politechnika gdańska laboratorium maszyny elektryczne
Transkrypt
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