NAPĘD Z SILNIKEM RELUKTANCYJNYM PRZEŁĄCZALNYM Z MATERIAŁÓW PROSZKOWYCH – PORÓWNANIE PARAMETRÓW PRACY Z KONSTRUKCJĄ KONWENCJONALNĄ

__________________________________________

* Politechnika Poznańska.

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

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

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].

2. BADANIA

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

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.

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.

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).

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.

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.