Silniki elektryczne z magnesami trwałymi umieszczonymi na wirniku(2).pdf
(
722 KB
)
Pobierz
Microsoft Word - ref_20_glinka.doc
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005
103
Tadeusz Glinka, Mieczysław Jakubiec
BOBRME Komel, Katowice
SILNIKI ELEKTRYCZNE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI
UMIESZCZONYMI NA WIRNIKU
ELECTRIC MOTORS WITH PERMANENT MAGNETS PLACED IN THE ROTOR
Abstract:
Electric motors with permanent magnets placed along rotor’s circumference may operate as:
- synchronous motors with permanent magnets (PM SM)
- sinusoidally controlled brushless dc motors with permanent magnets (PMDC BMSC)
- trapezoidally controlled brushless dc motors with permanent magnets (PMDC BMTC).
In each case the electromechanical properties of the drive are different, this is influenced by the control
method and electromagnetic field distribution in the armature slot. The induction distribution should induce
sinusoidal rotation voltage in the armature winding of PMSM and PMDCBMSC and trapezoidal rotation volt-
age in PMDCBMTC, respectively.
Synchronous motors are supplied with voltage of set (forced) frequency. The rotational speed is controlled by
changing the supply voltage frequency. The mathematical model of synchronous motors in steady and quasi-
steady states is given in Equations (2-10).
The electronic commutator in brushless pm motor is built into the motor, same as mechanical commutator in
dc motors. The electronic commutator is supplied with dc voltage. The windings’ current is of variable char-
acter, but its frequency depends on the rotational speed of the motor. This speed is controlled and set by
changing the electronic commutator supply voltage.
If the current waveforms generated by electronic commutator in A, B, C phases windings are trapezoidal, then
the motor is denoted as trapezoidally controlled. The mathematical model of this motor is given in Equations
(11-14). If the current waveforms generated by electronic commutator in A, B, C phases windings are sinusoi-
dal, then the motor is denoted as sinusoidally controlled. The mathematical model of the motor is given in
Equations (15-20).
1. Warianty wykorzystania silników
Silniki elektryczne z magnesami trwałymi
umieszczonymi na wirniku maj
najwy
sz
sprawno
energetyczn
ze wszystkich zna-
nych i stosowanych rodzajów maszyn elek-
trycznych porównywalnej wielko
ci, pracuj
-
cych przy tych samych parametrach elektrome-
chanicznych. Silniki z magnesami trwałymi
umieszczonymi na wirniku – rys.1 mog
pra-
cowa
, w zale
no
ci od sposobu zasilania i ste-
rowania , jako:
- silniki synchroniczne (PMSM – Permanent
Magnet Synchronous Motor),
- silniki bezszczotkowe pr
du stałego z komu-
tatorem elektronicznym sterowane sinusoidal-
nie (PMDCBMSC- Permanent Magnet Direct
Current Brushless Motor with Sine Control)),
- silniki bezszczotkowe pr
du stałego z komu-
tatorem elektronicznym sterowane trapezowo
(PMDCBMTC- Permanent Magnet Direct Cur-
rent Brushless Motor with Trapez Control).
W ka
dym z tych przypadków wła
ciwo
ci
elektromechaniczne nap
du s
inne, decyduje o
tym rozkład pola magnetycznego w szczelinie
silnika oraz sposób zasilania i sterowania.
Rozkład pola magnetycznego w silniku powi-
nien by
przystosowany do warunków zasila-
nia.
Rys. 1. Schemat obwodu elektromagnetycznego
silnika 3-fazowego z magnesami trwałymi
umieszczonymi na wirniku.
104
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005
W silnikach synchronicznych i silnikach z ko-
mutatorem elektronicznym sterowanych sinuso-
idalnie rozkład przestrzenny indukcji powinien
by
taki, aby napi
cie rotacji indukowane
w uzwojeniach było zbli
one do sinusoidy, na-
tomiast w silnikach z komutatorem elektronicz-
nym sterowanych trapezowo napi
cie rotacji
powinno mie
przebieg trapezowy – rys.2.
Silniki synchroniczne zasilane s
napi
ciem o
zadanej (wymuszonej) cz
stotliwo
ci. Pr
dko
obrotow
silników nastawia si
poprzez zmian
cz
stotliwo
ci napi
cia. Zmiana napi
cia, przy
stałej cz
stotliwo
ci (
f =
const.) i stałym mo-
mencie obci
enia (
T
ob
.
= const.), powoduje je-
dynie zmian
mocy biernej silnika.
d)
Napi
cie mi
dzyprzewodowe na z aciskach pr
dnicy na biegu jałowym
sem mi
dzyprzewodowe
150,00
100,00
50,00
0,00
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
0,050
-50,00
-100,00
-150,00
czas (s)
Rys. 2. Oscylogramy napi
rotacji (sem) w sil-
nikach PMDBM-80 o tych samych danych na-
wojowych, przystosowanych do sterowania si-
nusoidalnego (a,b) i trapezowego (c,d)
a)
W silnikach bezszczotkowych pr
du stałego
komutator elektroniczny jest integraln
cz
ci
silnika, tak jak komutator mechaniczny w silni-
kach pr
du stałego. Komutator elektroniczny
jest zasilany napi
ciem stałym, w uzwojeniach
płynie oczywi
cie pr
d zmienny, lecz jego cz
-
stotliwo
dopasowuje si
do pr
dko
ci obro-
towej. Pr
dko
obrotow
nastawia si
(b
d
zmienia) poprzez zmian
warto
ci napi
cia
stałego zasilaj
cego komutator elektroniczny.
Je
li przy stałej pr
dko
ci obrotowej silnika
(w
m
= const) sterownik PWM (Power Wide
Modulation) realizuje sinusoidalny przebieg
pr
du w uzwojeniach A,B,C (dotyczy warto
ci
redniej w przedziale jednego okresu
impulsowania), to silnik jest sterowany
sinusoidalnie. Je
li sterownik PWM realizuje
prostok
tne (trapezowe) przebiegi pr
du w
uzwojeniach A,B,C, to silnik jest sterowany
trapezowo.
2. Silnik synchroniczny
Silnik synchroniczny wzbudzany magnesami
trwałymi, poprawnie zaprojektowany, powinien
mie
sinusoidalny przebieg napi
cia. Silnik ten
jest stale wzbudzony sił
magnetomotoryczn
(smm) magnesów trwałych i wzbudzenie to nie
jest regulowane. Magnesy trwałe s
naklejone
na rdzeniu wirnika – rys.1. Uwzgl
dniaj
c,
e
przenikalno
magnetyczna wzgl
dna magne-
sów trwałych jest bliska jedno
ci (m
»1,03), to
dla zewn
trznego pola magnetycznego (pola
oddziaływania twornika) długo
szczeliny
magnetycznej jest równa sumie długo
ci szcze-
liny powietrznej i magnesu trwałego, liczona
oczywi
cie wzdłu
linii pola magnetycznego
wzbudzanego sił
magnetomotoryczn
twor-
nika. Ta długo
szczeliny powoduje,
e reak-
Silnik bezszczotkowy 1,1 kW, 1000 obr/min, praca pr
dnicowa, bieg jałowy
sem fazowe
80
60
40
20
0
faza U
faza V
faza W
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
0,050
-20
-40
-60
-80
czas [s]
b)
Silnik bezszczotkowy 1,1 kW, 1000 obr/min, praca pr
dnicowa, bieg jałowy
sem mi
dzyprzewodowe
150
100
50
0
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
-50
-100
midzyfazowe UV
midzyfazowe VW
midzyfazowe WU
-150
czas [s]
c)
Napi
cia fazowe na zaciskach pr
dnicy na biegu jałowym
60,00
sem fazowe
40,00
20,00
pasmo 1
pasmo 2
pasmo 3
0,00
0,0000 0,0050 0,0100 0,0150 0,0200 0,0250 0,0300 0,0350 0,0400 0,0450 0,0500
-20,00
-40,00
-60,00
czas
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005
105
tancja synchroniczna wzgl
dna jest znacznie
mniejsza od jedno
ci. Poniewa
magnesy trwałe
s
naklejone na gładkim ferromagnetycznym
walcu, to reaktancja synchroniczna w osi „d”
i osi „q” jest identyczna:
a)
X
S
R
I
A
1
P
jX I
A
S
RI
A
m
2
XX
(1)
Indeks „r” oznacza reaktancj
wzgl
dn
.
Brak jest uzwojenia tłumi
cego w takim wir-
niku. Ferromagnetyczny walec wirnika, z
uwagi na du
szczelin
magnetyczn
i mał
przewodno
elektryczn
, ma bardzo słabe
wła
ciwo
ci tłumi
ce. Silnik nie rozwija zatem
momentu asynchronicznego o dostatecznej
warto
ci umo
liwiaj
cego samorozruch, silnik
mo
e pracowa
wył
cznie przy zasilaniu z fa-
lownika, przy pomocy którego realizuje si
za-
równo rozruch cz
stotliwo
ciowy jak i regula-
cj
(zmian
) pr
dko
ci obrotowej.
Prac
ustalon
silnika przy: w
m
= const
(
f
= const;
U
= const),
T
ob
= const., mo
na
przedstawi
przy pomocy wykresu prze-
strzenno-czasowego – rys.3. Wykres czasowy
to wersory napi
i pr
du wybranej fazy „A”
wiruj
ce wzgl
dem osi czasu „t”, a wykres
przestrzenny to wektory smm wzbudzenia Q
PM
i twornika Q
a
wiruj
ce wzgl
dem osi fazy „A”,
przy czym o
czasu „t” pokrywa si
z osi
fazy
„A”. Jest to klasyczny wykres [2] ilustruj
cy
prac
silnika od strony fizykalnej.
W oparciu o wykres – rys.3 mo
na przedstawi
model matematyczny silnika opisuj
cy stan
pracy ustalonej. Równania te mo
na wykorzy-
sta
tak
e do analizy stanu quasiustalonego
wywołanego zmian
: cz
stotliwo
ci
f,
napi
cia
U
, b
d
momentu obci
enia
T
ob
.
W modelu tym zakłada si
:
- symetri
obwodu elektromagnetycznego
silnika,
- liniowo
obwodu magnetycznego, i jest to
zało
enie prawdziwe uwzgl
dniaj
c,
e:
magnesy trwałe wzbudzaj
stały strumie
wzbudzenia, a szczelina magnetyczna jest
du
a,
- równo
reaktancji w osi „d” i osi „q”:
X
s
= X
d
= X
q
,
-
e straty w
elazie stojana s
równe zero,
-
e moment zaczepowy, którego powodem
s
łobki stojana jest pomijalnie mały.
Równania silnika maj
posta
:
- równanie napi
fazowych (dla fazy A)
Sr
=
dr
=
X
qr
<<
1
E
A
1
m
(P +Q )
1
1
U
A
b)
o fazy "A"
o czasu "t"
w
e
jX
S
A
RI
A
E
A
U
A
d
I
A
j
q
q
q
PM
o N-S
w
m
Rys. 3. Wykres przestrzenno-czasowy charakte-
ryzuj
cy stan pracy ustalonej silnika synchro-
nicznego:
a - schemat zast
pczy dla fazy A,
b - wykres wersorowy napi
cia i pr
du fazy A
wiruj
cych wzgl
dem osi czasu „t” i wykres
wektorowy sił magnetomotorycznych
q
PM
,-
magnesów,
q
a
- twornika,
q
- smm wypadkowa,
wiruj
cych wzgl
dem osi fazy „A”
- równanie momentów
J
d
w
m
=
T
-
T
(3)
dt
e
ob
T
=
P
2
(4)
e
w
m
w
m
=
2
p
f
(5)
E
f
=
U
f
-
R
I
-
jX
s
×
I
(2)
a
p
106
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005
- moc mechaniczna
P ,Q
1
1
P
=
P
-
m
R
I
2
(6)
2
1
P
1
=
m
U
f
I
cos
j
(7)
X
E
sin
d
-
RE
cos
d
+
RU
P
1
I
cos
j
S
f
f
f
(8)
X
2
+
R
2
S
Q
1
T
- moc bierna
o b
T
n
Q
=
m
U
I
sin
j
(9)
1
Rys. 5. Zale
no
mocy czynnej P
1
i mocy
biernej Q
1
w funkcji momentu obci
enia
przy f= constans i U= constans
Układ równa
b
dzie rozwi
zywalny, przy zna-
nych parametrach silnika i nap
du (
m, R, X
s
,
J,
p
), zadanych warunkach zasilania (
U, f
) i obci
-
enia (
T
ob
), je
li okre
li si
napi
cie
E
f
– jest to
napi
cie biegu jałowego (
I
=0) przy pr
dko
ci
k
towej w
m.
Parametrem silnika podawanym na
tabliczce znamionowej b
d
w katalogu jest
napi
cie
E
1000
. Jest to napi
cie mi
dzyprzewo-
dowe indukowane przy biegu jałowym (
I
=0)
i pr
dko
ci obrotowej
n
= 1000 obr/min.
Zatem
T
e
T
e max
d
2
p
0
E
w
m
E
=
1000
3
(10)
Rys. 6. Charakterystyka k
towa silnika
synchronicznego przy f = constans,
U = constans, P
2
= variabilis
f
w
1000
w
1000
=
104
,
1/s
w
,
jest zatem rozwi
zywalny. W oparciu o powy
-
szy układ równa
mo
na wyznaczy
charakte-
rystyki elektromechaniczne silnika:
- charakterystyk
k
tow
T
e
= f (d ) przy
U
= const.,
f
= const.- rys. 6,
- charakterystyk
momentu maksymalnego w
funkcji napi
cia
T
e max
=
f (U),
przy
f
= const.
– rys. 4,
- charakterystyk
mocy czynnej
P
1
i mocy
biernej
Q
w funkcji momentu obci
enia,
P
1
;
Q
= f (
T
ob
), przy
U
= const.,
f
= const.
E
f
,
I
,
m
,
T
e
,
P
2
,
P
1
,
j
,
,
Q
Charakterystyki te mo
na zmierzy
w układzie
pomiarowym jak na rys.7. Je
li silnik M i gene-
rator G maj
te same parametry znamionowe,
to nie ma konieczno
ci pomiaru momentu ob-
ci
enia
T
ob
, co zawsze jest kłopotliwe. Moc
P
2
mo
na okre
li
jako
redni
arytmetyczn
mocy
P
1
i
P
3
P
=
P
+
P
3
(11)
2
2
a moment obci
enia
T
=
P
2
(12)
ob
w
m
T
e m m ax
T
emax
U
Rys. 7. Układ pomiarowy do badania silnika
synchronicznego M
U
n
Rys. 4. Zale
no
momentu maksymalnego
PMSM w funkcji napi
cia przy f = constans
=
Układ zawiera 9 równa
w którym jest 9 nie-
wiadomych
1
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 71/2005
107
3. Silnik pr
du stałego z komutacj
elek-
troniczn
Cech
charakterystyczn
silnika pr
du stałego z
komutatorem mechanicznym jest prostopa-
dło
wektorów: strumienia wzbudzenia f
i smm twornika Q
a
– rys.8. Spełnienie tego wa-
runku wynika z konstrukcji silnika.
a)
b)
Rys. 8. Poło
enie wektorów: strumienia wzbu-
dzenia
F
i smm twornika
Q
a
w maszynie pr
du
stałego z komutatorem mechanicznym
c)
Silnik pr
du stałego z komutatorem elektro-
nicznym jak na rys.9 ma budow
odwrócon
.
Wektor strumienia wzbudzenia f wiruje z pr
d-
ko
ci
k
tow
w
m
. K
t mi
dzy osi
fazy A, a
osi
wektora strumienia f jest funkcj
czasu:
a
=
a
m
o
+
w
t
(13)
Siła magnetomotoryczna uzwojenia twornika
Q
a
wiruje z pr
dko
ci
w
a
. K
t mi
dzy smm Q
a
a osi
fazy A jest funkcj
czasu:
a
=
a
ao
+
w
t
(14)
Rys. 9. Sterowanie silnika z komutatorem elek-
tronicznym:
a) poło
enie wektorów
i
Q
a
wzgl
dem osi faz,
b) komutator,
c) histogram sterowania zaworami 1-6 komu-
tatora elektronicznego K
m
m
a
a
Plik z chomika:
XXXwszystkoXXX
Inne pliki z tego folderu:
Bones and Muscles - An Illustrated Anatomy (Malestrom)(1).pdf
(9645 KB)
BLACKWELL'S BASIC SCIENCE COLOR ATLAS(1).pdf
(20369 KB)
SINELNIKOV tom III(2).pdf
(93212 KB)
SINELNIKOV tom II(2).pdf
(183494 KB)
SINELNIKOV tom I(2).pdf
(84849 KB)
Inne foldery tego chomika:
! F1 2012 PL DUBBING POLSKI
! MEGA WYBÓR 1600 filmów porno
! MEGA WYBÓR 1600 filmów porno(1)
!!►007 Legends
!!►LEGO - Władca Pierścieni [ PL ]
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin