politechnika gdańska laboratorium maszyny elektryczne

POLITECHNIKA GDAŃSKA
SYSTEMY ELEKTROMECHANICZNE
WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN ELEKTRYCZNYCH
1.
1.1
WPROWADZENIE
Maszyna elektryczna a system przetwarzania energii
Maszyna elektryczna jest najczęściej elementem złożonych systemów elektromechanicznych,
których podstawową funkcją jest elektromechaniczne przetwarzanie energii: mechanicznej na
elektryczną, bądź elektrycznej na mechaniczną. Przykłady ogólnej struktury takich systemów
pokazano na rys. 1.1.
Obciążenie
LABORATORIUM
MASZYNY ELEKTRYCZNE
Przekształtnik
statyczny
Maszyna
elektryczna
Źródło
zasilania
Sterowanie
ĆWICZENIE (SE)
Zadawanie
a)
SYSTEMY ELEKTROMECHANICZNE
Źródło
zasilania
WPROWADZENIE
Przekształtnik
statyczny
Maszyna
elektryczna
Obciążenie
Materiały pomocnicze
Sterowanie
Kierunek Elektrotechnika
Studia stacjonarne 1-szego stopnia
semestr 3
Zadawanie
b)
Opracował
Mieczysław Ronkowski
Grzegorz Kostro
Michał Michna
Filip Kutt
Gdańsk 2010-2011
L a b _ ME _ S E _ w p r o w a d z e n ie _ 2 0 1 0 _ 2 0 1 1 _ k o r . d o c /2 0 . 1 2 . 2 0 1 0
Rys. 1.1. Ogólna struktura systemu elektromechanicznego przetwarzania energii:
a) funkcja elektroenergetyczna – wytwarzanie energii elektrycznej, b) funkcja napędowa – wytwarzanie
energii mechanicznej
Na przykład prądnica (generator) bądź transformator są elementami złożonego systemu
elektroenergetycznego, którego funkcją jest wytwarzanie i przesyłanie (transport) energii
elektrycznej. W klasycznym systemie prądnica pracuje ze stałą prędkością obrotową, aby zapewnić
stałą częstotliwość napięcia zasilania. Natomiast w systemach nowoczesnych, w szczególności
autonomicznych, funkcję tą przejmuje przekształtnik statyczny. Z kolei silnik elektryczny jest
elementem złożonego, odpowiednio sterowanego lub zautomatyzowanego systemu napędowego.
Funkcję członu sterującego parametrami energii elektrycznej zasilającej silnik spełnia
przekształtnik statyczny – kształtuje charakterystykę silnika wymaganą dla obciążenia/napędzanej
maszyny roboczej.
Kolejny etap zawansowanego rozwoju systemów elektromechanicznego przetwarzania energii
związany jest z mechatroniką - techniką synergicznego projektowania maszyn i procesów,
zdolnych do inteligentnych zachowań. Mechatronika wyłoniła się stosunkowo nagle z maszyn
elektrycznych (elektromechaniki) w wyniku postępu technicznego w energoelektronice,
mikroelektronice i technice komputerowej. Znamienne dla mechatroniki jest nierozłączne,
powiązanie mechaniki, elektromechaniki, elektrodynamiki technicznej, elektroniki, informatyki,
myślenia systemowego i ekonomii (rys. 1.2). Przetwornik elektromechaniczny/maszyna elektryczna
stanowi integralną część projektowanego systemu. Aby osiągnąć efekt synergii, nie jest możliwe
zastosowanie seryjnie produkowanych maszyn elektrycznych, tzw. „maszyn z półki producenta”.
Projektowanie przetwornika zaczyna się od podstaw i jest współbieżne z procesem projektowania
całego systemu mechatroniki.
Mechatronika
Ma
ter
iały
Ener
goele
ktron
ika
Mas
elektr zyny
yczn
e
Inf
ika
or
an
ch owa i ste maty
e
row
M ud
k
n
an a
i b aszy
ie
m
Elektrodynamika
Techniczna
Rys. 1.2. Definicja mechatroniki w aspekcie konstruktora elektryka
„Mechatronika jest synergiczną techniką projektowania i wytwarzania maszyn zdolnych do inteligentnych
zachowań, o nierozłącznym, powiązaniu mechaniki, elektroniki, informatyki, elektrodynamiki technicznej,
myślenia systemowego i ekonomii”
Z powyższych rozważań wnika, że maszynę elektryczną należy traktować jako jeden (często
najważniejszy i najbardziej skomplikowany) z elementów składowych systemu
elektromechanicznego i odwzorowywać ją takimi opisami/modelami matematycznymi, które
pozwalają włączyć maszynę w opis całego systemu, z uwzględnieniem zarówno statycznych jak i
dynamicznych stanów pracy. Równocześnie, w przypadku systemów klasycznych (systemy nie
spełniające zasad synergii) maszyna elektryczna jest elementem skończonym, wydzielonym,
stanowiącym odrębny wyrób przemysłu elektrotechnicznego. Występuje w niej szereg zjawisk
fizycznych. Opisanie tych zjawisk, nawet z ograniczeniem do samej maszyny, prowadzi
niejednokrotnie do skomplikowanego modelu (układu równań). Narzuca to konieczność
traktowania maszyny jako wydzielonego elementu, celem ułatwienia poznania zachodzących w niej
zjawisk fizycznych. Niejednokrotnie wygodniej jest przy tym posługiwać się opisem fizycznego
przebiegu zjawiska niż stosować złożony opis matematyczny.
1.2
Ewolucja maszyn elektrycznych
Wraz z postępującym rozwojem techniki półprzewodnikowej (energoelektroniki) następuje
odchodzenie od konwencjonalnego środowiska elektromechanicznego przetwarzania energii do
środowiska rozbudowanego o przekształtniki statyczne, tzw. "przekształtnikowego środowiska
przetwarzania energii" (zmienna częstotliwość i zmienny moduł napięcia). Należy zauważyć, że to
"nowe" środowisko, w porównaniu do środowiska konwencjonalnego – uważanego w zasadzie za
"zamknięte", jest środowiskiem nadal "otwartym", i to z wieloma dotąd jeszcze nie określonymi
opcjami. Na przykład, istnieje dowolność wyboru: charakteru źródła zasilania maszyny – może być
o charakterze napięciowym lub prądowym, liczby faz, liczby biegunów, wartości częstotliwości
itd..
W powyższych warunkach istnieje wiele możliwości budowy układu napędowego i brak jest
jednoznacznej odpowiedzi, który z nich jest najlepszy. Warunki przekształtnikowego środowiska
przetwarzania energii, tak różne od konwencjonalnych, stwarzają potrzebę ich "nowej" klasyfikacji.
Ewolucję silników elektrycznych przedstawiono na rys. 1.3.
W wierszu pierwszym występują tzw. silniki klasyczne: silnik prądu stałego, silnik synchroniczny o
wzbudzeniu elektromagnetycznym, silnik asynchroniczny (pierścieniowy lub klatkowy). Określenie
„silniki klasyczne” oznacza, że :
•
produkują stały moment obrotowy,
•
mogą być zasilane bezpośrednio z sieci napięcia stałego lub przemiennego,
•
mogą pracować bez elektronicznych układów sterowania.
3
Rys. 1.3. Ewolucja maszyn/silników elektrycznych: od silników szczotkowych do silników bezszczotkowych z
komutacją elektroniczną
Dwa silniki w wierszu drugim powstały przez zastąpienie w silnikach klasycznych wzbudzenia
elektromagnetycznego wzbudzeniem o magnesach trwałych. Z kolei po usunięciu magnesów
trwałych silnik synchroniczny przekształcono w silnik synchroniczny reluktancyjny.
Silniki w wierszu trzecim są rozbudowane o przekształtniki statyczne (komutatory elektroniczne)
oraz o sterowanie zależne (wewnętrzne). W przypadku silnika prądu stałego taka modyfikacja,
łącznie z umieszczeniem wzbudzenia na wirniku, prowadzi do silnika bezszczotkowego prądu
stałego (ang. brashless dc motor/BLDCM) – w przypadku silnika synchronicznego do silnika
bezszczotkowego napięcia przemiennego (ang. permanent magnet synchronous motor/PMSM). Z
kolei modyfikacja struktury elektromagnetycznej silnika synchronicznego reluktancyjnego
prowadzi do silnika o przełączalnej reluktancji (ang. switched-reluctance motors). Stosując
odpowiednie algorytmy sterowania zależnego pracą tych silników można kształtować praktycznie
w dowolny sposób ich charakterystyki mechaniczne.
Osobną grupę maszyn działających w oparciu o pole wirujące, a raczej pole wirujące skokowo
(dyskretnie), stanowią silniki skokowe (nie pokazane na rys. 1.3), które na ogół pracują bez
potrzeby sterowania zależnego (wewnętrznego). Można wyróżnić trzy ich typy podstawowe:
•
silniki skokowe o przełączalnej reluktancji (ang. switched-reluctance stepper motors);
•
silniki skokowe o magnesach trwałych (ang. permanent magnet stepper motors);
•
silniki skokowe hybrydowe (łączą cechy dwóch poprzednich typów).
Podstawowa funkcja silników skokowych to przetwarzanie informacji. Mogą nie tylko pracować w
trybie pracy skokowej, ale także w trybie pracy quasi-ciągłej.
4
1.3
Przykłady systemów elektromechanicznych
Układ napędowy złożony z prostownika sterowanego i silnika prądu stałego szczotkowego
(komutatorowego) przedstawiono na rys. 1.4.
Rys. 1.4. Ogólna struktura układu napędowego złożonego z oddzielnego prostownika sterowanego uzwojenia
wzbudzenia i uzwojenia twornika oraz obcowzbudnego silnika prądu stałego szczotkowego
(komutatorowego): ŹE – źródło energii elektrycznej, SPS – silnik prądu stałego obcowzbudny, PST/PSW –
prostowniki sterowane w obwodzie twornika i wzbudzenia, USK – układ sterowania i kontroli, PT –
prądnica tachometryczna/pomiar prędkości obrotowej silnika, MR – maszyna robocza
Schemat układu napędowego z silnikiem bezszczotkowym z magnesami trwałymi (SBMT)
przedstawiono na rys. 1.5.
a)
b)
Te ∝ i s × Φ f
Rys. 1.5. Schemat układu napędowego z silnikiem bezszczotkowym z magnesami trwałymi (SBMT):
a) Ogólna struktura układu (ŹE – źródło energii elektrycznej, PE/KE - przekształtnik
energoelektroniczny/komutator elektroniczny, UEM – układ elektromechaniczny silnika, USK –
układ sterowania i kontroli, CPW – czujnik położenia wirnika, MR – maszyna robocza),
b) struktura silnika z trójpasmowym uzwojeniem stojana
Pod pojęciem SBMT rozumie się wszystkie maszyny wzbudzane magnesami trwałymi
(magnetoelektrycznie), w których wyeliminowano komutator elektromechaniczny (zestyk ślizgowy
złożony ze szczotek i komutatora – stosowany w klasycznym silniku prądu stałego) lub pierścienie
ślizgowe i szczotki (stosowany w klasycznym silniku synchronicznym). Z założenia SBMT są
zasilane ze źródła energii elektrycznej poprzez odpowiednio sterowany (zależnie) przekształtnik
energoelektroniczny. W praktyce najczęściej stosowanym rozwiązaniem SBMT jest układ
przedstawiono na rys. 1.5b. Na stojanie silnika umieszczone jest klasyczne uzwojenie trójpasmowe
(analogicznie jak w silniku indukcyjnym 3-fazowym lub maszynie synchronicznej 3-fazowej) a na
wirniku umieszczone są magnesy trwałe). Uzwojenie jest zwykle zasilane z dwustopniowego
przekształtnika – prostownika (nie pokazany na rysunku), kondensatora w obwodzie
pośredniczącym i falownika napięcia, w którym tranzystory (np. IGBT) są sterowane położeniem
kątowym wirnika.
Funkcją przekształtnika zintegrowanego z SBMT jest transformacja energii źródła zasilania według
określonego algorytmu sterowania. Należy podkreślić, że istotną cechą tego algorytmu jest zasada
sterowania zależnego/wewnętrznego (z pętlą położeniową), tzn. nadrzędnym sygnałem sterowania
jest sygnał określony położeniem kątowym wirnika. Tak określony algorytm sterowania powoduje,
że SBMT ma właściwości ruchowe (charakterystyki mechaniczne) analogiczne do właściwości
ruchowych silnika prądu stałego z komutatorem elektromechanicznym. Stąd często spotykana
nazwa – silnik bezszczotkowy prądu stałego (ang. brushless dc motor/BLDCM).
Pod względem konstrukcyjnym SBMT mogą być pochodną maszyn prądu stałego lub maszyn
synchronicznych, w których wzbudzenie elektromagnetyczne zastąpiono magnesami trwałymi
umieszczonymi na wirniku. SBMT budowane są w różnorodnych rozwiązaniach konstrukcyjnych,
różniących się przede wszystkim konstrukcją twornika i obwodu wzbudzenia. Zasadniczy podział
SBMT wynika z ich struktury elektromagnetycznej: buduje się silniki o strukturze walcowej i
tarczowej.
Drugi zasadniczy podział SBMT wynika z rozkładu indukcji w jego szczelinie roboczej. Z
rozkładem indukcji stowarzyszony jest przebieg napięcia indukowanego (SEM) rotacji w
uzwojeniu stojana, a od niego zależy metoda określania położenia kątowego wirnika. Wg kryterium
przebiegu napięcia indukowanego wyróżnia się:
• silniki z trapezoidalnym przebiegiem napięcia indukowanego rotacji, zasilane prądem o
przebiegu prostokątnym (w przybliżeniu) – przebiegi analogiczne do prądu w cewkach
klasycznych silników prądu stałego (silniki komutatorowe/szczotkowe),
• silniki z sinusoidalnym przebiegiem napięcia indukowanego rotacji, zasilane prądem o
przebiegu sinusoidalnym – przebiegi analogiczne do prądu w cewkach klasycznych silników
prądu przemiennego (silniki synchroniczne).
W celu odpowiedniego kształtowania rozkładu pola wzbudzonego magnesami trwałymi (MT)
stosuje się wirniki o różnorodnych rozwiązaniach konstrukcyjnych. Konstrukcje te uwzględniają
rodzaj zastosowanego magnesu trwałego, kryteria minimalnych kosztów i gabarytów oraz
postulowanych parametrów i właściwości eksploatacyjnych maszyn. Najczęściej projektuje się
maszyny o strukturze walcowej, z magnesami spolaryzowanymi radialnie do osi wirnika (1.6).
a)
b)
c)
d)
Uwaga: sterowanie zależne realizowane jest za pomocą czujnika położenia kątowego wirnika, celem
uzyskania charakterystyk mechanicznych SBMT analogicznych do klasycznego silnika prądu stałego
Rys. 1.6. Wybrane struktury wirników SBMT: a) MT mocowane na powierzchni wirnika, b) MT umieszczone
tuż pod powierzchnią wirnika, c) MT zagłębione w wirniku, d) MT ułożone promieniowo z koncentracją
strumienia
5
6
Można wyróżnić następujące konstrukcje wirnika:
• magnesy mocowane (klejone) na powierzchni rdzenia wirnika (ang. surface mounted magnets),
• magnesy umieszczone w rdzeniu tuż pod powierzchnią wirnika (ang. inset mounted magnets),
• magnesy zagłębione w rdzeniu wirnika (ang. buried, interior magnets),
• magnesy ułożone promieniowo z koncentracją strumienia (ang. flux concentration).
Napędy wykorzystujące SBMT cieszą się obecnie dużą popularnością. Opanowują one coraz
szerszy obszar zastosowań: od silników małej mocy – wykorzystywanych w napędach dysków
komputerowych, czy też licznych urządzeniach AGD, poprzez silniki w układach napędowych
samochodów hybrydowych i elektrycznych oraz dużych jednostek morskich skończywszy.
Popularność SBMT wynika z ich doskonałych właściwości regulacyjnych, które predysponują je do
zastosowań w systemach napędowych realizujących wysokiej jakości regulację prędkości
obrotowej lub położenia kątowego/liniowego.
Układ napędowy złożony z prostownika, stopnia pośredniego, falownika i silnika indukcyjnego
przedstawiono na rys. 1.7.
a)
PROSTOWNIK
STOPIEŃ POŚREDNI
FALOWNIK
3 X 400 V
SI
MR
UKłAD STEROWANIA I KONTROLI
2.
PRZEDMIOT SYSTEMY ELEKTROMECHANICZNE
Zagadnienia omawiane powyżej realizowane są w ramach przedmiotu Systemy
elektromechaniczne na Kierunku Elektrotechnika, studia stacjonarne 2-go stopnia magisterskie,
sem. 1.
Przedmiot obejmuje: 30 godz. wykładu, 15 godz. lab., 15 godz. projektowania.
Program przedmiotu:
Definicja i funkcje systemu elektromechanicznego (SE). Człony SE i ich funkcje. Tendencje
rozwojowe SE.
Innowacyjne struktury SE stosowanych w praktyce.
Zespoły prądotwórcze o zmiennej prędkości obrotowej napędzane silnikami spalinowymi
stosowane w systemach autonomicznych (stosowane na pokładzie współczesnych samolotów i w
energetyce rozproszonej).
Zespoły prądotwórcze o zmiennej prędkości obrotowej stosowane w elektrowniach wiatrowych.
Zespoły napędowe o zmiennej prędkości obrotowej stosowane w pojazdach elektrycznych i
hybrydowych.
SE z maszynami piezoelektrycznymi stosowane w serwonapędach na pokładzie samolotów.
Elektromechaniczne zasobniki energii.
SE budowane z zastosowaniem nanotechnologii.
Metody modelowania SE w ujęciu energetycznym. Zastosowanie metody grafów wiązań.
Modelowanie, symulacja i projektowanie SE z wykorzystaniem technik CAD.
Pakiety: PSPICE, MATLAB/SIMULINK, 20sim, DYMOLA, SYNOPSYS/SABER, FLUX,
AutoCAD, INVENTOR jako narzędzia wspomagania modelowania, symulacji i projektowania SE.
Symulacja i pomiary komputerowe SE w stanach dynamicznych na przykładzie układów
z silnikiem szczotkowym prądu stałego, silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (z komutatorem
elektronicznym i magnesami trwałymi), silnikiem indukcyjnym i silnikiem reluktancyjnym
przełączalnym.
Projektowanie SE na przykładzie systemu z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego.
Literatura pomocnicza
Wejścia/Wyjścia sterujące
[1]
[2]
b)
PROSTOWNIK
SIEĆ 3-FAZOWA
ea
R
L
eb
R
L
ec
R
L
D1
D2
FALOWNIK
FILTR
+
D3
C
T1
T2
SILNIK
INDUKCYJNY
MASZYNA
ROBOCZA
as
bs
cs
Ud
[4]
SI
MR
S
D4
D5
D6
_
T4
T5
T6
n
Te ∝ i r × Φ m
UKŁAD STEROWANIA i KONTROLI
Rys. 1.7. Układ napędowy złożony z prostownika, stopnia pośredniego, falownika i silnika indukcyjnego:
a) ogólna struktura układu zmiany modułu i częstotliwości napięcia zasilania,
b) szczegółowa struktura układu zmiany modułu i częstotliwości napięcia zasilania
Uwaga: Ogólnie sterowanie SI realizowane jest przy założeniu utrzymania stałej wartości stosunku
modułu napięcia do częstotliwości napięcia zasilania silnika, celem odpowiedniej stabilizacji wartości
strumienia głównego silnika Φm
Stosuje się dwie metody sterowania: 1) skalarnego – sterowanie tylko modułu i częstotliwości napięcia
zasilania, 2) wektorowego (polowo-zorientowanego) – jednoczesne sterowanie modułu, fazy i
częstotliwości napięcia zasilania (charakterystyki mechaniczne SI są analogiczne do klasycznego
silnika prądu stałego)
7
[3]
T3
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
Gieras J.F.: Advancements in Electric Machines, Heidelberg, Springer 2009.
Kaczmarek T., Zawirski K.: Układy napędowe z silnikiem synchronicznym, Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000.
Kaźmierkowski M.P., Tunia H.: Automatic control of converter-fed drives, Elsevier, PWN,
1994.
Koczara W.: Odsprzężone wytwarzanie energii elektrycznej w układach z maszynami
wirującymi, Przegląd Elektrotechniczny, 2004, R. 80, nr 1, s.1-6.
Latek W.: Teoria maszyn elektrycznych. Wyd. 2. WNT, Warszawa, 1987..
Lyshevski S. E.: Electromechanical systems, electric machines, and applied mechatronics.
CRC Press, Boca Raton, FL, 1999.
Lyshevski S. E.: Nano- and Micro-Electromechanical Systems: Fundamentals of Nano- and
Microengineering, 2nd Ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2005.
Miller T.J.E.: Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives, Clarendon Press,
Oxford 1989.
Nogarède B.: Électrodynamique appliquée. Bases et principes physiques de
l’électrotechnique”, Dynod, Paris 2005.
Paska J.: Wytwarzanie energii elektrycznej, Oficyna Wyd. Pol. Warszawskiej, W-wa, 2005.
Ronkowski M.: Systemy elektromechaniczne. Wydz. EiA PG 2009-2010. (Materiały
pomocnicze do wykładów udostępnione przez internet).
Ronkowski M., Kostro G., Michna M., Kutt F.: Laboratorium systemów
elektromechanicznych. (Zestaw instrukcji udostępnionych przez internet).
Kostro G., Michna M., Ronkowski M.: Projektowanie systemów elektromechanicznych.
(Materiały pomocnicze udostępnione przez internet).
Turowski J.: Podstawy mechatroniki, Łódź, Wydawnictwo WSHE 2008.
8