napęd z silnikem reluktancyjnym przełączalnym z materiałów

napęd z silnikem reluktancyjnym przełączalnym z materiałów

P O Z N A N UN I VE RS I T Y O F T E C HN O L O G Y ACA D E MI C J O URN A L S
No 75
Electrical Engineering
2013
Bogdan FABIAŃSKI*
NAPĘD Z SILNIKEM RELUKTANCYJNYM
PRZEŁĄCZALNYM Z MATERIAŁÓW PROSZKOWYCH –
PORÓWNANIE PARAMETRÓW PRACY Z KONSTRUKCJĄ
KONWENCJONALNĄ
W artykule przedstawiono wyniki badań porównawczych napędu silnika
reluktancyjnego przełączalnego. Zdefiniowano tezę o poprawie właściwości
energetycznych napędu SRM poprzez wprowadzenie nowoczesnego materiału konstrukcji
obwodu magnetycznego z domieszkowanego, sproszkowanego żelaza w odniesieniu do
klasycznej konstrukcji z izolowanych, walcowanych blach. Określono cel i motywację
badań bazując na ogólnych opisach właściwości porównywanych materiałów
magnetycznych. Przedstawiono strukturę autorskiego napędu wraz z osiągnięciami w
implementacji algorytmów sterowania implikujących możliwość obiektywnego porównania
jako tematu niniejszej publikacji. Opisano stanowisko badawcze, metodologię badań oraz
dokonano opracowania wyników badań z naciskiem na aspekt energetyczny w zakresie
charakterystyk statycznych oraz dynamicznych. W podsumowaniu podjęto próbę określenia
słuszności postawionej tezy oraz zakreślono obszar dalszych prac badawczych.
1. WPROWADZENIE
1.1. Cel i motywacja
Współczesne publikacje w dziedzinie napędów elektrycznych traktowanych
jako połączenie silnika elektrycznego (SE) oraz przekształtnika energii
elektrycznej (PE) koncentrują się przede wszystkim na tym drugim. Dynamicznej
analizie podlegają: struktury przekształtników oraz sterowanie w zakresie poprawy
dynamiki (High Performance), niezawodności (Fault Tolerant) oraz sterowania
bezczujnikowego (Sensorless Control). Niniejszy artykuł wychodząc naprzeciw tej
tendencji przedstawia wstępne wyniki porównania napędu z silnikiem
reluktancyjnym przełączalnym (ang. Switched Reluctance Motor - SRM)
bazującym na materiale proszkowym obwodu magnetycznego z konwencjonalnym
odpowiednikiem złożonym z walcowanych blach.
Analiza kompletnego napędu elektrycznego w aspekcie materiału konstrukcji
samego silnika elektrycznego – choć wydaje się niepotrzebną komplikacją – jest tutaj
uzasadnione. Silnik SRM jest maszyną synchroniczną prądu stałego – nie jest więc
__________________________________________
* Politechnika Poznańska.
64
Bogdan Fabiański
możliwe jego bezpośrednie zasilanie z sieci energetycznej. Co więcej w praktycznych
zastosowaniach [1] ze względu na znaczne ograniczenia zakresu charakterystyki
mechanicznej proste sterowanie napięciowe w układzie otwartym (bez sprzężenia
zwrotnego) nie jest spotykane [2]. Wobec powyższego porównanie materiałów
konstrukcyjnych samego silnika powinno odbywać się dla kompletnego napędu
stanowiącego funkcjonalną całość toru przetwarzania energii elektrycznej w
mechaniczną. Dla podkreślenia zasadności przeprowadzonych prac, dalszych
badań i oczekiwań związanych z analizą ich wyników, w kolejnym punkcie
zostaną scharakteryzowane materiały magnetyczne użyte w porównaniu.
1.2. Materiały magnetyczne mocy
Magnetyki miękkie stosuje się przede wszystkim w maszynach elektrycznych do
transformacji energii elektrycznej - także zamiany w energię mechaniczną (właściwą dla
silników elektrycznych). Pożądanymi cechami dobrego materiału magnetycznie
miękkiego są [3]: duża przenikalność magnetyczna, odpowiednio mała wartość pola
koercji, jak najmniejsza stratność, duża wartość indukcji nasycenia, (pozwalająca na
uzyskanie jak największej siły mechanicznej w silnikach), duża rezystywność,
wytrzymałość mechaniczna, stabilność parametrów przy zmiennej temperaturze,
odporność na zewnętrze warunki, łatwość kształtowania gotowych wyrobów, niska cena.
Ze względu na szybki ubytek zasobów energii pierwotnej i wysokich kosztów
energii elektrycznej ważnym jest ciągłe doskonalenie właściwości materiałów
magnetycznych, a szczególnie obniżania ich stratności.
Największej wielkości domeny, a co za tym idzie najbardziej bezwładne, znajdują
się w blachach (obwód konwencjonalny). Choć właściwości zależą od szczegółowego
składu chemicznego, grubości blachy i kierunku jej walcowania, to można określić
ogólne cechy charakterystyczne takich materiałów: niska częstotliwość pracy, duża
indukcja nasycenia (rzędu 1,5 [T]), stosunkowo duże straty mocy powodowane przez
indukowane prądy wirowe oraz niska cena.
Drugim rodzajem materiału magnetycznego użytego w porównaniu jest
sproszkowane żelazo (obwód proszkowy). Zmielone na małe drobiny, zmieszane w
niektórych przypadkach z pewnymi „ulepszaczami” zostaje poddane (wraz z
wypełniaczem organicznym) sprasowaniu pod dużym ciśnieniem w odpowiedniej
formie. Forma nadaje materiałowi magnetycznemu kształt rdzenia. Po sprasowaniu
takiego materiału, pomiędzy drobinami żelaza pozostają przerwy tworząc tak zwaną
rozproszoną szczelinę występującą w całej objętości rdzenia.
Zwykłe rdzenie wykonane z czystego proszku żelaza należą do najtańszych i
najbardziej popularnych materiałów z indukcją nasycenia rzędu 1,2 [T] oraz
maksymalna częstotliwością pracy około 80 [kHz]. Wadą rdzeni proszkowych jest
podatność na proces starzenia się występujący przy pracy w wysokich temperaturach.
Zalecana jest więc praca wszystkich rdzeni proszkowych w temperaturze do 363 [K].
Napęd z silnikiem reluktancyjnym przełączalnym z materiałów ...
65
2. BADANIA
2.1. Struktura napędu
Silnik SRM jest najstarszym typem silnika elektrycznego zastosowanego w
praktyce, a historyczne znaczenie SRM wynika z prostoty jego konstrukcji.
Najważniejszą z cech silnika SR jest monolityczna budowa wirnika skutkująca
dużą niezawodnością pracy. Z drugiej strony jego nieliniowość powoduje
konieczność stosowania złożonych algorytmów sterowania oraz mechanizmów
pomiaru położenia/prędkości obrotowej.
Parametry pracy stosowanego w badaniach silnika są następujące: moc
znamionowa PN=250[W], prędkość maksymalna ωMAX=10000[obr/min], napięcie
znamionowe UZ=220[V]. Topologia silnika to 12/8 (trzy fazy po dwie pary
biegunów stojana oraz osiem zębów wirnika). Model wzorcowy pochodzi z pralki
Maytag Neptune oferowanej w Stanach Zjednoczonych.
Rys. 1. Stojan oraz wirnik silnika SRM – konstrukcja z blach (z lewej)
oraz z materiału proszkowego (z prawej)
Na rysunku 1 (z lewej strony) przedstawiono konwencjonalną, fabryczną
konstrukcję silnika (osobno: stojan oraz wirnik z łożyskami) z walcowanych blach,
z prawej strony natomiast konstrukcję opartą na materiałach proszkowych.
Niestandardowa, autorska konstrukcja przekształtnika była przedmiotem publikacji
z zakresu: rozwiązań układowych w topologii mostka asymetrycznego [5], natury
sygnału sprzężenia zwrotnego oraz koncepcji synchronizacji fazowej [6],
złożonym sterowaniu silnikiem SR [7] oraz ogólnym właściwościom napędu [8].
Wymienione artykuły dają szczegółowy obraz prac nad konstrukcją napędu,
algorytmami sterowania w niedrogim systemie wbudowanym opartym na
mikrokontrolerze STM32F1. Jedną z większych trudności w sterowaniu silnikiem
okazał się asymetryczny charakter sygnału sprzężenia zwrotnego[6].
Na rysunku 2 przedstawiono strukturę sterownika SRM. Wyszczególniono w
nim cztery zasadnicze elementy: silnik wraz z czujnikiem położenia wału, mostek
66
Bogdan Fabiański
asymetryczny, układ separacji galwanicznej oraz system mikroprocesorowy.
Sygnały sterujące tranzystorów górnych (A+, B+, C+) pracują w układzie
sterowania prędkością obrotową, tranzystory dolne (A-, B-, C-) odpowiadają za
procesy komutacyjne faz silnika.
Rys. 2. Struktura układu sterowania silnikiem SRM
System mikroprocesorowy złożony jest z następujących bloków: KPZ –
kontroler przerwań zewnętrznych wyzwalanych zboczami sygnału sprzężenia
zwrotnego. KPZ zadaje sygnał synchronizacji dla pętli PPLL – programowej pętli
fazowej, której licznik (CNT) jako wejście bloku komutacji (KOM) wraz z
sygnałem przesunięcia fazowego (O) oraz kątem wyprzedzenia wysterowania
tranzystora (F) zadaje odpowiednie sygnały sterujące tranzystorami A-, B-, C- i
samym procesem komutacji.
Pętla regulacji prędkości obrotowej składa się z: bloku wyznaczania prędkości
obrotowej na podstawie sygnałów impulsatora (BWP), kaskadowego regulatora PI:
prędkości (REGW) oraz prądu fazowego (REGI). Prędkość obrotowa zadawana
była potencjometrem wbudowanym w panel sterowania przekształtnika. Drugi z
potencjometrów służył do płynnego ustawiania: przesunięcia fazowego pętli PLL
względem sygnału referencyjnego (O) oraz kąta wyprzedzenia (F) – rysunek 2.
2.2. Stanowisko badawcze
Na rysunku 3 przedstawiono obraz stanowiska badawczego. Składa się ono z:
komputera PC umożliwiającego bieżącą zmianę parametrów oraz monitoring pracy
programu mikrokontrolera, dwóch oscyloskopów: Tektronix DPO3014 oraz
MSO3014 dla rejestracji przebiegów odpowiednio: sygnałów właściwych dla pracy
silnika SRM (prądy fazowe, prędkość obrotowa, moment obciążenia, sygnał
impulsatora) oraz sieci zasilającej (prąd, napięcie, moc). Autotransformator
zastosowano celem zmiany napięcia zasilającego dla części silnoprądowej
przekształtnika. Centralne miejsce stanowił autorski przekształtnik SRMd.
Widoczny jest moduł pomiarowy parametrów zasilania (wartości skuteczne prądu,
napięcia, mocy) oraz miernik MW2006-3S dla momentomierza MT-3Nm-15.
Silnik SRM obciążano przy pomocy sprzęgła wiroprądowego.
Napęd z silnikiem reluktancyjnym przełączalnym z materiałów ...
67
Rys. 3. Stanowisko badawcze z zaznaczeniem ważniejszych elementów składowych
2.3. Charakterystyki statyczne
Implementacja programowej pętli PLL oraz synchronizacja procesu
rozruchowego silnika SRM w dedykowanym napędzie umożliwiły wymierne
porównanie konstrukcji konwencjonalnej oraz proszkowej poprzez kompensację
niedokładności orientacji tarczy czujnika położenia względem rozkładu zębów
wirnika. Niewłaściwe ustawienie skutkowało błędnym procesem komutacji faz
silnika prowadzącym do spadku dynamiki i właściwości energetycznych napędu.
Rozwinięcie algorytmów sterowania w oparciu o pętlę PLL skutkowały
możliwością zmiany kąta wyprzedzenia i znacznego poszerzenia zakresu pracy
napędu w zakresie osiągalnych prędkości obrotowych oraz momentów obciążenia.
Przed właściwymi badaniami dla zadanej konstrukcji silnika ustalano kąty
komutacji w taki sposób, aby na biegu jałowym i napięciu zasilania około 50 [V]
osiągano jak największą prędkość obrotową świadczącą o optymalnym ustawieniu
dla zadanych warunków pracy. Dalsze porównanie obu konstrukcji odbywało się
przy identycznych parametrach pracy (algorytm sterowania, napięcie zasilania).
Na rysunku 4 przedstawiono przebiegi zależności poboru mocy napędu dla
różnych prędkości obrotowych na biegu jałowym. Widać z nich, że napęd
konwencjonalny w badanym zakresie prędkości obrotowej wykazuje znacznie
niższy pobór energii. Nie jest to jednak wynikiem natury gorszych właściwości
energetycznych proszkowego obwodu magnetycznego, ale przede wszystkim
odczuwalnie większych oporów toczenia łożysk wirnika. Mając na względzie
tendencje przedstawionych funkcji z wykorzystaniem ich aproksymacji
wielomianowej daje się zauważyć, iż istnieje punkt przecięcia (11340 [obr/min]),
powyżej którego napęd proszkowy mógłby wykazywać lepsze właściwości
energetyczne (mniejsze straty biegu jałowego).
Wyciągając wnioski z wykresów z rysunku 5 zdecydowano się na analizę
zależności poboru mocy z sieci przez napęd w zależności od momentu obciążenia
dla niskiej prędkości obrotowej (1000 [obr/min]), dla której to różnice oporów
toczenia są stosunkowo niewielkie.
68
Bogdan Fabiański
Rys. 4. Przebiegi zależności poboru mocy napędu w funkcji prędkości obrotowej
na biegu jałowym (P=f(ω))
Rys. 5. Przebiegi zależności poboru mocy napędu w funkcji momentu obciążenia (P=f(MO))
Jak wynika z przebiegów z rysunku 5, początkowe różnice wynikające przede
wszystkim ze strat biegu jałowego dla momentu 0,25 [Nm] zrównują się, powyżej
tego punktu przewaga energetyczna konstrukcji proszkowej pogłębia się. Wydaje
się, że źródeł tej przewagi należy szukać w mniejszych stratach wewnętrznych
proszkowego obwodu magnetycznego. Stosując regresję liniową można wyznaczyć
współczynniki nachylenia charakterystyk odpowiednio: 253 [W/Nm] dla
konstrukcji klasycznej oraz 218 [W/Nm] dla konstrukcji ze spiekanego proszku
żelaza.
2.4. Parametry dynamiczne
Rysunek 6 prezentuje względne porównanie konstrukcji dla wybranych
procesów dynamicznych. Procesami tymi są skokowe zmiany wartości prędkości
zadanej w warunkach zdefiniowanych jak przedstawiono w tabeli 1. Względne
zmiany kąta wyprzedzenia odniesione są do szerokości kąta fazy demagnetyzacji,
tj. dla 100% kąta wyprzedzenia faza zostałaby wyłączona dopiero w momencie
załączenia kolejnej (bez przerw w wysterowaniu).
Napęd z silnikiem reluktancyjnym przełączalnym z materiałów ...
69
Tabela 1. Zestawienie parametrów prób dynamicznych
procesu regulacji prędkości obrotowej
Rys. 6. Przebiegi zależności poboru mocy napędu w funkcji prędkości obrotowej
na biegu jałowym (P = f(ω))
Porównanie z rysunku 6 obrazowane jest w skali względnej. Wynika z nich, że
w próbach o mniejszym wpływie oporów toczenia (niskie prędkości obrotowe)
napęd z silnikiem o obwodzie z materiału proszkowego wykazuje lepsze
właściwości dynamiczne (stwierdzono krótsze czasy regulacji).
3. PODSUMOWANIE
W artykule przedstawiono wstępne wyniki badań napędu z proszkowym obwodem
magnetycznym silnika reluktancyjnego przełączalnego w odniesieniu do klasycznej
konstrukcji z izolowanych, walcowanych blach. Na wstępie zdefiniowano tezę o
poprawie właściwości energetycznych napędu SRM poprzez wprowadzenie
nowoczesnego materiału konstrukcji z domieszkowanego, sproszkowanego żelaza.
Osiągnięcia na innych polach techniki użytkowej – głównie transformatorów
impulsowych oraz analiza porównawcza samych materiałów magnetycznych mocy
pozwoliły na wstępne uzasadnienie i odpowiednią motywację realizacji badań
weryfikujących słuszność przedstawionej tezy.
Opisano osiągnięcia w implementacji algorytmów sterowania – w szczególności
w zakresie programowej pętli fazowej (SPLL) implikującej dalszy rozwój
oprogramowania przekształtnika i umożliwiającą możliwość obiektywne
porównanie konstrukcji poprzez kompensację niedoskonałości mechanicznych
czujnika położenia wału. Przedstawiono konstrukcję stanowiska badawczego – w
tym głównych narzędzi pomiarowych oraz metodologię prowadzonych badań.
70
Bogdan Fabiański
Opracowano wyniki badań z naciskiem na właściwości energetyczne napędu w
zakresie charakterystyk statycznych oraz dynamicznych. Pomimo różnic natury
mechanicznej spowodowanych znacznymi oporami toczenia łożysk wirnika dla
konstrukcji proszkowej zestawienia uwidaczniają poprawę parametrów energetycznych
przy zastosowaniu nowoczesnego obwodu magnetycznego w konstrukcji silnika.
Wnikliwa analiza otrzymanych danych potwierdza założoną tezę. Wydaje się
słuszne, aby sprawdzić powtarzalność wyników także dla sieciowych napięć
zasilających (230 [V] wobec 115 [V] użytych podczas badań) oraz dla zbliżonych
charakterystyk stosowanych łożysk w obu konstrukcjach.
LITERATURA
[1] Murphy A. , Design of a Switched Reluctance Machine Drive for Automotive
Applications, p.12, p.19, p.30-34, School of Electronic Engineering Dublin City
University, 2008.
[2] Krishnan R., Switched reluctance motor drives, r.1.4, r.5.2, CRC Press, 2001.
[3] Wac-Włodarczyk A., Materiały magnetyczne - Modelowanie i zastosowania, p.16-17,
p.33-34, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, 2012.
[4] Szyćko T., Indukcyjności, Elektronika Praktyczna 1/2005, p. 96-99, 2005.
[5] Fabiański B., Przekształtnik napędu silnika reluktancyjnego przełączalnego,
materiały konferencyjne SENE CD ISBN: 978-83-7283-439-3, Łódź 2011.
[6] Fabiański B., Synchronizacja fazowa silnika reluktancyjnego przełączalnego na
podstawie asymetrycznego sygnału sprzężenia zwrotnego, Studia z Automatyki i
Informatyki, Tom 36, p. 15-26, ISSN 0867-3977, PTPN, Poznań 2011.
[7] Fabiański B., Algorytm sterowania silnikiem reluktancyjnym przełączalnym w
szerokim zakresie prędkości obrotowej z wykorzystaniem pojedynczego, binarnego
sygnału czujnika położenia wału, Academic Journals: Poznan University of
Technology, WPP, 2012.
[8] Fabiański B., Konstrukcja i właściwości napędu z silnikiem reluktancyjnym
przełączalnym z materiałów proszkowych, Studia z Automatyki i Informatyki, Tom
37, p.35-46, ISSN 0867-3977, PTPN, Poznań 2012.
SWITCHED RELUCTANCE MOTOR MADE FROM IRON POWDER COMPARISON WITH STANDARD CONSTRUCTION
In the article, there were presented comparison results of switched reluctance motor drive made
from different materials. There was an assumption made that energy efficiency could be increased
by new magnetic circuit material introduction. This modern, innovative material based on iron
powder was in the opposite to the classic, standard construction made from stack of metal sheets.
There were goals and motivation described in the article as the general properties of compared
magnetic materials were. Structure of the original drive and control algorithms achievements were
shown. Introduced, dedicated control system was the base for objective comparison. Research
methodology was described as the research stand with its components was. Comparison results in
the range of static and dynamic drive performance were analyzed. Conclusions were provided and
increase of the energy efficiency in the new magnetic circuit material of SRM was confirmed.