Wysokoobrotowe układy napędowe dla AGD

1 1

Studia Podyplomowe

EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

w ramach projektu

Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji Zarządzania Energią

Wysokoobrotowe układy napędowe dla AGD

i

elektronarzędzi

Stanisław Piróg pirog@agh.edu.pl 012 617 3943

3

Masa i gabaryty silnika elektrycznego

Objętość wirnika silnika

m em T

e T

K P T

K l

D 



_{ } 4

Przy czym:

R_e – dopuszczane naprężenie rozciągające na powierzchni wirnika,

– naprężenie rozrywające na powierzchni wirnika,

 – masa właściwa zewnętrznej warstwy wirnika, v – prędkość obwodowa wirnika

Naprężenia rozrywające wirnik



 v  v ^R







l

D v

2

2 1

2 2

1 1

2

1 

 



 

 

 D

l D

l S

S

Smukłość wirnika (l/D)

2

P D K

l

 r

Dla silników o jednakowej mocy i różnych prędkościach otrzymuje się:

5

Aktualnie stosowane silniki

1. Jednofazowe silniki komutatorowe Wady:

• kłopotliwy komutator (tarcie, iskrzenie, zużywanie się szczotek),

• utrudniona komutacja (ze względu na efekt transformacji),

• ograniczona prędkość obwodowa (uzwojenia), a tym samym i prędkość obrotowa,

• moc bierna,

• niska sprawność (duże straty mechaniczne i elektryczne)

Zalety:

• niska cena,

• doskonale opanowana technologia produkcji

2. Jednofazowe silniki indukcyjne Wady:

• niska sprawność (pole pulsujące),

• duża masa i gabaryty (niska prędkość)

Nowe propozycje napędowe

Wysokoobrotowe (10 000 – 5000 obr/min):

1. silniki indukcyjne 2 i 3 fazowe,

a. z wirnikiem klatkowym, b. z wirnikiem litym,

c. z tuleją miedzianą na wirniku

2. bezszczotkowe trójfazowe silniki o magnesach trwałych (BLPMDCM).

Zasilane poprzez przekształtniki

energoelektroniczne o sinusoidalnym prądzie wejściowym.

7 u_A u_B u_C

S₁ S₃ S₅

L_A L_B L_C A B C

S₄ S₆ S₂ P

N U_d

u_AB u_BC

u_CA

u_S i_S

D_R1 D_R3 D_S

D_R4 D_R2

L_s

S_S C

Zasilanie trójfazowego silnika poprzez trójgałęziowy falownik napięcia i jednokierunkowy prostownik o sinusoidalnym prądzie wejściowym

Schemat przekształtnika dla silnika trójfazowego zasilanego z linii jednofazowej, zrealizowanego z dwóch jednofazowych falowników mostkowych

us uA uB uC

S1S S3S S1F S3F

CP

CN

Ls LA LB LC

A B C 3F

uC

uB

uAB uBC

uCA

1F P

N Ud

2 Ud

2 Ud

S2S S4S S2F S4F

s

d U

U  2

2

max s /

p U

U 

9

us uA uB uC

S1 S3 S5

CP

CN

Ls LA LB LC

1F

A B C 3F

S4 S6 S2

uC

P

N

uB

Ud

uAB uBC

uCA

2 Ud

2 Ud

Schemat przekształtnika o topologii mostka trójfazowego

realizujący jednofazowy prostownik dwukierunkowy i falownik typ V

2 U2^d U 

 

p_s U I_{s s} 1cos2t

s

s U

I 3UIcos



UA

UB

UCr = UC

UAr = 0

UAB = UA- UB = 0 - UB =- UB

UBC= UB - UC

UCA = UC- UA = UC- 0 = UC

UA=0

-UC

UC = UCA

a) b)

UBr =-UB

UB

UCA= UC

UBC

UAB=-UB

A C B

c)

a) sygnały zadające, b) realizowane napięcia fazowe i międzyfazowe falownika, c) trójkąt napięć międzyfazowych.

5 ms

5 A i_A 5 A

i_B

i_S

u_d/U_d

0,05

u_S

0

1,0

0

0

a)

i_C

5 ms

5 A i_A

5 A

i_B

i_S

u_d/U_d

0,05

u_S

b)

i_C

Przykładowe przebiegi w przekształtniku 1F/3F przy m_a = 0,5

11

Schemat przekształtnika dla silnika trójfazowego zasilanego z linii jednofazowej, zrealizowanego z dwóch jednofazowych falowników mostkowych

us uA uB uC

S1S S3S S1F S3F

CP

CN

Ls LA LB LC

A B C 3F

uC

uB

uAB uBC

uCA

1F P

N Ud

2 Ud

2 Ud

S2S S4S S2F S4F

s

d U

U  2

2

max s /

p U

U 

S1 D1 S3 D3 S5 D5

S4 D4 S6 D6 S2 D2

A B C

N P

Ud/2

uA

u u

uB uC

L

e

L

e

Maszyna 2 fazowa Ud/2

M

C C B

C A

u u

u u u

u u u











0





t U

u_  ^{2 cos} u_  2Usint

t j ref Ue^ U

FALOWNIKI DLA DWUFAZAOWYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

t j ref Ue^ U

13 u_B

u_

0

u_

uA

0

uC

u₀

i

i

i_ i_

a) b)

t

0 t

t

a) Przebiegi (wartości względne) napięć w układzie oraz przebiegi prądów fazowych symetrycznego dwufazowego odbiornika RL,

b) hodograf końca wektora prądu odbiornika

A B C

N P

Ud/2

u_A

u u

uB

M

L

e

L

e

Maszyna 2 fazowa

U_d/2

Ls

us

2Cd

2C_d

Przekształtnik sieciowy

R R

S1 D1 S3 D3 S5 D5

S4 D4 S6 D6 S2 D2

Jednofazowy aktywny prostownik i mostkowy falownik (H) z pojemnościowym dzielnikiem napięcia dla zasilania dwufazowego silnika indukcyjnego

15 A B

uA u_B

U_d/2

Ud/2

2C_d

2Cd

M

iM

u = u_AM u = uBM

u L u L

e e

Maszyna 2 fazowa

R R

S1 D1 S3 D3

S₄ D₄ S₂ D₂

u_S iS

DR1 DR3 DS

DR4 DR2

Ls

Sd

Mostkowy falownik (H) z pojemnościowym dzielnikiem napięcia zasilany poprzez jednokierunkowy prostownik impulsowy o sinusoidalnym prądem wejściowym

i_

i_

i_s

u_s

u_d

5A

ud/Ud=0.01

5ms

i_ i_

Przebiegi prądów w układzie zasilania dwufazowego silnika z jednofazowej linii

17

Bezszczotkowa trójfazowa maszyna prądu stałego

A

A B

B

C

+ C

+ +

- -

-

N

S

e_A

e_B

e_C

t

t

t 3

2

a) b)

A B C

N

_A

B

_C

Poprzeczny przekrój maszyny BDCPM (a), przebiegi napięć wewnętrznych (b)

eA

eB

e_C

t

t

t 3

2 i_A

i_B

iC

U_m Id

P = 2U_mI_d

19

P

SI + -

-1 +1 S1

PI

SAW +1 -1

S4 KS

abs(x) A

B

C

KSI

abs(x)

SI + -

abs(x) abs(x)

-1 -1 S2

S3 1/2 1/2 1/2

AN

A P B P BN C P CN

I_dref i_A

iB

i_C

SC

Bl.

N Ud

SA SB

NA NB NC

SA SB SC

SP

SN

Cd

Id

k_iI_d I_d

Ld

LA

LB

LC Uf =500V

fi=5kHz

LFA LFB LFC

AP

AN

PB

BN

CP

CN

t

t

t

t

t

t

t

t

t

B A AP 

B A AN 

C B BP 

C B BN 

A C CP 

A C CN  SA

SB

SC a)

b)

10 ms

i_A

10 A

i_B

i_C

u_A

Praca silnikowa Praca generatorowa

Przebiegi prądów fazowych maszyny bezszczotkowej

i skokowe przejście z pracy silnikowej na pracę generatorową

21 t

t

t

t

t u_A

u_B

u_B

3u₀=u_A+ u_B + u_C

u_AB= u_A – u_B

^{u dt}

T ⁰

1

Przebiegi napięć fazowych, składowej kolejności zerowej

i jednego napięcia międzyfazowego maszyny bezszczotkowej prądu stałego

iA iB iC

A B C

L L L

Rm Rm Rm R R R

eA eB eC

M

S

2 Ud

Ud

uMS

u0

P

N

uAN uBN

iA2 iB2 iC2

2 Ud

uCN

Sposób wyznaczania składowej kolejności zerowej napięcia maszyny bezszczotkowej

23

Dziękuję za uwagę

Stanisław Piróg pirog@agh.edu.pl