Badanie silnika reluktancyjnego przełączalnego cz 1

Politechnika Warszawska
Instytut Maszyn Elektrycznych
Laboratorium Maszyn Elektrycznych Małej Mocy
BADANIE SILNIKA RELUKTANCYJNEGO
PRZEŁĄCZALNEGO (SRM)
CZĘŚĆ 1 – POMIARY MOMENTU STATYCZNEGO
Warszawa 2015
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z silnikiem reluktancyjnym przełączalnym (ang. SRM –
Switched Reluctance Motor) oraz wyznaczenie jego charakterystyk statycznych i dynamicznych.
2. Wprowadzenie
Silnik reluktancyjny przełączalny jest maszyną elektryczną składającą się ze stojana na którym
nawinięte są uzwojenia oraz blachowanego wirnika. Maszyna reluktancyjna posiada bieguny
wydatne zarówno na stojanie jak i na wirniku [1]. Podstawowymi parametrami opisującymi silnik
reluktancyjny są:
•
liczba pasm fazowych stojana – m,
•
liczba par biegunów stojana na pasmo fazowe – q (jedno pasmo = 2q cewek połączonych
szeregowo),
•
liczba biegunów stojana – Ns = 2mq,
•
liczba biegunów wirnika – Nr,
•
skok roboczy wirnika – ϵ o .
Silniki reluktancyjne opisujemy na podstawie jego parametrów geometrycznych (liczba faz: m,
liczba biegunów stojana Ns, liczba biegunów wirnika Nr). Na rysunku 1 przedstawiony został
dwufazowy silnik SRM o konfiguracji 4/2.
A
B1
B
A1
Rys. 1: Dwufazowy silnik SRM o strukturze 4/2.
Liczba par biegunów stojana w silniku SRM musi być parzysta. Jest to spowodowane
koniecznością zrównoważenia naciągu magnetycznego. Jednocześnie bieguny wirnika muszą być
rozstawione w taki sposób, aby była możliwość zamknięcia obwodu magnetycznego.
Z powyższych warunków wynika wniosek, iż „liczba biegunów stojana musi stanowić parzystą
wielokrotność liczby pasm fazowych” [3].
2.1. Zasada działania silnika SRM
Zasada działania silnika reluktancyjnego przełączalnego (SRM) opiera się o podstawowy z jego
elementów – elektromagnes. Siła z jaką elektromagnes przyciąga do siebie ferromagnetyczne
przedmioty jest proporcjonalna do kwadratu indukcji magnetycznej B oraz pola przekroju
poprzecznego rdzenia S i odwrotnie proporcjonalna do przenikalności magnetycznej próżni μ 0
(Rys. 2).
F=
B2
⋅S
2⋅μ 0
F
N
S
I
I
Rysunek 2: Elektromagnes przyciągający żelazną sztabkę.
W przypadku, gdy żelazny blok (wirnik) zostanie zamocowany na wale i umieszczony
pomiędzy dwoma elektromagnesami, tak jak to pokazano na rysunku 3, powstanie najprostszy
silnik SRM. Siła wywierana na wirnik w czasie przepływu prądu spowoduje obrócenie go do
pozycji, w której występuje najmniejsza reluktancja wytwarzając tym samym moment napędowy.
F
I
I
S
N
S
N
F
I
I
Rysunek 3: Ruch obrotowy spowodowany siłą wytwarzaną przez elektromagnesy.
W silniku reluktancyjnym wyróżniamy charakterystyczne pozycje wirnika:
•
pozycja stabilna (wzdłużna),
•
pozycja niestabilna (poprzeczna),
Pozycja wzdłużna stabilna występuje w sytuacji, kiedy bieguny wirnika znajdą się
bezpośrednio pod biegunami stojana – θ=0o (Rys. 4)
ΘN
S
N
I
I
S
I
I
Rys. 4: Pozycja wzdłużna stabilna(ang. aligned possition).
W takiej sytuacji wirnik nie jest w stanie się poruszyć w żadną stronę i generowany moment jest
zerowy. Jest to pozycja, w której szczelina powietrzna oraz reluktancja obwodu magnetycznego,
między wirnikiem a biegunami stojana jest najmniejsza, a indukcyjność fazy największa. W tym
przypadku, jeżeli wirnik zostanie odchylony od położenia zerowego, siła wytwarzana przez
elektromagnes spowoduje przyciągnięcie go z powrotem pod jego biegun.
Pozycja poprzeczna niestabilna występuje w sytuacji, kiedy bieguny wirnika są, najbardziej
jak to możliwe, oddalone od biegunów stojana, a reluktancja jest największa (Rys. 5).
Θ=90
I
S
N
S
N
o
I
I
I
Rys. 5: Pozycja poprzeczna niestabilna (ang. unaligned position) (opracowanie własne).
W tej sytuacji wirnik również nie jest w stanie się poruszyć i generowany moment wynosi zero.
Indukcyjność w tej pozycji jest najmniejsza, a dowolne odchylenie wirnika od tego położenia
spowoduje obrócenie go do pozycji wzdłużnej stabilnej.
Pomiędzy pozycją zera niestabilnego, a pozycją zera stabilnego silnik SRM jest zdolny do
wytwarzania momentu elektromagnetycznego.
Moment elektromagnetyczny wytwarzany w silniku SRM wynosi
1 δL
T e= i 2
2 δΘ
gdzie:
L – indukcyjność uzwojenia,
i – prąd uzwojenia,
Θ - położenie kątowe wirnika
Przykładowy przebieg momentu elektromagnetycznego dla silnika dwufazowego o strukturze 4/2
przedstawiony został na rysunku 6.
Rys. 6: Moment elektromagnetyczny dwufazowego silnika SRM 4/2 w funkcji położenia kątowego
wirnika.
Ciągły obrót wirnika w silniku SRM jest uzyskiwany poprzez odpowiednie przełączanie faz
stojana. Układ sterowania musi w taki sposób zasilać kolejne uzwojenia by wytwarzany przez nie
moment elektromagnetyczny był cały czas dodatni. Położenie wirnika w którym układ sterowania
załącza przepływ prądu przez uzwojenie nazywane jest kątem załączenia fazy ( Θon ).
W momencie osiągnięcia przez wirnik położenia zera stabilnego względem danej fazy prąd w tej
fazie musi osiągnąć zero. Oznacza to, że należy odpowiednio wcześniej rozpocząć wyłączanie
prądu w uzwojeniu, żeby zdążył on zaniknąć. Położenie wirnika, w którym rozpoczynany jest
proces wyłączenia prądu w fazie nazywane jest kątem wyłączenia fazy ( Θoff ). Po osiągnięciu
przez wirnik położenia stabilnego względem danej fazy załączana jest kolejna powodując dalszy
obrót wirnika [2].
Do poprawnej pracy silnika wymagana jest ciągła kontrola oraz regulacja wartości chwilowej
prądu w uzwojeniach. Kontrola prądu niezbędna jest do utrzymania obwodu magnetycznego
w stanie nienasyconym oraz do regulacji wartości wytwarzanego przez silnik momentu
elektromagnetycznego. Za regulację wartości prądu odpowiada układ sterowania, który utrzymuje
wartość prądu na zadanym poziomie wynoszącym i lim .
3. Stanowisko laboratoryjne i wykonanie ćwiczenia
Badania statyczne silnika
230V
230:24
A
0o
315o
45o
270o
90o
0.300
225o
135o
180o
Rys. 7: Schemat stanowiska laboratoryjnego.
Schemat stanowiska przedstawiony został na rysunku 7:
Stanowisko wyposażone zostało w następujące elementy:
•
silnik trójfazowy 6/4,
•
ramie pomiarowe o długości 290 mm z możliwością nastawy kąta – zamontowane na wale
silnika,
•
wagę z cyfrowym odczytem,
•
kątomierz zamontowany na tarczy łożyskowej silnika,
•
układ zasilania silnika składający się z:
◦ autotransformatora – służącego do regulacji napięcia,
◦ transformatora obniżającego napięcie 230/24,
◦ prostownika,
◦ filtru typu PI,
◦ amperomierza.
3.1.1 Wykonanie ćwiczenia,
W pierwszej kolejności należy połączyć układ pomiarowy według schematu na rysunku 7.
Następnie należy skalibrować kątomierz zamontowany na silniku. W tym celu należy:
•
ustawić wartość prądu w obwodzie silnika na wartość 6A jeśli prowadzący nie wskaże
inaczej,
•
wyzerować wskazanie kątomierza po ustawieniu się wirnika w pozycji wzdłużnej stabilnej,
Następnie należy wyznaczyć charakterystykę momentu statycznego wybranej fazy maszyny. W tym
celu należy:
•
uruchomić wagę i ją wytarować,
•
upewnić się, że kątomierz został poprawnie skalibrowany,
•
nastawić wartość prądu 2 A i kontrolować ją w czasie wykonywania pomiarów,
•
odchylić ramie pomiarowe (obracając pokrętło na nim umieszczone),
•
zanotować wskazanie wagi.
Wykonać rodzinę charakterystyk momentu w funkcji kąta obrotu wału od 0 do 90 stopni z krokiem
co 5 stopni dla prądów 2 A, 4 A, 6 A, 8 A, 10 A.
Tabela 1. Przykładowa tabela pomiarowa momentu.
Kąt (stopnie)/prąd 2A
0
5
10
...
90
Wskazanie wagi (g)
Moment (Nm)
4. Wykonanie sprawozdania.
W sprawozdaniu należy umieścić:
•
dane mierzonego silnika,
•
schemat pomiarowy,
•
tabelę z zebranymi pomiarami,
•
wykres przedstawiający rodzinę charakterystyk momentu statycznego silnika,
•
podsumowanie i wnioski.
5. Zagadnienia
•
Określić kąt pomiędzy położeniem podłużnym i poprzecznym dla silnika o liczbie pasm
fazowych m, liczbie biegunów stojana ps i liczbie biegunów wirnika pr ,
•
określić liczbę skoków silnika na obrót dla silnika 6/4 i 4/2.
•
określić częstotliwość przełączania pasma fazowego przy prędkości obrotowej 3000
obr/min dla silnika dwufazowego 4/2.
•
określić napięcie wymagane dla ustalenia prądu pasma fazowego równego 10 A przy
założeniu, ze rezystancja uzwojenia
R=1.2 Ω @
o
20 C , a uzwojenie nagrzewa się
do temperatury 120o C . Współczynnik temperaturowy miedzi wynosi 0,004 K1 .
6. Literatura
[1] T.J.E. Miller: „Electronic Control of Switched Reluctance Machines”, 2001 r.
[2] R. Krishnan: „Switched Reluctance Motor Drives: Modeling, Simulation, Analysis, Design,
an Application”, 2001r.
[3] K. Bieńkowski, B. Bucki, „Model polowy przełączalnego silnika reluktancyjnego”,
Proceedings of XL International Symposium on Electrical Machines, Hajnówka,
15 – 18.06.2004 r.
opracował: mgr. Inż. Krzysztof Jackiewicz, Warszawa 2015