POLIECHNIKA ŚLĄSKA WYZIAŁ ELEKRYCZNY IEP INSYU ELEKROECHNIKI EOREYCZNEJ I PRZEMYSŁOWEJ ZAKŁA NAPĘU ELEKRYCZNEGO I ENERGOELEKRONIKI Aleksander Bodora Nowa topologa komutatora elektroncznego umożlwająca dwustrefową pracę slnka PMBC Autoreferat rozprawy doktorskej Promotor: dr hab.nż. Krzysztof Krykowsk GLIWICE 2004
Sps treśc 1. Wstęp... 2 1.1 Wprowadzene... 2 1.2 Cel pracy... 2 1. Przedmot zakres pracy... 2 1.4 ezy pracy... 2 1.5 Założena... 2 1.6 Metodyka badań... 2. Ważnejsze określena termnologa.... Bezszczotkowy slnk prądu stałego wzbudzany magnetoelektryczne... 4. Możlwośc pracy dwustrefowej slnków bezszczotkowych prądu stałego... 4 4.1 Praca dwustrefowa slnków bezszczotkowych... 4 5. Praca slnka PMBC z komutatorem w układze mostka tranzystorowego... 6 5.1 Charakterystyk mechanczne slnka PMBC... 7 5.2 Oddzaływane komutatora elektroncznego na pracę slnka PMBC... 8 6. Slnk PMBC z komutatorem w układze półmostka...10 6.1 Podstawowe struktury komutatora w układze półmostka...10 6.2 Przegląd struktur komutatora elektroncznego pracującego w układze półmostka... 10 7. Porównane właścwośc układu napędowego z slnkem PMBC pracującym w układze mostka półmostka... 11 7.1 Różnce w rozpływach prądów strumen skojarzonych... 11 7.2 Wpływ struktury na charakterystyk elektromechanczne... 12 8. Koncepcja zmennej struktury komutatora elektroncznego... 12 8.1 Idea przełączanej struktury komutatora... 12 8.2 rudnośc z realzacją... 14 8. Nowa struktura komutatora elektroncznego... 15 9. Zasada dzałana komutatora o przełączalnej strukturze... 15 10. Badana symulacyjne... 18 10.1 Budowa model komputerowych... 18 10.2 Wynk ważnejszych badań symulacyjnych... 19 11. Weryfkacja laboratoryjna... 21 11.1 Projekt układu sterowana slnka z komutatorem o zmennej strukturze... 21 11.2 Ważnejsze wynk pomarów oscyloskopowych... 22 11. Pomary charakterystyk mechancznej... 2 12. Omówene wynków pracy... 24 12.1 Możlwośc kontynuowana badań... 24 1. Uwag wnosk końcowe... 25 Glwce 2004 1
1. Wstęp 1.1 Wprowadzene Slnk bezszczotkowe, w porównanu z nnym slnkam posadają następujące zalety: bardzo dużą sprawność, lnową charakterystykę mechanczną wysok stosunek momentu rozwjanego przez slnk do gabarytów, brak szczotek komutatora. Istotną wadą tych slnków są trudnośc z uzyskanem stanu pracy w drugej strefe charakterystyk elektromechancznej wynkające z faktu, ż strumeń wzbudzena pochodzący od magnesu trwałego jest praktyczne stały. W praktyce, często sę zdarza, że wymagana jest praca slnka z podwyższoną prędkoścą przy obnżonym momence elektromagnetycznym. Spotykane w lteraturze próby rozwązana takego problemu powodują na ogół rozbudowę obwodów głównych sterowana, zwększene lczby zaworów lub komplkują konstrukcję slnka. W tej sytuacj nteresującym byłoby opracowane rozwązana, które nadawałoby sę do zastosowana w typowym slnku bezszczotkowym ne wymagałoby stotnego zwększana lczby zaworów. 1.2 Cel pracy Celem pracy była analza możlwośc uzyskana struktury komutatora elektroncznego, umożlwającej pracę slnka bezszczotkowego prądu stałego wzbudzanego magnetoelektryczne w dwóch strefach prędkośc obrotowej. 1. Przedmot zakres pracy Przedmotem pracy była realzacja koncepcj układu sterowana slnkem, która polega na możlwośc zmany struktury komutatora elektroncznego z układu pełnego mostka (dla pracy przy stałym momence) do układu półmostka (w zakrese pracy przy obnżonym momence zwększonej prędkośc obrotowej). ak układ zaslana wymaga zastosowana slnka z dostępnym punktem gwazdowym oraz zastosowana dodatkowego łącznka w strukturze komutatora elektroncznego. Praca objęła: analzę lteraturową tematu wraz z usystematyzowanem wedzy w dzedzne sterowana dwustrefowego slnkam prądu stałego z magnesam trwałym komutatorem elektroncznym, analzę pracy komutatora elektroncznego w układze mostka półmostka, opracowane koncepcj struktury komutatora elektroncznego umożlwającego pracę slnka z przełączalną strukturą, analzę pracy proponowanego układu komutatora elektroncznego o zmennej strukturze mostek/półmostek, opracowane model komputerowych, badana symulacyjne, projekt realzację prototypowego układu komutatora elektroncznego o przełączalnej strukturze mostekpółmostek, rozruch przeprowadzene wybranych badań laboratoryjnych slnka bezszczotkowego prądu stałego wzbudzanego magnetoelektryczne, zaslanego sterowanego w układze o przełączalnej strukturze komutatora elektroncznego, opracowane wynków przedstawene wnosków końcowych. 1.4 ezy pracy Pracę slnka w dwóch strefach prędkośc obrotowej można uzyskać stosując komutator elektronczny o przełączalnej strukturze z układu mostka do układu półmostka. Szczególne korzystne właścwośc układu uzyska sę stosując obwód buforująco-odcążający o zalecanej strukturze sposobe sterowana 1.5 Założena Struktura komutatora pownna nadawać sę do zastosowana w układach z slnkem produkcj seryjnej Wymaganem konstrukcyjnym stawanym slnkow jest dostępność punktu gwazdowego Glwce 2004 2
1.6 Metodyka badań Metodyka badań była typowa dla współczesnych prac naukowo-badawczych z zakresu technk objęła: analzę teoretyczną, badana symulacyjne, badana laboratoryjne oraz prace projektowe konstrukcyjne przy budowe prototypowego układu laboratoryjnego. Badana symulacyjne przeprowadzono na opracowanych przez autora modelach komputerowych slnków w programach Matlab-Smulnk oraz PSpce. Badana laboratoryjne wykonano na zaprojektowanym wykonanym przez autora prototypowym układze laboratoryjnym. W układze tym zastosowano slnk typu RM ct-85-1 produkcj ELKAR Warszawa, o mocy około 00W zaslany napęcem 24 V z bater akumulatorów trakcyjnych. Autor zaprojektował równeż wykonał model laboratoryjny komutatora elektroncznego. W komutatorze elektroncznym zastosowano tranzystory MOSFE typu IRF 2807. Układ sterowana zbudowano na baze sterownka mkroprocesorowego Htach H8 048F oraz współpracującego z nm programowalnego układu logcznego (CPL) splsi 1016E. 2. Ważnejsze określena termnologa Ważnejsze określena przyjęte w pracy. Slnk PMBC lub PM BLC (ang. Permanent Magnet Brushless C) slnk wzbudzany magnetoelektryczne z komutatorem elektroncznym. W lteraturze anglojęzycznej występują zamenne obydwa skróty. W pracy zdecydowano sę używać skrótu PMBC. Komutator elektronczny (energoelektronczny) przekształtnk przeznaczony do zaslana slnka, PMBC, którego podstawowym zadanem jest przełączane uzwojeń stojana. Funkcja przełączeń wypracowywana jest na podstawe sygnałów pochodzących z czujnków położena wrnka. Praca dwustrefowa praca slnka w dwóch zakresach (strefach) prędkośc obrotowej. Perwszy zakres obejmuje pracę do prędkośc znamonowej, ze stałym momentem. rug zakres obejmuje pracę ze zwększoną, prędkoścą obrotową. Zwykle wąże sę to z konecznoścą zmnejszena momentu elektromagnetycznego. Ponadto w pracy przyjęto że: pomja sę efekt nasycena magnetycznego, pomja sę efekt hsterezy, prądy wrowe w stojane strukturze wrnka, zakłada sę symetryczną SEM rotacj, zakłada sę 120 stopnowy odcnek aktywny SEM rotacj przyjmuje sę, stałą wartość SEM w odcnku aktywnym. Bezszczotkowy slnk prądu stałego wzbudzany magnetoelektryczne Slnk bezszczotkowy, wzbudzany magnetoelektryczne, posada konstrukcję odwróconą w stosunku do slnka komutatorowego prądu stałego. Magnesy trwałe znajdują sę na wrnku, zaś uzwojene twornka jest rozmeszczone na stojane (rys..1). W praktyce można spotkać wele odman tych slnków, różnących sę konstrukcją obwodów magnetycznych, loścą faz ch połączeń. Powszechne stosuje sę podzał slnków bezszczotkowych na slnk prądu stałego (PMBC) oraz slnk prądu przemennego (PMSM). W pracy zdecydowano sę na stosowane następującej termnolog: Rys..1. Konstrukcje slnków bezszczotkowego komutatorowego wrnka oraz, bezszczotkowy slnk prądu stałego (PMBC, PM BLC) dla układów, w których zawory komutatora elektroncznego są wysterowane skokowo (sekwencyjne) w funkcj położena bezszczotkowy slnk prądu przemennego (AC brushless, PMSM) dla układów w których przekształtnk energoelektronczny (komutator elektronczny) pracuje jako falownk formujący napęce wyjścowe o określonej ampltudze częstotlwośc zazwyczaj w funkcj kąta obrotu wrnka. Glwce 2004
4. Możlwośc pracy dwustrefowej slnków bezszczotkowych prądu stałego 4.1 Praca dwustrefowa slnków bezszczotkowych W rozwązanach praktycznych spotyka sę dużą lość napędów elektrycznych, w których wymaga sę pracy ze zwększoną prędkoścą obrotową, przy czym moment obcążena, jest mnejszy od momentu znamonowego. ego typu praca slnka jest nazywana w lteraturze pracą ze stałą mocą można ją przedstawć jako II strefę naturalnej charakterystyk mechancznej slnka rys.4.1. Rys. 4.1. Charakterystyk mechanczne slnka ω=f(μ e ), ω=f(p e ). Pracę w drugej strefe, ze stałą mocą podwyższoną prędkoścą obrotową, najczęścej uzyskuje sę poprzez przez zmnejszane strumena w szczelne powetrznej slnka. W slnkach prądu stałego odbywa sę to poprzez zmnejszane prądu wzbudzena. W slnkach prądu przemennego podwyższa sę częstotlwość napęca przy stałej wartośc jego ampltudy. W slnkach wzbudzanych magnesam trwałym strumeń magnetyczny jest stały. Ne jest, węc możlwa an regulacja wzbudzena analogczna do regulacj wzbudzena slnka obcowzbudnego C an regulacja wzbudzena, analogczna do stosowanej w slnkach prądu przemennego. Zmana zakresu prędkośc obrotowej slnków elektrycznych wąże sę ze zmaną ch prędkośc begu jałowego. W przypadku pracy dwustrefowej, wraz ze zwększanem prędkośc begu jałowego następuje równoczesne zmnejszane momentu elektromagnetycznego. la slnków prądu stałego (w tym także bezszczotkowych) obowązuje zależność: U π d ω 0 = ξ N Φ g U d oznacza wartość napęca zaslana, Φ g oznacza strumeń magnetyczny w szczelne powetrznej slnka, N oznacza lczbę zwojów uzwojena twornka przypadających na fazę, natomast współczynnk ξ, zwązany jest z konfguracją uzwojeń stojana. Współczynnk ten, dla slnka trójfazowego (najczęścej spotykanego w rozwązanach praktycznych) wynos: ξ=1, dla połączena w gwazdę ξ=1/, dla połączena w trójkąt ξ=1/2, dla struktury unpolarnej (półmostkowej), Współczynnk ξ, na ogół ne jest stosowany w lteraturze, przyjęto aby uwydatnć wpływ danych konstrukcyjnych slnka sposobu łączena uzwojeń na prędkość obrotową. Z zależnośc (4.1) wynka, że, teoretyczne stneją cztery sposoby zwększana zakresu prędkośc begu jałowego slnków bezszczotkowych: Poprzez zwększane napęca zaslana Poprzez osłabane strumena magnetycznego w szczelne powetrznej slnka Poprzez zmanę lczby zwojów uzwojena twornka. Poprzez zmanę konfguracj połączeń uzwojeń twornka ( 4.1) Glwce 2004 4
Przykłady rozwązań, w których stosuje sę osłabane strumena, zmanę lczby zwojów oraz zmanę konfguracj przedstawono na rys. 4.2-4.4. a) b) δ N x C 2 C 1 2 7 U d 4 5 6 9 8 S C 1 Rys.4.2. a) Osłabane strumena wzbudzena przez zwększane szczelny powetrznej slnka b) Zwerane częśc uzwojena za pomocą kondensatorów K 1 K 2 K U d S 1 S 2 S Rys.4.. Zasada dzałana układu z slnkem trójgwazdkowym Rys.4.4. Zasada dzałana przełącznka trójkąt-gwazda Wszystke przedstawone powyżej metody uzyskwana pracy dwustrefowej slnków bezszczotkowych wymagają stosowana slnków o specjalnej konstrukcj obwodów magnetycznych oraz rozbudowanych struktur obwodów zaslających sterowana. Brak jest natomast opracowań, które nadawałyby sę do zastosowana w typowych slnkach bezszczotkowych ne wymagałyby stotnego zwększana lczby zaworów. Glwce 2004 5
5. Praca slnka PMBC z komutatorem w układze mostka tranzystorowego Na rysunku 5.1, przedstawono schemat elektryczny obwodów głównych slnka bezszczotkowego prądu stałego z trójfazowym uzwojenem stojana (układ najczęścej spotykany w rozwązanach praktycznych). Rys.5.1. Schemat obwodów głównych slnka bezszczotkowego prądu stałego, pracującego w układze mostkowym Funkcję komutatora elektroncznego spełnają elementy półprzewodnkowe pracujące w strukturze mostka. Zadanem układu sterowana jest wypracowane odpowednch sygnałów sterujących poszczególnym zaworam na podstawe sygnałów pochodzących z czujnka położena wrnka. Zasadę formowana sygnałów sterujących zaworów komutatora elektroncznego na podstawe sygnałów pochodzących z czujnka położena przedstawono na rys.5.2 a). W rozwązanach praktycznych, jako czujnk położena najczęścej stosuje sę czujnk hallotronowe lub czujnk optoelektronczne, natomast układy sterowana zaworam budowane są z wykorzystanem programowalnych matryc logcznych. a) b) H 1 H 2 H G 1 G G 5 G 2 G 4 G 6 0 60 90 120 150 180 210 240 270 00 0 60 0 el Rys.5.2. a) Zasada formowana sygnałów sterujących zaworam komutatora G n na podstawe sygnałów z czujnków położena wrnka H x b)wydealzowane przebeg prądów fazowych slnka pracującego w strukturze mostka Jak przedstawono na rysunku 5.2, każdy zawór komutatora przewodz przez okres 120 0 elektrycznych, przy czym w każdej chwl (pomjając okresy komutacj), przewodz jeden zawór grupy dodatnej jeden zawór grupy ujemnej. ak sposób sterowana stanow analogę do sposobu dzałana komutatora mechancznego. Zawory komutatora elektroncznego oprócz funkcj przełączana uzwojeń fazowych zgodne z funkcją komutatorową, mogą także realzować funkcję regulacj napęca lub prądu fazowego. Ne jest przy tym koneczne, aby wszystke zawory pełnły funkcję regulacyjną, wystarczy, jeśl jedna grupa zaworów (zawory górne lub dolne) będze pracowała w charakterze regulatora. Wynka to z I prawa Krchhoffa, które mów, że prąd wpływający mus być równy prądow wypływającemu. Glwce 2004 6
5.1 Charakterystyk mechanczne slnka PMBC Charakterystykę mechanczną slnka PMBC można opsać następującą zależnoścą: ωm ω M = 1 M e 0 Z ( 5.1) Interpretacją grafczną tej zależnośc jest prosta przecnająca oś prędkośc w punkce ω 0 zwanym prędkoścą begu jałowego, zaś oś momentu w punkce M Z zwanym momentem zwarca. 0 = 2 U d ω ( 5.2) K f M Z = U 2 d 2 K ( 5.) f R s o opsu przyjęto przy tym metodę stosowaną dla slnków prądu stałego, przez K f oznaczono średn fazowy współczynnk wzbudzena slnka, a zależność K E =K M =2*K f jest prawdzwa, jeżel rozpatrujemy slnk jako wdzany z zacsków napęca stałego. Wprowadzając dodatkowo charakterystykę momentu w funkcj prądu zadanego: M e K f I = 2, ( 5.4) z można zauważyć, że punkt przecęca tych prostych, przy założenu znamonowego napęca zaslana, wyznacza obszar pracy cągłej slnka, rys.5. a. a) b) [rad/s] 0n =1 =0.8 =0.6 =0.4 =0.2 M z M e [Nm] Rys. 5.. a) Charakterystyk elektromechanczne ω m =f(m e ), ω m =f(i s ) slnka PMBC b) Charakterystyk mechanczne slnka PMBC uzyskwane dla różnych współczynnków wypełnena Podstawową metodą regulacj napęca zaslającego uzwojena fazowe a przez to równeż prędkośc obrotowej slnka jest modulacja współczynnka wypełnena. la przyjętej wartośc współczynnka wypełnena, średne napęce fazowe przyłożone do uzwojeń stojana można przedstawć zależnoścą: u = U s d ( 5.5) Równane opsujące prędkość rozwjaną przez slnk można wyrazć zależnoścą: Ud I z 2 R ω m = ( 5.6) 2 K f Charakterystyk mechanczne slnka uzyskane dla różnych współczynnków wypełnena przedstawono grafczne na rys. 5..b. Glwce 2004 7
5.2 Oddzaływane komutatora elektroncznego na pracę slnka PMBC W układze napędowym składającym sę z slnka PMBC zaslanego za pomocą komutatora elektroncznego występują wzajemne oddzaływana pomędzy slnkem, a przekształtnkem. Obwody główne slnka stanową obcążene przekształtnka, natomast przekształtnk determnuje sposób zaslana slnka. Realzacja funkcj komutatorowej (rys.5.2), powoduje występowane w przebegach prądów fazowych slnka, przedzałów, w których następuje przekazywane prądu pomędzy uzwojenam slnka. Są to tzw. przedzały komutacj. W przypadku komutatora w układze mostka, na jeden okres elektryczny występuje sześć przedzałów komutacj. Przedzały te można przedstawć poglądowo za pomocą grafów. a) b) c) Rys.5.5. Grafy obowązujące w czase komutacj fazy a b Stan obwodu przed komutacją lustruje graf rys.5.5.a. Graf b) lustruje stan obwodu bezpośredno po wyłączenu zaworu fazy zstępującej załączenu zaworu fazy przejmującej. Jako konec procesu komutacj przyjmuje sę chwlę, kedy prąd fazy przejmującej osągne wartość zadaną, obwód można przedstawć schematyczne grafem na rys.5.5.c. W czase komutacj uzwojeń prąd fazy zstępującej zanka do zera, natomast prąd fazy przejmującej narasta od zera do wartośc zadanej. Stosunek czasu zankana narastana prądu w czase komutacj zmena sę wraz ze zmaną prędkośc obrotowej slnka. Ponadto, w układze mostkowym, zjawska zachodzące pomędzy dwoma uzwojenam fazowym w czase komutacj, wpływają na przebeg prądu fazy, która ne uczestnczy bezpośredno w procese komutacj. Można wykazać, że zmana tego prądu zależy od relacj pomędzy wartoścą napęca przyłożonego do zacsków slnka, a pomnożoną przez cztery wartoścą średną fazowej SEM rotacj. Jeżel wartośc te są równe, wartość prądu fazy trzecej jest stała. W pozostałych przypadkach wartość prądu będze sę zmenała zgodne ze schematam przedstawonym na rys.5.6. a) U d =4E b) U d < 4E c) U d > 4E a b a b a b c c c Rys.5.6. Schematyczne przebeg komutacj prądów fazowych slnka PMBC dla trzech różnych przypadków la przykładu, na rys.5.7. pokazano przebeg prądów fazowych slnka pracującego w układze z nadążnym śledzenem prądu, w czase rozruchu, z zadanym prądem, oraz przejśca do pracy z prędkoścą znamonową. Na rysunku tym przedstawono przebeg fazowych SEM pomnożonych przez cztery, na tle wartośc napęca zaslającego. Glwce 2004 8
Rys. 5.7 Przebeg prądów fazowych slnka w czase rozruchu z zadanym prądem oraz przejśca do pracy z prędkoścą znamonową. Ponżej pomnożone przez cztery przebeg fazowych SEM e a,e b.e c,, na tle napęca zaslającego slnk U d W przebegach prądów fazowych wdoczne są mpulsy prądowe występujące w chwlach komutacj, przy newelkej prędkośc slnka. W zakrese prędkośc, dla których poczwórna wartość fazowych SEM jest blska wartośc napęca zaslającego, w przebegach prądów fazowych slnka ne występują zaburzena zwązane z komutacją, natomast przy prędkoścach wększych wdoczne są charakterystyczne zapady prądów fazowych występujące w czase komutacj. Przedstawone powyżej zjawska występujące w czase komutacj mają wpływ na przebeg momentu elektromagnetycznego rozwjanego przez slnk PMBC. Równane opsujące moment elektromagnetyczny można zapsać zależnoścą: 1 M = ( e + e + e ), ω e m a a b b c c którą można przekształcć do postac: M e 2 = ω E m c ( 5.7) ( 5.8) Z zależnośc powyższej wynka, ż moment elektromagnetyczny w czase przełączana prądów pomędzy dwoma uzwojenam (w czase komutacj), można wyrazć tylko za pomocą wartośc chwlowej prądu fazy trzecej. Wynka stąd, że wartość momentu elektromagnetycznego rozwjanego przez slnk będze zmenała sę w chwlach komutacj. W zakresach małych prędkośc obrotowych, (0-0.7*n n ) zmana momentu będze mała znak dodatn, natomast powyżej tego przedzału prędkośc obrotowej, znak ujemny. Występowane tego zjawska ograncza zakres rozwjanego przez slnk momentu elektromagnetycznego w zakrese wyższych prędkośc obrotowych, poneważ wartość średna momentu elektromagnetycznego będze zmnejszała sę ze wzrostem prędkośc obrotowej. Ilustracją powyższych rozważań jest charakterystyka elektromechanczna slnka Rys.5.8 Charakterystyka elektromechanczna ω m =f(m e ), slnka PMBC przedstawona na rys.5.8. Przy wykreślanu tej charakterystyk uwzględnono zmnejszane sę momentu elektromagnetycznego wynkające z zachodzących w czase pracy slnka zjawsk zwązanych z komutacją oraz wpływ ogranczena prądu. Glwce 2004 9
6. Slnk PMBC z komutatorem w układze półmostka 6.1 Podstawowe struktury komutatora w układze półmostka Podstawowa struktura komutatora elektroncznego w układze połączeń półmostka składa sę z trzech zaworów energoelektroncznych, przy czym punkt gwazdowy slnka przyłączony jest do jednego z begunów źródła zaslana. Zawory mogą być rozmeszczone są od strony dodatnego beguna źródła zaslana, powyżej w stosunku do uzwojeń stojana oraz ponżej, od strony ujemnego źródła zaslana, jak pokazano na rys.6.1.a,b. a) b) R d R d R d 1 5 L 1 L 2 L 4 6 2 U d U d L 1 L 2 L 1 5 4 2 6 R d R d R d Rys.6.1. Podstawowe struktury komutatora elektroncznego w układze półmostka a) układ z punktem gwazdowym uzwojeń podłączonym od strony ujemnego beguna źródła b) układ z punktem gwazdowym uzwojeń podłączonym od strony dodatnego beguna źródła Struktura, półmostka zwana jest także strukturą unpolarną, ze względu na fakt, że prądy płynące przez uzwojena stojana są jednokerunkowe. Podobne jak w przypadku układu mostka, zawory komutatora 0 60 90 120 150 180 210 240 270 00 0 60 e a a e c e b b Rys. 6.2. Schematyczne przebeg prądów fazowych SEM slnka PMBC z komutatorem w układze półmostka c 0 el elektroncznego oprócz funkcj przełączana uzwojeń, mogą także realzować zadana regulacj prądu lub napęca. Aby w przekształtnkach o komutacj zewnętrznej, zapewnć właścwą cyrkulację prądów, stosuje sę dody zwrotne. ody te umożlwają rozładowywane energ zgromadzonej w ndukcyjnoścach obcążena. W komutatorze pracującym w układze mostka funkcję dod zwrotnych pełną dody stanowące ntegralną część zaworów grupy przecwnej. W układze półmostka dody zwrotne stanową oddzelne elementy. la podstawowej struktury półmostka w szereg z dodam zwrotnym, włączone są dodatkowe rezystory. Potrzeba stosowana rezystorów wynka z faktu, że fazowa sła elektromotoryczna w czase cyklu pracy slnka zmena swój kerunek na przecwny. W czase aktywnej półfal, SEM, o przecwnej polaryzacj w obwodze dody zwrotnej możlwy byłby przepływ prądu o kerunku przecwnym do ndukowanej SEM. Prąd ten powodowałby hamowane dynamczne slnka. Aby unknąć tego nekorzystnego zjawska, w układze półmostkowym stosuje sę dodatkowe rezystancje R d włączone szeregowo w obwody dod zwrotnych. Welkość rezystancj dodatkowych wynka z kompromsu pomędzy konecznoścą zablokowana przepływu prądu w obwodach dod zwrotnych, a możlwoścą spełnana przez te obwody zadanej funkcj. Rozwązane take powoduje powstane dodatkowych strat obnża sprawność układu. Z tego powodu układ z rezystancjam dodatkowym znajduje zastosowane jedyne w układach zaslana slnków o bardzo małej mocy. 6.2 Przegląd struktur komutatora elektroncznego pracującego w układze półmostka W lteraturze można sę spotkać z próbam ulepszana podstawowej struktury komutatora elektroncznego w układze półmostka. Na rys. 6..a przedstawono układ, w którym rezystory zastąpono dodam Zenera. Innym rozwązanem jest struktura typu C-ump przedstawona na rys. 6..b. Układy typu C-ump są stosowane w slnkach reluktancyjnych (SRM). Od klku lat podejmowane są próby ch adaptacj do napędów z slnkam PMBC. Glwce 2004 10
a) b) L 0 L 1 L 2 L L 1 L 2 L z4 z2 z6 6 2 U d 4 2 6 U d r 4 4 2 6 4 2 6 0 C 0 Rys.6.. a )Komutator w układze półmostka z dodam Zenera b) Komutator elektronczny w układze półmostka typu C-ump. 7. Porównane właścwośc układu napędowego z slnkem PMBC pracującym w układze mostka półmostka W rozwązanach praktycznych, do pracy w strukturze półmostka dobera sę zwykle slnk o nnych parametrach konstrukcyjnych nż slnk przeznaczony do pracy w strukturze mostka. la celów pracy, analza porównawcza, przeprowadzona została przy założenu, że w obydwu porównywanych strukturach pracuje slnk o takch samych parametrach. 7.1 Różnce w rozpływach prądów strumen skojarzonych Zasadnczą różncą pomędzy napędem z slnkem PMBC pracującym w układze mostka półmostka jest różnca w strukturach obwodów głównych komutatora elektroncznego. W układze mostkowym komutator elektronczny składa sę z sześcu zaworów energoelektroncznych natomast w strukturze półmostka występują trzy zawory. Ponadto w strukturze półmostka jeden z begunów źródła zaslana przyłączony jest do punktu gwazdowego slnka. W zwązku z tym, prądy płynące w uzwojenach fazowych slnka pracującego w układze półmostka są jednokerunkowe. W czase jednego cyklu 60 0 elektrycznych prądy w każdej faze stojana płyną w jednym kerunku, przez okres 120 0 elektrycznych rys.7.1. Inaczej ma to mejsce w strukturze mostka, w której w czase każdego cyklu wyróżnć można dwa 120 0 przedzały, w których prądy fazowe płyną w przecwnych kerunkach. Wydealzowane przebeg prądów fazowych slnka pracującego w układze a) mostka b) półmostka przedstawono na rys. 5.2.b oraz 6.2. W układze półmostka zależne od konfguracj prądy mogą meć kerunek dodatn lub ujemny, natomast w układze mostka prądy uzwojeń płyną w obydwu kerunkach. Wynka stąd nne obcążene uzwojeń slnka elementów komutatora. Informację na temat wartośc średnch skutecznych odpowednch prądów zestawono w tabel 7.1. abela 7.1 Zestawene wartośc średnch skutecznych prądów w podstawowych obwodach napędu slnka PMBC pracującego w strukturze mostka półmostka. Rozpatrywany obwód struktura mostkowa (B) I B ( AV ) B I ( RMS ) struktura półmostkowa (HB) HB I ( AV ) HB I ( RMS ) I dc Idc Idc Idc Uzwojene 2 fazowe slnka ranzystor przełączający 2 1 1 oda zwrotna 1 tranzystora przełączającego 1 1 1 W tabel 7.1 oznacza stosunek czasu załączena tranzystora do okresu mpulsowana. Glwce 2004 11
Sposób konfguracj obwodów głównych oraz wynkający stąd sposób sterowana komutatorem elektroncznym wpływa na właścwośc slnka pracującego w obydwu strukturach. Przejawa sę to tym, że strumeń skojarzony z czynnym uzwojenam stojana w przypadku slnka pracującego w strukturze mostka jest dwukrotne wększy nż w przypadku slnka pracującego w strukturze półmostka. W wynku tego zastępczy współczynnk wzbudzena wdzany z zacsków obwodu prądu stałego, dla struktury półmostka będze dwukrotne mnejszy nż dla struktury mostka. Fakt ten znajduje odzwercedlene w charakterystykach mechancznych slnka PMBC pracującego w obydwu strukturach, poneważ zastępczy współczynnk wzbudzena występuje w zależnoścach opsujących zarówno prędkość mechanczną oraz moment elektromagnetyczny rozwjany przez slnk. 7.2 Wpływ struktury na charakterystyk elektromechanczne Punktem wyjśca do analzy charakterystyk, dla obydwu struktur zaslana slnka jest, węc porównane prędkośc begu jałowego oraz momentu zwarca. ω B = = 0 ω HB 0 0 kω 2 ( 7.1) M Z k = = 1 ( 7.2) Mz HB M Z B Rys.7.1. Charakterystyk slnka PMBC pracującego w układze mostka układze półmostka Z przedstawonych na rysunku 7.2 charakterystyk mechancznych wynka, że prędkość begu jałowego slnka pracującego w strukturze półmostka będze, dwukrotne wększa nż dla slnka w strukturze mostka. W obydwu przypadkach moment zwarca będze mał taką samą wartość. Z charakterystyk prądu w funkcj momentu elektromagnetycznego wynka, że przy zaslanu slnka prądem o tej samej wartośc przy obu strukturach, slnk pracujący w układze półmostka będze rozwjał dwukrotne mnejszy moment elektromagnetyczny nż pracujący w układze mostka. 8. Koncepcja zmennej struktury komutatora elektroncznego 8.1 Idea przełączanej struktury komutatora Rozważana przedstawone w rozdzałach 5-7 stanowły punkt wyjśca do przyjęca nowej koncepcj zaslana sterowana slnka. Koncepcja ta polegała na zastosowanu zmennej struktury komutatora elektroncznego. Przy pracy slnka w perwszej strefe, komutator był połączony w układze mostka, a przy pracy w drugej strefe w układze półmostka. eoretyczne można to uzyskać stosując dodatkowy łącznk pomędzy punktem gwazdowym uzwojena stojana, a jednym z zacsków źródła zaslana. Ideę takego układu, przewdywane charakterystyk mechanczne przedstawono na rys.8.1 oraz rys.8.2. Glwce 2004 12
Q u 1 1 5 5 L a L b U d L c 4 4 6 6 2 2 Rys.8.1. Koncepcja komutatora o przełączanej strukturze Rys.8.2. Przewdywane charakterystyk mechanczne napędu z komutatorem o przełączanej strukturze Przewdywana charakterystyka mechanczna napędu z komutatorem o przełączanej strukturze jest złożenem charakterystyk mechancznej slnka pracującego w układze mostka oraz charakterystyk slnka pracującego w układze półmostka. Kolorem cemnym zaznaczono dostępny obszar charakterystyk w układze półmostka przy założenu stałej wartośc strat wydzelanych w uzwojenach slnka. Glwce 2004 1
E -E E -E 8.2 rudnośc z realzacją a) U d b) U d 1 1 4 4 1 1 4 4 Q pm (ON) Q pm (ON) 6 6 (t) (t) 6 6 5 5 2 2 5 5 2 2 Rys. 8.. Zaburzena w pracy komutatora o przełączalnej strukturze w czase pracy w układze półmostka a) przepływ prądu w obszarze aktywnej półfal SEM o zgodnej polaryzacj, b) ne kontrolowany przepływ prądu w obszarze aktywnej półfal SEM o przecwnej polaryzacj L a L b L c L a L b L c e b e b e a e c e a e c (t) e a e a (t) Podstawowym problemem, który należało rozwązać przy opracowywanu układu dzałającego wg. przedstawonej de było zjawsko pojawające sę w strukturze półmostkowej, w obszarze aktywnej, półfal SEM o przecwnej polaryzacj. W układze mostkowym, dody stanowące ntegralną część zaworów umożlwają właścwy przepływ energ, co jest szczególne ważne w przypadku obcążeń ndukcyjnych. ody grupy dodatnej współpracują przy tym z tranzystoram grupy ujemnej, a dody grupy ujemnej współpracują z tranzystoram grupy dodatnej. W przypadku przejśca do układu półmostka (unpolarnego), jak to pokazano na rys.8.., w obszarze przecwnej półfal SEM w obwodze grupy dodatnej możlwy jest przepływ nekontrolowanego prądu, zaslającego fazę. Kerunek przepływu tego prądu byłby przecwny do ndukowanej SEM powodowałby wytwarzane momentu hamującego slnka. Prowadzłoby to zaburzena pracy, a skrajnym przypadku mogłoby doprowadzć do uszkodzena slnka. Przeprowadzone badana symulacyjne potwerdzły te przypuszczena. Wybrane wynk tych badań przedstawono na rys.8.4 oraz rys.8.5 W przypadku wykorzystana zaworów mostka w charakterze półmostka ne ma możlwośc usunęca nepotrzebnego zestawu trzech zaworów. Układ ne dopuszcza, węc możlwośc bezpośrednego połączena mostka półmostka 20.0 Chwla przelaczena e a 0-20.0 a -28.2 41ms. 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms 110ms Rys.8.4. Przebeg prądu fazowego slnka oraz fazowej SEM w czase przełączena układu do struktury półmostka Glwce 2004 14
54 Chwla przelaczena ω m 200 0 M em -197 40.1ms 50.0ms 60.0ms 70.0ms 80.0ms 90.0ms 100.0ms 110.0ms Rys. 8.5. Przebeg prędkośc obrotowej slnka oraz momentu elektromagnetycznego w czase przełączena układu do struktury półmostka Na rys.8.4. 8.5 przedstawono wynk badań symulacyjnych napędu z slnkem PMBC w którym w chwl t=50ms nastąpło przełączene do struktury półmostka. Na rys.8.4 wdoczne są przedzały, w których prąd fazowy przepływa w kerunku przecwnym do SEM. W wynku tego wytwarzany jest w slnku moment hamujący, a w konsekwencj tego następuje zmnejszane prędkośc obrotowej slnka rys.8.5. 8. Nowa struktura komutatora elektroncznego Wynkem prac analtyczno symulacyjnych był pomysł nowej struktury komutatora elektroncznego, którą przedstawono na rys.8.6 a oraz b. W układze oprócz struktury mostka (tranzystory 1-6 ) znajduje sę zawór pełnosterowalny h łączący punkt gwazdowy slnka z dodatnm begunem źródła zaslana, doda 01 łącząca ujemny begun źródła zaslana z punktem gwazdowym slnka oraz układ buforujący składający sę z dody 0 oraz kondensatora C 0, rozmeszczone jak na rysunku. Układ umożlwa pracę slnka zarówno w strukturze mostka, co odpowada pracy w perwszym zakrese prędkośc obrotowej, jak w strukturze półmostka, czemu odpowada praca w drugej strefe. a) b) Rys.8.6. Równoważne schematy proponowanej struktury komutatora elektroncznego 9. Zasada dzałana komutatora o przełączalnej strukturze W czase pracy strukturze mostka zawory 1-6 pracują w tak sposób jak ma to mejsce w znanym układze mostkowym. Przejśce układu do pracy w strukturze półmostka ncjowane jest poprzez załączene łącznka h wyłączena zaworów grupy dodatnej 1,, 5 Zmana konfguracj struktury układu następuje w chwl, kedy zostaje załączony tranzystor h jednocześne wyłączone zostają tranzystory grupy dodatnej mostka. W czase poprzedzającym tą chwlę wartość napęca na kondensatorze C 0 jest w przyblżenu równa wartośc napęca zaslającego U d. Na rys 9.1 przedstawono przebeg SEM ndukowanych w uzwojenach fazowych slnka. Można zauważyć, że w dowolnej chwl w jednym z uzwojeń fazowych slnka, ndukowana SEM ma kerunek przecwny do SEM ndukowanych w pozostałych uzwojenach. W zwązku z tym, po załączenu tranzystora h, co najmnej jedna z dod zwrotnych tranzystorów grupy dodatnej zostaje spolaryzowana do stanu przewodzena. Powoduje to przepływ prądu w obwodze pokazanym na rys. 9.2, a w wynku tego ładowane kondensatora C 0. Glwce 2004 15
h h 0 1 1 5 5 L a e a U d L b e b C 0 L c e c 4 4 6 6 2 2 01 Rys. 9.1. Przebeg fazowych SEM rotacj ndukowanych w uzwojenach slnka PMBC Rys. 9.2. Schemat przepływu prądu w czase trwana stanu przejścowego Gdy napęce na kondensatorze osągne wartość, przy, której dody zwrotne zostaną spolaryzowane w kerunku zaporowym prąd przestane płynąć. Po zakończenu stanu przejścowego rozkład napęć występujący w układze teoretyczne zapewna możlwość poprawnej pracy w strukturze półmostka. alszy wzrost prędkośc obrotowej slnka może doprowadzć do sytuacj, w której dody zaworów grupy dodatnej zostaną spolaryzowane do stanu przewodzena w konsekwencj, czego ponowne wystąp zjawsko omówone powyżej. Wartość napęca na kondensatorze będze zwększała sę za każdym przełączenem uzwojeń, jednak w celu ustalena jej do pozomu wartośc zadanej, możlwe jest doładowane kondensatora. Polega to na tym, że w tym czase zawory grupy ujemnej pełną funkcję regulacyjną przy załączonym na stałe tranzystorze h. W tym czase napęce na kondensatorze narasta zgodne ze schematem przedstawonym na rys.9.4.. W chwl, kedy napęce na kondensatorze osągne wartość zadaną, stneje potrzeba utrzymywana tej wartośc na zadanym pozome. alszy wzrost może doprowadzć do uszkodzena zaworów komutatora. W proponowanym rozwązanu funkcję rozładowana napęca na kondensatorze mogą spełnać tranzystory grupy dodatnej mostka 1,, 5. W chwl, kedy stneje potrzeba rozładowana napęca na kondensatorze załączany jest odpowedn zawór grupy dodatnej, przy czym wybór załączanego zaworu w danej chwl wynka Rys. 9.4. Przebeg prądów fazowych slnka oraz napęca na kondensatorze U C0 z funkcj komutatorowej. Zasadę dzałana proponowanego układu pokazano na rys.9.5., na którym przedstawono przebeg prądów fazowych slnka, napęca na kondensatorze C 0, oraz sygnały sterujące poszczególnym tranzystoram komutatora. Jak pokazano na rysunku, w chwl przejśca do struktury półmostka, przestają być generowane sygnały sterujące zaworam tranzystorów 1, 2,, natomast zostaje załączony tranzystor h. Po tej chwl w faze c wdoczny jest prąd przejścowy płynący w obwodach dod zwrotnych kondensatora. Po zanknęcu tego prądu, zawory 2, 4, 6, pełną funkcję regulacj prądu. W wynku tego następuje zwększane sę wartośc napęca na kondensatorze C 0. W chwl, kedy osągne ona pozom zadany, funkcję regulacyjną przejmują tranzystory 1,, 5, natomast funkcję regulacj przejmuje tranzystor h. Napęce na kondensatorze C 0 narasta wolnej, natomast w chwlach, kedy jego wartość przekroczy zadany pozom załączane są odpowedne tranzystory grupy dodatnej. W wynku tego średna wartość napęca na kondensatorze utrzymywana jest na stałym pozome. Glwce 2004 16
U C0 < U z U C0 = U z U C0 > U z 60 u C0-0 b c a G 1 G G 5 G 4 G 6 G 2 G h Rys.9.5 Zasada sterowana komutatorem elektroncznym w układze półmostka. Analogczne przebeg prądów napęć można uzyskać w przypadku, gdy tranzystor h pozostaje na stałe załączony natomast funkcję regulacj pełną zawory grupy ujemnej 2, 4, 6. ranzystory 1,, 5. realzują wówczas określony algorytm, którego zadanem jest utrzymywane pewnej wartośc tak zwanego prądu pomocnczego. Wartość tego prądu ulega zmane wraz ze zmaną prędkośc obrotowej slnka, zależne od zadanej wartośc prądu głównego. la potrzeb dalszej weryfkacj przyjęto strukturę obwodów sterowana komutatorem o przełączalnej strukturze, której schemat przedstawono na rys.9.7. I I + Rys.9.7. Struktura obwodów głównych sterowana napędu z komutatorem o przełączalnej strukturze. W przedstawonym na powyższym rysunku schemace można wyróżnć: Układy pomaru prądów fazowych pp, oraz napęca na kondensatorze ppu c Obwody pomarowe prądów stojana. Przyjęto, że w proponowanym układze pomar prądów będze realzowany w trzech fazach, a następne sygnały proporcjonalne do prądów fazowych będą sumowane Glwce 2004 17
rozdzelane na dwa sygnały: proporcjonalne do prądów polaryzacj dodatnej I+, oraz prądów polaryzacj ujemnej I-. Obwód pomarowy wartośc napęca na kondensatorze C 0. Założono, realzowany będze pomar różncy pomędzy wartoścą napęca na kondensatorze a wartoścą napęca zaslającego. Układ sterujący, US, którego zadanem jest wypracowywane sygnałów zwązanych ze stanem pracy układu, oraz zadawane wartośc prądów napęca do układów regulacj. o regulacj prądu przyjęto układ z nadążnym śledzenem, realzowany za pomocą komparatorów z hsterezą K1,K2. o regulacj napęca przyjęto układ oparty na komparatorze z hsterezą K Sygnały wypracowane przez układ sterowana, układy komparatorów K1,K2,K, oraz sygnały z czujnków położena wrnka, H1,H2,H, podane są na wejśce układu logcznego, którego zadanem jest formowane odpowednch sygnałów sterujących tranzystoram komutatora. 10. Badana symulacyjne 10.1 Budowa model komputerowych U dc + - 4 1 R w U d X M M L M Bm d 1 1 5 5 4 4 6 6 2 2 1 J ω ω dt d R 5 Funkcje stanu zaworów F 1 K f1 F 2 F 6 F 4 L ωk f1 θ K f (θ) 7 F 5 F 6 R L ωk f2 K f2 X 2 K f1 K f K f2 X X ω R L ωk f K f ωk f1 ωk f2 ωk f Badana symulacyjne przeprowadzono w programe Matlab-Smulnk, oraz PSpce. Punktem wyjśca do budowy model komputerowych był schemat obwodów głównych przedstawony na rys. 10.1. Początkowy etap pracy, mał na celu wstępną weryfkację poprawnośc założeń przyjętej struktury oraz określene zasad sterowana.. Na tym etape badań zdecydowano sę na budowę modelu slnka PMBC z komutatorem elektroncznym z wykorzystanem paketu Matlab-Smulnk Zastępując elementy modelu matematycznego slnka PMBC z komutatorem w układze mostka trójfazowego rys.10.1 odpowednm blokam Smulnka otrzymano model komputerowy slnka bezszczotkowego. Rozbudowując ten model wprowadzając dodatkowy układ półmostka uzyskano model komputerowy układu z slnkem PMBC pracującego w układze o zmennej strukturze komutatora elektroncznego. Ogólną postać takego modelu przedstawono na rys. 10.2. Rys.10.1. Schemat obwodów głównych slnka obwodów sterowana komutatorem dla slnka z magnesam trwałym komutatorem elektroncznym Rys.10.2. Model układu napędowego o przełączalnej strukturze opracowany za pomocą paketu Matlab- Smulnk. Glwce 2004 18
Następne opracowano modele układów sterowana komutatorem elektroncznym. Przykład układu sterowana opracowanego w Smulnku przedstawono na rys.10.. Rys.10.. Schemat układu sterowana komutatorem elektroncznym o zmennej strukturze dla sposobu sterowana z przełączającym tranzystorem h alszym etapem badań symulacyjnych, były prace nad budową modelu komputerowego z wykorzystanem oprogramowana PSpce. Badana te mały na celu analzę pracy układu z szczególnym uwzględnenem warunków pracy zaworów komutatora stanowły punkt wyjśca do opracowana modelu rzeczywstego. Z tego tez powodu w czase opracowywana model w PSpce, zwrócono uwagę, aby możlwe dokładne odwzorować obwody elektryczne elektronczne układu, doberając elementy o zblżonych parametrach do elementów przygotowywanego układu rzeczywstego. Na rys.10.4.1 przedstawono schemat obwodów głównych slnka PMBC, komutatora elektroncznego o zmennej strukturze, oraz obwodów pomarowych. Można wyróżnć w nm model komutatora elektroncznego, model obwodów głównych mechancznych wraz z układem odwzorowana zastępczego współczynnka wzbudzena. W modelu współczynnk ten został odwzorowany za pomocą rozwnęca przebegów trapezowych w szereg Fourera. 10.2 Wynk ważnejszych badań symulacyjnych Ponżej przedstawono wybrane wynk symulacj slnka pracującego z przełączającym tranzystorem h. Przedstawono wynk uzyskane z symulacj z wykorzystanem programu PSpce. Rys. 10.5. Przebeg prądów fazowych slnka napęca na kondensatorze w czase pracy układu w strukturze pólmostka Glwce 2004 19
Rys. 10.2. Schemat obwodów głównych zaslana slnka bezszczotkowego prądu stałego w programe PSpce. Glwce 2004 20
Rys. 10.6. Przebeg prądów fazowych slnka napęca na kondensatorze w czase pracy w strukturze półmostka, przy prędkośc nm=6000obr/mn 11. Weryfkacja laboratoryjna Ostatecznej weryfkacj przyjętych założeń dokonano w laboratorum. Korzystano przy tym z slnka bezszczotkowego o mocy 00W. Oprócz pomarów oscyloskopowych pomerzono charakterystyk mechanczne slnka z komutatorem o przełączalnej strukturze dla pracy w układze mostka półmostka. Schemat układu laboratoryjnego przedstawono na rys.11.1. Układ składał sę z slnka bezszczotkowego typu RM ct-85-1 produkcj ELKAR Warszawa, o mocy około 00W. Slnk posadał dostępny punkt gwazdowy stojana był połączony z komutatorem o przełączalnej strukturze. Badany napęd był zaslany napęcem o wartośc 24 V z bater akumulatorów trakcyjnych o napęcu 24V pojemnośc 42Ah. Obcążene slnka napędowego stanowł slnk komutatorowy o mocy 400W, pracujący jako prądnca. R G I G I d A BLC A U d K E G V U G R OSC Rys.11.1. Schemat układu laboratoryjnego slnka PMBC obcążonego prądncą 11.1 Projekt układu sterowana slnka z komutatorem o zmennej strukturze Układ komutatora elektroncznego zbudowany został z wykorzystanem sedmu tranzystorów MOSFE typu IRF 2807. o wyzwalana tranzystorów mostka zastosowano typowy sterownk IR 210, zaś do wyzwalana tranzystora zastosowano h układ LP 250. Jako dodę 0 w układze zastosowano dodę Shottky ego typu: 40CPQ080. oda ta współpracowała z kondensatorem elektroltycznym typu ALS41A, o pojemnośc F=2200µF napęcu znamonowym U=100V. o pomaru prądów fazowych zastosowano przetwornk prądowe LEM oraz dwa mostk prostowncze. zęk takemu rozwązanu uzyskano dwa rozdzelone sygnały proporcjonalne do sumy prądów, polaryzacj dodatnej I+ oraz polaryzacj ujemnej I-. W czase pracy w strukturze mostka dla potrzeb sterowana wykorzystuje sę sygnał prądu polaryzacj ujemnej, natomast w czase pracy w strukturze półmostka korzysta sę z obu sygnałów. Układ pomaru napęca składa sę z przetwornka napęca LEM, przy czym welkoścą merzoną jest różnca pomędzy napęcem na kondensatorze C 0 a napęcem zaslającym U d. Sygnały proporcjonalne do prądów fazowych jak równeż sygnał proporcjonalny do napęca merzonego, podane zostały na wejśca komparatorów analogowych LM9 pracujących w układze z hsterezą. Układ sterowana komutatorem elektroncznym zbudowano w oparcu o sterownk mkroprocesorowy typu: Z- 048F. Rdzeń sterownka mkroprocesorowo składa sę z mkrokontrolera Htach H8/048F. Oprócz wewnętrznych zasobów mkrokontrolera sterownk jest wyposażony w układ montora pozwalający na współpracę z komputerem. Glwce 2004 21
Istotną cechą sterownka jest fakt, że wyśwetlacz LC, klawatura oraz sygnały z portów PA PB zostały sprzężone z mkrokontrolerem poprzez matryce programowalne splsi 1016E frmy Lattce. zęk temu do jednego z układów zamplementowany został algorytm sterowana komutatorem elektroncznym, a jednocześne możlwe było wykorzystane możlwośc sterownka mkroprocesorowego do nadzorowana montorowana pracy napędu. 11.2 Ważnejsze wynk pomarów oscyloskopowych Przeprowadzono pomary oscyloskopowe wybranych welkośc slnka przekształtnka, w tym prądów fazowych oraz napęca na kondensatorze. o pomarów wykorzystano oscyloskop cyfrowy EKRONIX typ 50. Na rys. 11.2. przedstawono przebeg prądów fazowych slnka oraz napęca fazowego slnka w podczas rozruchu slnka bezszczotkowego w układze mostkowym (bpolarnym). Przebeg te były merzone aż do chwl osągnęca stanu ustalonego ch końcowy fragment lustruje zachowane sę układu w stane ustalonym. 10 A a b c 10 ms u a0 Rys.11.2. Przebeg prądów fazowych slnka oraz napęca fazowego slnka podczas rozruchu slnka pracującego w strukturze mostka. Rysunek 11. lustruje zjawska zachodzące w czase przełączena struktury z układu mostka do układu półmostka. Na rysunku wdoczny jest przedzał pracy slnka w układze mostka. W chwl, kedy następuje przełączene struktury, wdoczny jest stan przejścowy w czase, którego następuje przepływ prądu w obwodze dody zwrotnej tranzystora 5 oraz kondensatora C 0. Następne układ przechodz do pracy z załączonym tranzystorem h, wdoczny jest w tym przedzale przyrost napęca na kondensatorze C 0. Od chwl, kedy napęce na kondensatorze C 0 osąga ustaloną wartość U C0 =48V, układ przechodz do pracy z przełączającym tranzystorem h. Napęce na kondensatorze C 0, utrzymywane jest na stałym pozome. Glwce 2004 22
U c0 =48V u c0 U c0 =24V przełączene struktury 10 A a b c 10 ms Rys.11.. Przebeg prądów fazowych slnka napęca na kondensatorze w czase przejśca układu do struktury półmostkowej 11. Pomary charakterystyk mechancznej Charakterystyk mechanczne wyznaczono dla slnka o rezystancj stojana R s = 0,12 Ω współczynnku wzbudzena K f = 0,027 Nm/A. Na rysunku 11.4. zestawono wyznaczone charakterystyk, które tworzą charakterystykę mechanczną proponowanego napędu. Rys.11.4. Wyznaczona charakterystyka mechanczna badanego napędu Glwce 2004 2
12. Omówene wynków pracy Możlwość uzyskana pracy dwustrefowej slnków PMBC stanow problematykę nadal aktualną. Spośród znanych obecne metod uzyskwana dwustrefowej pracy slnków PMBC wększość dotyczy rozwązań wymagających specjalnych konstrukcj slnków lub wymaga zastosowana stosunkowo dużej lczby dodatkowych elementów elektroncznych w strukturze komutatora. Oprócz tego charakteryzują sę na ogół ne najwyższą sprawnoścą. W pracy zaproponowano nową koncepcję uzyskana pracy slnka bezszczotkowego wzbudzanego magnesam trwałym z obnżonym strumenem wzbudzena. Koncepcja ta polega na zmane struktury komutatora elektroncznego z układu pełnego mostka (dla pracy przy stałym momence) do układu półmostka (w zakrese pracy przy obnżonym momence zwększonej prędkośc obrotowej). ak układ zaslana wymaga zastosowana slnka z dostępnym punktem gwazdowym oraz zastosowana dodatkowego łącznka w strukturze komutatora elektroncznego. Przy realzacj pracy natrafono na dwe stotne trudnośc. Perwszą z trudnośc występujących przy realzacj komutatora elektroncznego o zmennej strukturze jest koneczność stosowana dużej lośc łącznków elektroncznych. Wąże sę to ze skomplkowanem struktury układu obnżenem jego sprawnośc. rugą stotną trudnoścą był problem wynkający z nekorzystnych właścwośc komutatora elektroncznego pracującego w układze półmostka. W układze mostkowym, dody stanowące ntegralną część zaworów grupy dodatnej pełną funkcję dod zwrotnych dla zaworów grupy ujemnej na odwrót. W przypadku przejśca do układu półmostka (unpolarnego) w obszarze przecwnej półfal SEM w obwodze grupy dodatnej płynąłby nekontrolowany prąd zaslający fazę. Prąd ten małby kerunek przecwny do ndukowanej SEM powodowałby hamowane dynamczne slnka. Obe te trudnośc udało sę pokonać stosując nowe rozwązane komutatora elektroncznego. W wynku badań udało sę opracować rozwązane, w którym lość dodatkowych łącznków elektroncznych można ogranczyć do. Zaproponowany, opracowany przebadany układ zawera oprócz struktury mostka jeden zawór pełnosterowalny (tranzystor) łączący punkt gwazdowy slnka z dodatnm begunem źródła zaslana, oraz układ buforujący, w którego skład wchodzą dwe dody kondensator. W ramach pracy przeprowadzono obszerne badana symulacyjne laboratoryjne. Badana symulacyjne zostały przeprowadzone w programach Matlab-Smulnk oraz PSpce. Przed przystąpenem do badań autor opracował własne modele komputerowe slnka PMBC oraz układu napędowego z tym slnkem. Badana potwerdzły słuszność analzy teoretycznej, w tym równeż potwerdzły stnene zaburzeń powstających przy bezpośrednm przełączanu struktury komutatora. Wykazały równeż, że przyjęta struktura spełna stawane jej wymagana oraz pozwolły dobrać algorytmy sterowana zaworam. Badana laboratoryjne wykonano dla slnka PMBC o mocy 00 W napęcu znamonowym 24 V. Badana laboratoryjne potwerdzły prawdłowe dzałane opracowanego układu. Przebeg czasowe analzowanych napęć prądów uzyskanych w układze rzeczywstym okazały sę praktyczne take same jak przebeg napęć prądów uzyskanych w badanach symulacyjnych. Charakterystyk mechanczne układu okazały sę zgodne z przewdywanym teoretyczne. Sprawność układu przekraczała, 80% co dla mocy slnka 00 W należy uznać za wynk dobry. Proponowane rozwązane jest orygnalne ne ma odpowednka w lteraturze. Zostało ono zgłoszone do opatentowana. Zastosowane do slnków bezszczotkowych prądu stałego wzbudzanych magnesam trwałym pozwol unknąć konecznośc zwększana mocy gabarytów slnków pracujących z wększą prędkoścą obrotową od znamonowej. Jest to szczególne ważne w przypadku ch zaslana ze źródła napęca stałego o stałej wartośc napęca (np. batera akumulatorów). 12.1 Możlwośc kontynuowana badań W badanach udowodnono, że możlwa jest realzacja koncepcj dwustrefowego układu sterowana slnkem wzbudzanym magnetoelektryczne, która polega na zmane struktury komutatora elektroncznego z układu pełnego mostka do układu półmostka, przy czym tak układ zaslana wymaga zastosowana slnka z dostępnym punktem gwazdowym. Uzyskane rozwązane stanow nowość na skalę śwatową. Opracowana koncepcja, została sprawdzona zarówno na modelu komputerowym jak w laboratorum. Walory uzyskanego rozwązane pozwalają stwerdzć, że badana nad slnkam PMBC z komutatorem elektroncznym o przełączalnej strukturze należy kontynuować. Jako kerunk dalszych prac należałoby zalecć: 1. Syntezę optymalzację struktur obwodów głównych sterowana Glwce 2004 24
2. Ocenę wpływu sposobu zaslana (batera akumulatorów, przekształtnk energoelektronczny prądu stałego tp.) na właścwośc układu napędowego.. Określene właścwośc napędu (charakterystyk statyczne, dynamczne, właścwośc energetyczne) na drodze analzy teoretycznej oraz badań symulacyjnych laboratoryjnych. 4. Badana wpływu strateg sterowana na właścwośc układu 1. Uwag wnosk końcowe W rozprawe zaproponowano strukturę przeprowadzono analzę orygnalnego układu z komutatorem elektroncznym o przełączalnej strukturze mostek/półmostek umożlwającego dwustrefową pracę slnka bezszczotkowego wzbudzanego magnetoelektryczne. W ramach prowadzonych badań przeanalzowano możlwośc dwustrefowej pracy slnka wzbudzanego magnesam trwałym, porównano właścwośc slnków pracujących z komutatorem w układze mostka półmostka, na potrzeby pracy opracowano własne modele komputerowe slnka z komutatorem elektroncznym, przeprowadzono obszerne badana symulacyjne w programach MALAB-Smulnk PSpce, opracowano, zaprojektowano zrealzowano prototypowy układ laboratoryjny, przeprowadzono badana laboratoryjne opracowanego układu, w drugej strefe pracy. W wynku rozważań analtycznych oraz badań komputerowych laboratoryjnych stwerdzono: 1. Przedstawone w rozdzale 4 układy umożlwające pracę dwustrefową slnków PMBC posadają wele nekorzystnych cech, które ogranczają możlwośc ch aplkacj. 2. Istotne uproszczene struktur obwodów głównych komutatora uzyska sę stosując komutator o przełączalnej strukturze mostek-półmostek. Struktura ta wykorzystuje fakt, że strumeń skojarzony z uzwojenam czynnym przy pracy z komutatorem w układze półmostka jest w przyblżenu dwukrotne mnejszy nż przy pracy z komutatorem w układze mostka.. Nekorzystne zjawska przy pracy w zakrese ujemnych wartośc SEM unemożlwają bezpośredne przełączane komutatora z układu o strukturze mostka do układu o strukturze półmostka. 4. Zastosowane trzech dodatkowych zaworów oraz kondensatora buforującego połączonych zgodne z sugestą autora umożlwa płynne przechodzene od struktury mostka do półmostka odwrotne oraz w stotny sposób ograncza zakłócena występujące przy zmane struktury z mostka na półmostek. 5. Badana symulacyjne laboratoryjne potwerdzły słuszność obranej koncepcj. 6. Opracowana struktura ne powoduje pogorszena właścwośc slnka pracującego z komutatorem o strukturze mostka. 7. Opracowany układ ne wymaga użyca dodatkowych dławków stosowanych w typowych strukturach C-dump. 8. W opracowanym układze stneje możlwość regulacj napęca na kondensatorze buforującym wpływana w ten sposób na właścwośc napędu. 9. Cel pracy, którym była: analza możlwośc uzyskana struktury komutatora elektroncznego, umożlwającej pracę slnka bezszczotkowego prądu stałego wzbudzanego magnetoelektryczne w dwóch strefach prędkośc obrotowej został osągnęty. 10. Badana wykazały słuszność postawonych tez. 11. Uzyskane wynk upoważnają do stwerdzena, że podjęty temat zmenającej sę struktury komutatora elektroncznego jest tematem przyszłoścowym należy zalecć prowadzene dalszych badań na ten temat. o własnych osągnęć autora należy zalczyć: 1. Całoścowe przedstawene problematyk sterowana dwustrefowego slnków PMBC. 2. Opsane analog różnc w pracy komutatora elektroncznego w układze mostka półmostka.. Zaproponowane nowego orygnalnego rozwązana komutatora elektroncznego o przełączalnej strukturze mostek/półmostek. 4. Opracowane algorytmów sterowana. 5. Analzę pracy komutatora elektroncznego o przełączalnej strukturze mostek/półmostek w zakrese drugej strefy prędkośc obrotowej. 6. Analzę pracy przy przełączanu struktur mostek/półmostek odwrotne. 7. Opracowane własnych model komputerowych umożlwających symulację komputerową badanego układu. Glwce 2004 25