Prce Nukowe Instytutu Mszyn, Npędów i Pomirów Elektrycznych Nr 66 Politechniki Wrocłwskiej Nr 66 Studi i Mteriły Nr 32 212 Ludwik ANTAL* Pweł ZALAS* silnik synchroniczny, mgnesy trwłe, rozruch, flownik, symulcje polowo-owodowe ROZRUCH MAGNETOELEKTRYCZNEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO ZASILANEGO Z FALOWNIKA Przedstwiono wyniki symulcyjnych dń rozruchu silnik synchronicznego zsilnego z flownik i wzudznego zewnętrznymi (umieszczonymi n powierzchni zewnętrznej wirnik) mgnesmi trwłymi. Oliczeni wykonno metodą elementów skończonych przy pomocy polowoowodowego modelu mszyny. Złożono rozruch synchroniczny przy stłym stosunku U/f i liniowej zminie częstotliwości w czsie rozruchu. Zdno wpływ momentu ezwłdności i początkowego położeni wirnik n rozruchowe przeiegi podstwowych wielkości elektromechnicznych. 1. WSTĘP Zwiększenie sprwności i współczynnik mocy silnik prądu przemiennego umożliwi silnik synchroniczny wzudzny mgnesmi trwłymi (PMSM). Jednkże silniki z mgnesmi trwłymi mją mły moment początkowy i zdolność synchronizcji mlejącą ze wzrostem ociążeni. Jednym z możliwych rozwiązń tego prolemu jest wyposżony w kltkę rozruchową silnik synchroniczny o ezpośrednim rozruchu wzudzny mgnesmi trwłymi (LSPMSM), drugim podony silnik synchroniczny ez kltki zsilny z flownik. Zrówno polowo-owodowe oliczeni rozruchów silników LSPMSM [1] jk i wykonne dni eksperymentlne [2] wykzły, że silnik synchroniczny młej mocy o ezpośrednim rozruchu może osiągnąć moment rozruchowy nieco przekrczjący moment znmionowy. Silnik indukcyjny o tej smej geometrii pozwl osiągnąć moment rozruchowy 2,5M n. Wynik stąd, że zstosownie silnik LSPMSM to przede wszystkim npędy pomp i wentyltorów. * Politechnik Wrocłwsk, Instytut Mszyn, Npędów i Pomirów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 5-372 Wrocłw, ludwik.ntl@pwr.wroc.pl, pwel.zls@pwr.wroc.pl
113 Drug koncepcj poprwieni włściwości rozruchowych silników PMSM dotyczy rozruchu synchronicznego przy pomocy różnych systemów sterowni przeksztłtnikowego [4 11]. Rozruch tki jest możliwy przy wykorzystniu do zsilni silnik przeksztłtnik, pozwljącego n płynną regulcję częstotliwości npięci zsiljącego. Dodtkową korzyścią wynikjącą z tkiego sposou zsilni silnik jest możliwość częstotliwościowej regulcji prędkości orotowej w szerokim zkresie. Bdni włściwości rozruchowych silnik z mgnesmi trwłymi zsilnego z przeksztłtnik wykonno przy pomocy dwuwymirowego modelu polowo- -owodowego tkiego silnik [3]. Ze względu n symetrię mszyny zmodelowno 1/4 przekroju poprzecznego. Złożono, że rdzeń wirnik wykonny jest z litej stli. Wirnik nie posid kltki rozruchowej mgnesy w ksztłcie wycinków koł nklejone są n jego zewnętrzną powierzchnię. 2. BADANIA SYMULACYJNE ROZRUCHÓW SILNIKÓW PMSM ZASILANYCH Z FALOWNIKA Wykonno oliczeni symulcyjne rozruchu silników ociążonych wentyltorowym momentem znmionowym (równym 13 N m przy prędkości 15 or/min) dl różnych wrtości momentu ezwłdności ukłdu npędowego. Rozptrywne ukłdy mją moment ezwłdności I = 3,5; 7; 17,5 I w (I w - momentu ezwłdności wirnik silnik). We wszystkich dnych przypdkch rozruchów zmienino również początkowe położenie kątowe wirnik w zkresie α od do 9 deg, co 7,5 deg. Sposó określni geometrycznego położeni wirnik, specyficzny dl zstosownej plikcji FEM (Mxwell Ansoft), pokzuje rysunek 1. Silnik zsilny ył z flownik PWM i uruchminy synchronicznie przez zminę częstotliwości i wrtości skutecznej npięci, przy zchowniu wrunku U/f = const. Po ustleniu, że zstąpienie w oliczenich sygnłu npięciowego PWM sygnłem sinusoidlnym jest dopuszczlne [3], rozwżono dw różne lgorytmy nrstni npięci podczs rozruchu silnik. Pierwszy z tych lgorytmów (rys. 2) zkłd nrstnie npięci trójfzowego od zdnej wrtości początkowej U i częstotliwości f =. Przyjęto początkową fzę npięć trójfzowych równą zeru, co ozncz, że w pierwszej chwili rozruchu (dl t = ) wrtość chwilow npięci jednej z fz jest zerow, wrtości chwilowe npięć dwóch pozostłych fz ± U. Drugim sposoem zsilni podczs rozruchu silnik ył lgorytm podony do wyżej omówionego, le z opóźnionym wzrostem npięci i częstotliwości (rys. 2). W początkowej fzie rozruchu o długości t =,2 s podwne są n poszczególne fzy niewielkie npięci stłe (f = ), których wrtości odpowidją początkowym wrtościom chwilowym npięć trójfzowych lgorytmu pierwszego. W tej początkowej fzie rozruchu wirnik ustwiny jest polem stłym w kierunku osi tego pol. Dl złożonej chwili i fzy początkowej oś pol stłego leży w płszczyźnie uzwojeni fzowego o zerowym prądzie.
114 Rys. 1. Model polowy silnik zsilnego z przeksztłtnik z zewnętrznymi mgnesmi trwłymi w ksztłcie wycink koł. Wirnik w położeniu początkowym α = 3 deg Fig. 1. The field prt of the model of the SMPMSM motor designed for supply from inverter. Initil position of the rotor α = 3 deg ) npięcie [V] 4 3 u u 2 uc 1-1 -2-3 -4,,25,5,75 1, 1,25 1,5 ) npięcie [V] 4 3 u u 2 uc 1-1 -2-3 -4,,25,5,75 1, 1,25 1,5 Rys. 2. Przeiegi npięć sinusoidlnych odwzorowujących zsilnie z flownik przy opóźnieniu : ) t = ; ) t =,2 s Fig. 2. Sinusoidl wveforms of the sttor phses voltge for dely : ) t = ; ) t =,2 s 3. WYNIKI OBLICZEŃ Wyniki oliczeń rozruchów silnik ez ustwini polem stłym położeni wirnik zsilnego wg lgorytmu przedstwionego n rysunku 2, dl wyrnych początkowych położeń wirnik i różnych momentów ezwłdności, przedstwiono n rysunkch 3 5. N rysunkch przedstwiono przeiegi prędkości orotowej, momentu i prądu fzowego stojn. Pokzno również zminę położeni kątowego wirnik w pierwszej fzie rozruchu silnik (rys. 6) przy różnych wrtościch początkowego położeni kątowego wirnik (α = 9 deg co 7,5 deg).
115 Do porównni wyrno przykłdowe początkowe położenie wirnik α = 15; 22,5; 3; 6 deg. Porównnie przeiegów prędkości orotowej ukłdów npędowych z wentyltorem o trzech różnych wrtościch momentów ezwłdności (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) pokzno n rysunku 3. c 16 14 12 1 8 6 4 2-2 -4,,25,5,75 1, 1,25 1,5 16 14 12 1 8 6 4 2-2 -4,,25,5,75 1, 1,25 1,5 d 16 14 12 1 8 6 4 2-2 -4,,25,5,75 1, 1,25 1,5 16 14 12 1 8 6 4 2-2 -4,,25,5,75 1, 1,25 1,5 Rys. 3. Porównnie przeiegów prędkości orotowej podczs rozruchu ukłdów npędowych z wentyltorem o trzech różnych wrtościch momentów ezwłdności (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) i początkowym położeniu wirnik α : ) 15 deg; ) 22,5 deg; c) 3 deg; d) 6 deg Fig. 3. Comprison of the rottionl speed wveforms during fn drive strting for different vlue of moment of inerti (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) nd initil position of the rotor α : ) 15 deg; ) 22,5 deg; c) 3 deg; d) 6 deg Wzrost momentu ezwłdności ukłdu we wszystkich porównywnych przypdkch prowdzi do zwiększeni pulscji prędkości zrówno w czsie rozruchu jk i podczs synchronizcji po osiągnięciu prędkości synchronicznej. Jednkże dl momentu ezwłdności I = 7 I w, stnowiącego typową wrtość dl ukłdów wentyltorowych młej mocy pulscje te nie są znczące. W porównniu widoczny jest również wpływ początkowego położeni wirnik. Niektóre położeni początkowe nie sprzyjją rozruchowi synchronicznemu. Przy dużym momencie ezwłdności I = 17,5 I w tkie krytyczne położenie (α = 22,5 deg rys. 3) uniemożliwi rozruch. Podonie jk dl prędkości ze wzrostem ezwłdności ukłdu rosną pulscje momentu (rys. 4). Dl
116 6 8 5 6 4 4 3 kąt początkowego 22,5 deg są ktstroflnie duże gdyż mszyn nie uruchmi się. Podone zjwisk zchodzą w przeiegch prądów fzowych (rys. 5). 2 1-4 -2-6,25,5,75 1, 1,25-8, 1,5 6 5 5 4 4 3 3 2 1-2 1, 1,25-3, 1,5 d 1,25 1,5 1, 1,25 1,5-2,75 1, 1-1,5,75 2-1,25,5 6-3,,25-2 -1-3, c 2,25,5,75 Rys. 4. Porównnie przeiegów momentów podczs rozruchu ukłdów npędowych z wentyltorem o trzech różnych wrtościch momentów ezwłdności (I = 3,5; 7; 17,5 Iw) i początkowym położeniu wirnik α = ) 15 deg; ) 22,5 deg; c) 3 deg; d) 6 deg Fig. 4. Comprison of the electromgnetic torque wveforms during fn drive strting for different vlue of moment of inerti (I = 3,5; 7; 17,5 Iw) nd initil position of the rotor α : ) 15 deg; ) 22,5 deg; c) 3 deg; d) 6 deg Użycie lgorytmu zsilni z ustwiniem położeni początkowego wirnik polem stłym prowdzi do łgodnego rozruchu synchronicznego. Położenie początkowe wirnik w tym przypdku nie m znczeni gdyż pole stłe w pierwszej fzie rozruchu zdąży ustwić wirnik w njkorzystniejszej dl dlszego rozruchu pozycji. Tą njkorzystniejszą pozycją dl przyjętych początkowych wrtości npięć fzowych jest kąt geometryczny 3 deg. Tkie położenie wirnik przyjmuje w kżdej sytucji niezleżnie od położeni początkowego i momentu ezwłdności ukłdu npędowego (rys. 6). W tej sytucji do porównni przeiegów rozruchowych ukłdów npędowych o różnych momentch ezwłdności wyrno przykłdowe początkowe położenie wirnik α = 3 deg pokzne n rysunku 1.
117 2 15 1 5-5 -1-15,,25,5,75 1, 1,25 1,5 2 15 1 4 3 2 1-1 -2-3 -4,,25,5,75 1, 1,25 1,5 2 15 1 5 5-5 -5-1 -1-15,,25,5,75 1, 1,25 1,5-15,,25,5,75 1, 1,25 1,5 c d Rys. 5. Porównnie przeiegów prądu stojn podczs rozruchu ukłdów npędowych z wentyltorem o trzech różnych wrtościch momentów ezwłdności (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) i początkowym położeniu wirnik α = ) 15 deg; ) 22,5 deg; c) 3 deg; d) 6 deg Fig. 5. Comprison of the rmture phse current wveforms during fn drive strting for different vlue of moment of inerti (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) nd initil position of the rotor α : ) 15 deg; ) 22,5 deg; c) 3 deg; d) 6 deg Porównnie przeiegów prędkości orotowej ukłdów npędowych z wentyltorem o trzech różnych wrtościch momentów ezwłdności (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) i początkowym położeniu wirnik α = 3 deg pokzno n rysunku 7. Wzrost momentu ezwłdności ukłdu we wszystkich porównywnych przypdkch prowdzi do zwiększeni pulscji prędkości podczs synchronizcji po osiągnięciu prędkości synchronicznej. Są one jednk zncznie mniejsze niż dl rozruchu ez ustwini wirnik (rys. 7). 25 2 15 I = 3,5 I w 1 5-5 -1-15,,1,2,3,4 25 2 I = 7 I 15 w 1 5-5 -1-15,,1,2,3,4 c 25 2 15 I = 17,5 I w 1 5-5 -1-15,,1,2,3,4
118 d 25 2 15 I = 3,5 I w 1 5-5 -1-15,,1,2,3,4 e 25 2 15 I = 7 I w 1 5-5 -1-15,,1,2,3,4 f 25 2 I = 17,5 I 15 w 1 5-5 -1-15,,1,2,3,4 Rys. 6. Porównnie zmin położeni wirnik w początkowej fzie rozruchu dl dwóch lgorytmów zsilni i trzech wrtości momentu ezwłdności:,, c ez ustwini wirnik w osi pol; d, e, f z ustwiniem wirnik Fig. 6. Comprison of the rotor chnge position in the initil stge of fn drive strting for different supply lgorithms nd different vlue of moment of inerti:,, c without the pre-positioning; d, e, f with the pre-positioning 16 14 12 1 8 6 4 2-2 -4,,25,5,75 1, 1,25 1,5 16 14 12 1 8 6 4 2-2 -4,,25,5,75 1, 1,25 1,5 Rys. 7. Porównnie przeiegów prędkości orotowej podczs rozruchu ukłdów npędowych z wentyltorem o trzech różnych wrtościch momentów ezwłdności (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) i początkowym położeniu wirnik α = 3 deg; z ustwiniem wirnik, ez ustwini wirnik Fig. 7. Comprison of the rottionl speed wveforms during fn drive strting for different vlue of moment of inerti (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) nd initil position of the rotor α = 3 deg; with the pre-positioning, without the pre-positioning Porównnie przeiegów momentu i prądu dl różnych momentów ezwłdności po ustwieniu wirnik prowdzi do zmniejszeni wrtości tych wielkości i ich pulscji w trkcie synchronizcji (rys. 8 i 9). Porównnie ich z przeiegmi rozruchowymi dl lgorytmu ez ustwini wirnik (rys. 8 i 9) pokzuje, że zrówno podczs rozruchu jk i synchronizcji wrtości momentu i prądu są w tym drugim przypdku zdecydownie większe, co ozncz korzyści płynące ze wstępnego ustwieni położeni wirnik do początkowego kierunku pol stojn.
119 6 5 4 3 2 1-1 -2-3,,25,5,75 1, 1,25 1,5 6 5 4 3 2 1-1 -2-3,,25,5,75 1, 1,25 1,5 Rys. 8. Porównnie przeiegów momentów podczs rozruchu ukłdów npędowych z wentyltorem o trzech różnych wrtościch momentów ezwłdności (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) i początkowym położeniu wirnik α = 3 deg; z ustwiniem wirnik, ez ustwini wirnik Fig. 8. Comprison of the electromgnetic torque wveforms during fn drive strting for different vlue of moment of inerti (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) nd initil position of the rotor α = 3 deg; with the pre-positioning, without the pre-positioning 2 15 1 5-5 -1-15,,25,5,75 1, 1,25 1,5 2 15 1 5-5 -1-15,,25,5,75 1, 1,25 1,5 Rys. 9. Porównnie przeiegów prądu stojn podczs rozruchu ukłdów npędowych z wentyltorem o trzech różnych wrtościch momentów ezwłdności (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) i początkowym położeniu wirnik α = 3 deg ; z ustwiniem wirnik, ez ustwini wirnik Fig. 9. Comprison of the rmture phse current wveforms during fn drive strting for different vlue of moment of inerti (I = 3,5; 7; 17,5 I w ) nd initil position of the rotor α = 3 deg; with the pre-positioning, without the pre-positioning 3. PODSUMOWANIE Przedstwione wyniki oliczeń przeiegów rozruchowych pokzują, że synchroniczny rozruch ukłdów npędowych o chrkterystyce wentyltorowej przy stłym stosunku U/f jest możliwy. Jego jkość i skuteczność zleży jednk od ezwłdności ukłdu i położeni początkowego wirnik z mgnesmi względem osi pol uzwojeni stojn w pierwszej chwili po złączeniu npięci. Oś tego pol określon jest zrówno położeniem uzwojeń fzowych jk i wrtościmi chwilowych npięć w chwili włą-
12 czeni zsilni. O wrtości pol stojn decyduje początkow wrtość npięci. Zerowe wrtości chwilowe npięci początkowego powodują, że w pierwszych chwilch rozruchu wrtość momentu może pięciokrotnie przekrczć jego wrtość znmionową. Prędkość orotow silnie pulsuje co ozncz, że silnik nie synchronizuje się z polem wirującym o wzrstjącej prędkości kątowej. Prądy stojn osiągją wrtości chwilowe trzykrotnie większe od mksymlnej wrtości znmionowej. Brk synchronizcji w czsie rozruchu ojwi się silnymi pulscjmi prądu, korespondującymi z pulscjmi prędkości wirnik nieustnnie przyspiesznego i nstępnie hmownego. Rozruch trw dłużej niż przy większych wrtościch npięci początkowego. Przypdkowe położenie wirnik i przypdkow fz początkow npięć trójfzowych może skutkowć dużymi wrtościmi prądów i momentu w pierwszych chwilch rozruchu, orz pulscjmi tych wielkości i prędkości orotowej w dlszym przeiegu rozruchu. Zjwisk te wzmgją się ze wzrostem momentu ezwłdności ukłdu npędowego. Dl momentu ezwłdności ukłdu siedmiokrotnie większego od momentu ezwłdności wirnik silnik (I = 7 I w ), stnowiącego typową wrtość dl ukłdów wentyltorowych młej mocy, pulscje wielkości elektrycznych i mechnicznych nie są zyt znczące. Przy dużym momencie ezwłdności ukłdu przekrczjącym zncznie wrtości stndrdowe (np. I = 17,5 I w ), niektóre położeni wirnik (np. α = 22,5 deg) uniemożliwiją rozruch. W tkich położenich wirnik, w których silnik się uruchmi, podczs rozruchu widoczne są pulscje prędkości i momentu synchronizcj do prędkości synchronicznej trw długo przy sło tłumionych drgnich. Zncznie lepsze wrunki rozruchowe możn uzyskć relizując specyficzny lgorytm zsilni, umożliwijący w pierwszej fzie rozruchu przemieszczenie wirnik do położeni, w którym jego oś mgnetyczn pokryw się z osią mgnetyczną trójfzowego uzwojeni stojn. Użycie lgorytmu zsilni z ustwiniem położeni początkowego wirnik polem stłym prowdzi do łgodnego rozruchu synchronicznego. Położenie początkowe wirnik w tym przypdku nie m znczeni gdyż pole stłe w pierwszej fzie rozruchu zdąży ustwić wirnik w njkorzystniejszej dl dlszego rozruchu pozycji. Przeiegi rozruchowe dl lgorytmu z ustwiniem wirnik pokzują, że zrówno podczs rozruchu jk i synchronizcji wrtości momentu i prądu są w tym przypdku zdecydownie mniejsze niż ez ustwini wirnik. Prc nukow finnsown ze środków n nukę w ltch 21 213 jko projekt dwczy POIG.1.1.2--113/9. LITERATURA [1] ANTAL L., ANTAL M., Rozruch silników synchronicznych z mgnesmi trwłymi, Prce Nukowe Instytutu Mszyn, Npędów i Pomirów Elektrycznych Politechniki Wrocłwskiej, Studi i Mteriły, 21, Nr 3, 31 39.
121 [2] ANTAL L., GWOŹDZIEWICZ M., Bdni eksperymentlne rozruchu silnik synchronicznego wzudznego mgnesmi trwłymi, Mszyny Elektryczne, Zeszyty Prolemowe, 211, Nr 93, 131 136. [3] ANTAL L., ZALAS P., Rozruch silnik synchronicznego z mgnesmi trwłymi zsilnego z flownik PWM, Prce Nukowe Instytutu Mszyn, Npędów i Pomirów Elektrycznych Politechniki Wrocłwskiej, Studi i Mteriły, 211, Nr 31, 141 149. [4] BHANGU B.S., SNARY P., BINGHAM C.M., STONE D.A., Sensorless control of deep-se ROVs PMSMs excited y mtrix converters, 25 Europen Conference on Power Electronics nd Applictions, 25, 8 pp. P.8. [5] BUJACZ S., CICHOWSKI A., SZCZEPANKOWSKI P., NIEZNANSKI J., Sensorless control of high speed permnent-mgnet synchronous motor, 29, EPE 9. 13th Europen Conference on Power Electronics nd Applictions, 29, 1 1. [6] CHEN NING, WANG ZHIHONG, YU SHOUYI, GUI WEIHUA, GUO YUQIAN, A new strting method of sensorless PMSM motors sed on STM32F13B, Control Conference (CCC), 21 29th Chinese, 21, 4964 4968. [7] GHASEMI H., VAEZ-ZADEH S., A very fst direct torque control for permnent mgnet synchronous motors strt up, Cndin Conference on Electricl nd Computer Engineering, 24, Vol. 3, 1673 1677. [8] JUN ZHANG, XU WANG, PMSM Vector Control nd Initil Mgnetic Pole Position Detect Method Bsed on DSP, 26. WCICA 26. The Sixth World Congress on Intelligent Control nd Automtion, Vol. 2, Puliction Yer 26, 8265 8269. [9]JUNYOU YANG, JINGMING ZHAO, CHENGZHI QIN, JIEFAN CUI, Model reference dptive sensorless control for surfce permnent mgnet synchronous mchine under severe strting conditions, 24, IPEMC 24. The 4th Interntionl Power Electronics nd Motion Control Conference, 24, Vol. 2, 118 122. [1]JUNYOU YANG, ZHENGQIANG SONG, JINMING ZHAO, Sensorless control for cylindricl permnent mgnet synchronous mchine, ICEMS 23, Sixth Interntionl Conference on Electricl Mchines nd Systems, 23, Vol. 1, 134 136. [11]KIUCHI M., OHNISHI T., HAGIWARA H., YASUDA Y., V/f control of permnent mgnet synchronous motors suitle for home pplinces y DC-link pek current control method, 21 Interntionl Power Electronics Conference (IPEC), 21, 567 573. STARTING OF PM SYNCHRONOUS MOTOR SUPPLIED FROM INVERTER The pper presents the results of strting clcultions for selected model of the surfce mount permnent mgnet synchronous motor (SMPMSM) supplied from inverter. The clcultions were performed using the finite-element method in field-circuit model of the motor. The clcultions of synchronous strting were performed for U/f = constnt nd liner chnge of frequency during strting. The influence of chnge vlue of moment of inerti nd initil position of the rotor on wveforms of the sic quntities during strting hs een investigted.