 6. Otwarcie oczka przez dolne klucze tranzystorowe otwiera obwód, powstaje przepięcie wymuszające przepływ prądu przez diody zabezpieczające łączące punkty K1 i K2 obwodu z ujemnym i dodatnim biegunem napięcia zasilającego. Powstają w ten sposób dwa oczka, z których kaŝde obejmuje tylko jedno pasmo twornika, a więc w kaŝdym z nich suma sem rotacji jest mniejsza niŝ napięcie zasilające. Prąd hamujący, płynący przez uzwojenia twornika maleje, a energia zmagazynowana w polu magnetycznym jest zwracana do źródła prądu stałego. Taki sposób sterowania tranzystorami w drugim etapie hamowania będzie stosowany zawsze, niezaleŝnie od przyjętego sposobu wzniecania prądu hamującego. Z przedstawionych dwóch sposobów hamowania odzyskowego silników z bocznikowaną elektronicznie częścią uzwojenia, wygodnie jest stosować sposób pierwszy w silnikach, w których wykorzystuje się niezaleŝne przełączanie tranzystorów falownika (metoda opisana w rozdziale 3 jako pierwsza metoda ), a drugi sposób w napędach, w których stosuje się przełączanie komplementarne w jednej gałęzi mostka ( druga metoda w rozdziale 3). Takie rozwiązanie minimalizuje zmiany dokonywane w systemie sterowania przy przechodzeniu z pracy napędowej na hamulcową i dzięki temu zmniejsza się Rys. 6. Drugi etap hamowania odzyskowego silnika pracującego w II strefie sposób wzniecania prądu hamującego, drugi etap hamowania, w trakcie którego energia zgromadzona w polu magnetycznym w pierwszym etapie jest przekazywana do źródła, ma w zasadzie zawsze podobny przebieg. Obwód, w którym wzniecono prąd, jest dzielony na dwie części, powstaje przepięcie i prąd przepływający przez diody D8 i D10 przenosi energię do źródła. Na rysunku 7 pokazano przebiegi prądów diod i tranzystorów obliczone podczas symulacji pracy układu, w którym prąd jest wzniecany w obwodzie jak na rys. 4. Przyjęto, Ŝe silnik jest obciąŝony stałym, niewielkim momentem, a hamowane urządzenie charakteryzuje się znacznym momentem bezwładności. ZałoŜono, Ŝe tranzystory dolnego klucza zwierającego pracują przy współczynniku wypełnienia fali PWM równym 70%. Obliczone przebiegi pokazują, Ŝe prąd płynie przez diody jedynie przez te krótkie chwile, w których tranzystory T7 do T9 są zwarte. Oznacza to, Ŝe diody moŝna dobierać na mniejszą wartość skuteczną prądu, rzędu 30% prądu hamującego. Na rysunku 8 pokazano wyniki symulacji układu z rys. 5. Przyjęto podobne załoŝenia jak poprzednio, jedynie współczynnik wypełnienia (który w tym przypadku ustawia się według innych reguł) przyjęto równy 60%. Jak widać warunki pracy diod rozładowczych są znacznie gorsze, niŝ w poprzednim przy-

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 55 padku. W krótkich chwilach wzniecania prądu hamującego prąd płynie przez tranzystory, a w W opracowaniu przedstawiono ideę układu napędowego silnika BLDC z bocznikowaną częścią uzwojenia twornika. RozwaŜono moŝliwe rozwiązania problemu hamowania odzyskowego napędu, przy czym szczególną uwagę zwrócono na problem prądu płynącego przez klucze tranzystorowe i diodowe zwierające uzwojenia podczas hamowania w II strefie. Wykazano, Ŝe najlepsze warunki termiczne wystąpią, jeśli zastosuje się hamowanie przez zaniechanie sterowania tranzystorów falownika, pełne zablokowanie górnych kluczy tranzystorowych i okresowe zwieranie dolnych kluczy tranzystorowych. Rys. 7. Przebiegi prądów podczas hamowania odzyskowego w układzie z rysunku 4: a) prąd hamujący płynący przez jedno pasmo silnika, b,c) prądy diod D8 i D10 (czerwone) i tranzystorów T8 i T7 (niebieskie) dłuŝszych okresach, gdy energia zwracana jest do źródła płynie przez diody. Ponadto w czasie komutacji pasm, przez diody płynie składowa bierna prądu, nie wytwarzająca momentu hamującego (rys. 8b). Stawia to dodatkowe wymagania odnośnie mocy diod. Diody przeznaczone do pracy z hamowaniem odzyskowym pracujące w takim układzie naleŝy dobierać na prąd zbliŝony do znamionowego. 5. Wnioski Rys. 8. Przebiegi prądów podczas hamowania odzyskowego w układzie z rysunku 5: a) prąd hamujący płynący przez jedno pasmo silnika, b,c) prądy diod D8 i D10 (czerwone) i tranzystorów T8 i T7 (niebieskie) 6. Literatura [1]. Kaźmierkowski M. P., Tunia H.: Automatic Control of Converter-Fed Drives, ELSEVIER Amsterdam, London, New York, Tokyo, 1994. [2]. Glinka T., Fręchowicz A., Brushless dc motor operating in constant power zone, International Conference Electrical Machines (ICEM 02), 2002, Bruges, Belgium. Praca była realizowana w ramach projektu rozwojowego własnego nr NR01 0059 10 / 2011. Autor dr inŝ. Aleksander Fręchowicz, Politechnika Śląska ul. Akademicka 2; 44-100 Gliwice; tel. (32) 237-12-86; e-mail: afrechowicz@polsl.pl