Z E SZ Y T Y N A U K O W E P O L IT E C H N IK I Ś LĄ SK IEJ Seria: E L E K T R Y K A z. 192
2004 N r kol. 1634
K rz y szto f K R Y K O W SK I, A leksander B O D O R A Instytut E lektrotechniki T eoretycznej i P rzem ysłow ej
KOMUTATOR ELEKTRONICZNY UMOŻLIWIAJĄCY DWUSTREFOWĄ PRACĘ SILNIKA PMBDC
Streszczen ie. W artykule om ów iono zagadnienia zw iązane z p ra c ą dw ustrefow ą silników bezszczotkow ych prądu stałego (PM B D C ). Przedstaw iono przegląd znanych obecnie m etod uzyskiw ania p rac y dw ustrefow ej silników P M B D C , następnie przedstaw iono altern aty w n ą koncepcję k om utatora o zm iennej strukturze: m ostek/półm ostek. Z apropo
now ano o ry g in aln ą topologię układu kom utatora elektronicznego, um ożliw iającą p rak ty c zn ą realizację takiej koncepcji. O m ów iono zasadę działania układu oraz pokazano w ybrane w yniki badań eksperym entalnych.
ELECTRO N IC C O M M U TA TO R W ITH POSSIBILITY OF TW O ZONE O PER A TIO N OF PM BDC M OTOR
Sum m ary. The issues connected w ith the brushless direct current m otors (PM B D C ) tw o- zone operation are referred in the paper. The survey o f currently k n ow n tw o-zone operation m ethods o f the PM B D C m otor is presented. N ext, the alternative co n cep tio n o f bridge-halfbridge variable com m utator structure is introduced. There is p re se n te d the original topology o f the electronic com m utator, w hich allows~pràctical rea lisa tio n o f the conception. The principle o f the system operation and som e selected ex p erim en tal test results are described too.
1. W P R O W A D Z E N IE
W rozw iązaniach praktycznych spotyka się napędy elektryczne, w których w ym aga się pracy ze zw iększoną p ręd k o śc ią obrotow ą, p rzy czym m om ent obciążenia, je s t m niejszy od m om entu znam ionow ego. T ego typu p raca silnika je s t nazyw ana w literaturze „pracą ze stałą m ocą” [5, 16] i m ożna j ą przedstaw ić ja k o II strefę naturalnej charakterystyki m echanicznej silnika rys. 1.
A by uzyskać pracę ze stałą m ocą, zm niejsza się strum ień m agnetyczny w szczelinie pow ietrznej, odw rotnie proporcjonalnie do prędkości obrotow ej silnika. W przypadku silników prądu przem iennego pracę przy stałej m ocy uzyskuje się podw yższając częstotliw ość napięcia p rzy stałej w artości je g o am plitudy. W przypadku silników w zbudzanych m agnesam i trw ałym i strum ień m agnetyczny je s t stały. Z tego pow odu nie je s t m ożliw a ani regulacja w zbudzenia analogiczna do regulacji w zbudzenia silnika obcow zbudnego D C, ani regulacja w zbudzenia analogiczna do stosow anej w silnikach prądu przem iennego [7, 8].
P , [ W ]
Rys. 1. Charakterystyki mechaniczne silnika a>=fiMe), a =J{PJ Fig. 1. Mechanical characteristics o f electric motor co =J{Me), <o
Z m ian a zak resu prędkości obrotow ej silników elek try czn y ch w iąże się ze zm ian ą ich pręd k o ści bieg u ja ło w eg o . W p rzypadku p rac y dw ustrefow ej, w raz ze zw iększaniem prędkości biegu ja ło w e g o następuje rów noczesne zm niejszanie m om entu elektrom agnetycznego [1, 16].
D la silników p rąd u stałego (w tym także bezszczotkow ych) obow iązuje zależność:
t y * l - N -®
c o
Ud ozn acza w artość n ap ięcia zasilania, 4>s o znacza strum ień m agnetyczny w szczelinie pow ietrznej silnika, N ozn acza liczbę zw o jó w u zw ojenia tw o m ik a przypadających na fazę, nato m iast w spó łczy n n ik ę , zw iązany je s t z k o n fig u ra cją uzw ojeń stojana. W spółczynnik ten, d la silnika trójfazow ego (najczęściej spotykanego w rozw iązaniach praktycznych), w ynosi:
£=1, dla p o łączen ia w gw iazdę, Ł,=\Ń 3, d la p o łączen ia w trójkąt,
^= 1/2, dla struktury unipolarnej (półm ostkow ej).
W spółczynnik c, na ogół nie je s t stosow any w literaturze, przyjęto go, aby uw ydatnić w pływ danych k o n strukcyjnych silnika i sposobu łą czen ia uzw ojeń n a prędkość obrotow ą.
Z zależności (1) w ynika, że teoretycznie, istn ieją cztery sposoby zw iększania zakresu prędkości bieg u ja ło w e g o silników bezszczotkow ych:
• po p rzez zw iększanie n ap ięcia zasilania,
• po p rzez osłabianie strum ienia m agnetycznego w szczelinie pow ietrznej silnika,
• po p rzez zm ianę liczby zw ojów u zw ojenia tw om ika,
• p oprzez zm ianę konfiguracji p ołączeń uzw ojeń tw om ika.
P rzykłady rozw iązań, w których stosuje się osłabianie strum ienia, zm ianę liczby zw ojów oraz zm ianę k onfiguracji p rzedstaw iono w [2, 4, 5, 7, 8, 12-15].
W szystkie znane m etody uzyskiw ania p racy dw ustrefow ej silników bezszczotkow ych w y m ag a ją stosow ania silników o specjalnej konstrukcji obw odów m agnetycznych oraz ro zbudow anych struktur o b w odów zasilających i sterow ania. B rak je s t natom iast opracow ań, które n adaw ałyby się do zasto so w an ia w typow ych silnikach bezszczotkow ych i nie w ym agałyby istotnego zw ięk szan ia liczby zaw orów . S ytuacja ta uzasadnia potrzebę podjęcia tem atu.
Komutator elektroniczny umożliwiający 93
2. K O N C E P C JA Z M IEN N E J S T R U K T U R Y K O M U T A T O R A ELEK TR O N ICZN EG O
P o d staw o w ą stru k tu rą k om utatora elektronicznego je s t struktura mostka (bipolarna), p rzedstaw iona n a rys. 2a. W praktyce spotyka się czasem rów nież strukturę p ó łm o stk a (unipolarną), zaw ierająca tylko trzy zaw ory elektroniczne. Schem at takiej struktury przedstaw iono n a rys. 2b.
Rys. 2a. Silnik PMBDC układzie mostka Fig. 2a. PMBDC motor in bridge system
T< r
Ja
T2 ir-1J qTilr
h
Rys. 2b. Silnik PMBDC w układzie półmostka Fig. 2b. PMBDC motor in halfbridge system
P rzyjm ując m etodę opisu silnika taką, ja k d la silnika obcow zbudnego prądu stałego [6], m ożna zauw ażyć, że zastępczy w spółczynnik w zbudzenia w idziany z zacisków obw odu prądu stałego je s t dla struktury p ó łm ostka dw ukrotnie m niejszy niż dla struktury mostka.
Kjb = 2 • (2)
W ynika to z faktu, że w strukturze półm ostka strum ień w spółpracuje tylko z je d n y m uzw ojeniem aktyw nym , podczas gdy w strukturze m ostka strum ień w spółdziała z dw om a aktyw nym i uzw ojeniam i stojana. W artość SEM indukow anej w tw om iku silnika je s t w ięc w p rzypadku m ostka w iększa od SEM indukow anej w przypadku półm ostka. Jeśli w artość napięcia zasilającego je s t taka sam a dla obydw u przypadków , to aby w zastępczym obw odzie p rąd u stałego w ystąpiła taka sam a całkow ita SEM , silnik w układzie p ó łm ostka pow inien w irow ać z dw ukrotnie w ięk szą prędkością, co opisuje zależność (3).
(00 HB coOB
f B
KjHB U d
=
2
(3)M om ent elektrom agnetyczny silnika zasilanego w układzie półm ostka je s t n atom iast dw ukrotnie m niejszy niż m om ent elektrom agnetyczny silnika pracującego w układzie m ostka.
W ynika to z zależności:
M .eHB
M.
eB^ • -7i = 0 .5 k j b-i z
(4)
Interpretację g raficz n ą p o w yższych rozw ażań stan o w ią charakterystyki m echaniczne o)m=f(M e) oraz silnika p racującego w obydw u strukturach. C harakterystyki te p rzedstaw iono na rys. 3.
to [r a d /s j
H B
Ai r
s J
o DO 1.../ A
s f
/ ✓/ /
/ /
/ ✓ z
✓
i
/ ✓ Ąą, V I
\
/
/ ✓ t o o
/ /
/
M , [Nm ]
M en NIz
Rys. 3. Charakterystyki elektromechaniczne silnika PMBDC pracującego w układzie mostka i półmostka
Fig. 3. Electromechanical characteristics a m=f(IJ o f PMBDC motor working in bridge and half bridge configuration
Przedstaw ione rozw ażan ia stanow iły inspirację do przyjęcia now ej koncepcji zasilania silnika. K oncepcja ta p o leg a na pracy silnika w pierw szej strefie w układzie m ostka i p rzełączaniu kom u tato ra do układu p ó łm ostka dla pracy w drugiej strefie. C harakterystykę m ech a n icz n ą napędu pracującego w edług proponow anej idei p rzedstaw iono na rys. 4.
Ze w zględu na rozkład fazow ych SEM indukow anych w silniku P M B D C , pom iędzy stru k tu rą m ostka i pó łm o stk a za ch o d z ą interakcje, które uniem ożliw iają p o p raw n ą pracę napędu.
Z jaw iska te szerzej m ów iono w [10, 11].
Rys. 4. Przewidywane charakterystyki mechaniczne napędu z komutatorem o przełączanej strukturze Fig. 4. Predicted mechanical characteristics o f drive system with changing structure
Komutator elektroniczny umożliwiający 95
3. N O W A S T R U K T U R A K O M U T A T O R A E L E K T R O N IC Z N E G O
W ynikiem prac analityczno-sym ulacyjnych był p om ysł nowej struktury kom utatora elektronicznego, k tó rą przedstaw iono n a rys. 5. W układzie oprócz struktury m ostka (tranzystory T r T 6) znajduje się zaw ór pełnosterow alny T h łączący punkt gw iazdow y silnika z d odatnim biegunem źró d ła zasilania, dioda D 0i łącząca ujem ny biegun źródła zasilania z punktem gw iazdow ym silnika oraz układ buforujący składający się z diody D0 oraz k o ndensatora C 0, rozm ieszczone ja k na rysunku.
Rys. 5. Schemat proponowanej struktury komutatora elektronicznego Fig. 5. Diagram o f proposed electronic commutator structure
U kład um ożliw ia pracę silnika w strukturze m ostka (łącznik T h je s t w yłączo n y ), co odpow iada pracy w I zakresie prędkości obrotow ej lub w strukturze półm ostka (łąc;znik T h je s t załączony), czem u odpow iada p raca w II strefie.
W czasie pracy w strukturze m ostka zaw ory T r T 6 p racują w taki sposób, ja k w y stęp u je to w k lasycznym układzie m ostkow ym , szczegółow o opisanym np. w [3, 7],
P rzejście układu do p racy w strukturze półm ostka inicjow ane je st poprzez załączenie łącznika T h. W tym czasie dolne zaw ory kom utatora elektronicznego T 2-T 6 pracują ja k o zaw ory głów ne, co oznacza, że p rąd płynący przez nie pow oduje w ytw arzanie m om entu elekrom agnetycznego silnika. Jeżeli tranzystor T h je st załączony, a zaw ory grupy ujem nej z a p ew n ia ją regulację prądu, to w w yniku p rzełączania indukcyjności fazowych stojana i w ystępow ania diod zw rotnych zaw orów grupy dodatniej D r D 3 następuje doładow yw anie kondensatora, a tym sam ym zw iększanie napięcia na nim. Jeżeli natom iast regulację prądu uzyskuje się poprzez im pulsow anie tranzystora T h, to zaw ory grupy ujem nej przełączane są zgodnie z fu n k cją kom utatorow ą, a doładow anie k ondensatora następuje tylko w czasie kom utacji faz.
P raca zaw orów grupy dodatniej zw iązana je s t z utrzym yw aniem zadanego napięcia na kondensatorze. N a rys. 6 przedstaw iono sposób sterow ania zaw oram i kom utatora w czasie p rzełączenia struktury z układu m ostka do układu półm ostka. W chw ili następującej po
zm ianie struktury za w o ry grupy ujem nej p ełn ią funkcję regulacji prądu. D zięki tem u następuje w zrost w artości n ap ięcia na kondensatorze. W artość napięcia pow inna być utrzym yw ana na ta k im poziom ie, aby nie następ o w ał przep ły w p rądu w czasie trw ania aktyw nej półfali SEM o przeciw nej polaryzacji. W praktyce p ow inna ona być ró w n a w przybliżeniu dw ukrotnej w artości n apięcia zasilającego. Po doładow aniu k ondensatora zadanie regulacji prądu przejm uje tran zy sto r Th- W chw ilach gdy napięcie n a kondensatorze p rzek racza w artość zadaną, załączane są o dpow iednie tran zy sto ry grupy dodatniej.
A U rn = A U , A U ,„ > A U .
Rys. 6. Zasada sterowania komutatorem elektronicznym w układzie półmostka Fig. 6. Control principles o f electronic commutator working in half bridge system
4. W E R Y F IK A C JA L A B O R A T O R Y JN A
S chem at u kładu laboratoryjnego przed staw io n o na rys. 7. U kład składał się z silnika bezszczotkow ego typu R T M ct-85-1 p ro dukcji E L K A R - W arszaw a, o m ocy około 300 W.
S ilnik p o siad ał dostępny p u n k t gw iazdow y stojana i był p o łączo n y z kom utatorem o przełączalnej strukturze. B adany napęd był zasilany n apięciem o w artości 24 V z baterii akum ulatorów trakcyjnych o napięciu 24 V i pojem ności 42 Ah. O bciążenie silnika nap ęd o w ego stanow ił silnik k om utatorow y o m ocy 400 W, pracu jący ja k o prądnica.
Rys. 7. Schemat układu laboratoryjnego Fig. 7. Diagram o f laboratory system
Komutator elektroniczny umożliwiający. 97
U kład k om utatora elektronicznego b y ł zbudow any z siedm iu tranzystorów MOSFET typu IR F 2807. D o w yzw alania tranzystorów m ostka zastosow ano typow y sterow nik IR 2130, zaś do w yzw alania dodatkow ego tranzystora T h zastosow ano układ TLP 250. Jako diodę D 0 zastosow ano diodę S h ottky’ego typu: 40C P Q 080. D ioda ta w spółpracow ała z kondensatorem elektrolitycznym typu A L S41A , o pojem ności C = 2200 pF i napięciu znam ionow ym U=100 V.
D o po m iaru prądów fazow ych zastosow ano przetw orniki prądow e LE M oraz dwa m ostki prostow nicze. D zięki takiem u rozw iązaniu uzyskano dw a rozdzielone sygnały proporcjonalne do sum y prądów , polaryzacji dodatniej 1+ oraz polaryzacji ujem nej I-.
W czasie pracy w strukturze m o stk a n a po trzeb y sterow ania korzystano z sygnału p rąd u p o laryzacji ujem nej, natom iast w czasie p racy w strukturze półm ostka korzystano z obu tych sygnałów . U kład po m iaru napięcia składał się z przetw ornika napięcia LEM , przy czym w ielk o ścią m ierzo n ą by ła różnica pom iędzy napięciem n a kondensatorze C0 a napięciem zasilającym U d.
S ygnały proporcjonalne do prądów fazow ych, ja k rów nież sygnał proporcjonalny do napięcia m ierzonego podaw ano na w ejścia k om paratorów analogow ych LM 393 pracujących w układzie z histerezą.
A : 2 0 . 0 m V
® : 4 . 3 8 V A : 1 7 . 4 m s
®: 37.1 ms
2 4 sep 2 0 0 3 0 3 : 4 6 : 4 0 Rys. 8. Przebiegi prądów fazowych silnika i napięcia na kondensatorze, zmierzone
w czasie przejścia układu ze struktury mostka do struktury półmostka Fig. 8. Measured waveforms o f motor phase currents and capacitor voltage during
bridge to half bridge reconfiguration o f the test motor 11»^ 3 3 . 4 8 0 0 m s C PreV u
■ p r z e ł ą c z e n i e s t r u k t u r y
Ucd=24V
Uc0=48V
U kład stero w an ia kom u tato rem elektronicznym zbudow ano opierając się n a sterow niku m ik ro p ro ceso ro w y m typu: Z D -3048F . R dzeń tego sterow nika m ikroprocesorow ego zaw iera m ik ro k o n tro ler H itachi H 8/3048F . O prócz w ew nętrznych zasobów m ikrokontrolera sterow nik je s t w yposażony w układ m on ito ra pozw alający na w spółpracę z kom puterem . Isto tn ą cech ą sterow nika je s t fakt, że w yśw ietlacz LC D , klaw iatura oraz sygnały z portó w PA i PB zostały sprzężone z m ik ro k o n tro lerem p o p rze z m atryce program ow alne ispL S I 1016E firm y Lattice.
D zięki tem u do je d n e g o z tych układów zaim plem entow any został algorytm sterow ania k om utatorem elektronicznym , a je d n o cz eśn ie w ykorzystano m ożliw ości sterow nika m ik ro p ro cesorow ego do nad zo ro w an ia i m onitorow ania p racy napędu.
R y su n ek 8 ilustruje zjaw iska zachodzące w czasie p rzełączenia struktury z układu m ostka do układu półm ostka. N a rysu n k u je s t w idoczny przed ział p racy silnika w układzie m ostka.
W chw ili, kiedy następuje p rzełączen ie struktury, w idoczny je s t stan przejściow y, w czasie którego następuje przep ły w p rąd u w obw odzie diody zw rotnej tranzystora T 5 oraz ko n d en sato ra C 0. N astępnie układ przechodzi do pracy z załączonym tranzystorem T h.
W idoczny je s t w ty m p rzed ziale p rzyrost n apięcia na kondensatorze C 0. O d chw ili, kiedy n apięcie na kondensatorze C 0 osiąga u sta lo n ą w artość UCo=48 V , układ p rzechodzi do pracy z p rzełączającym tranzystorem T h. W p rzebiegach prądów fazow ych w idoczne są przedziały, w których następuje przepływ p rąd ó w p o laryzacji dodatniej. N astępuje w tedy załączanie o dpow iednich tran zy sto ró w grupy dodatniej, dzięki czem u napięcie na k o n densatorze C 0, utrzym yw ane je s t n a stałym poziom ie.
N a rysu n k u 9 w ykreślono charakterystyki m echaniczne analizow anego napędu dla pracy w u k ładzie m ostka i półm ostka. C harakterystyki te p om ierzono p rzy ograniczeniu prądow ym na p oziom ie p rąd u znam ionow ego silnika.
Rys. 9. Wyznaczona charakterystyka mechaniczna proponowanego napędu Fig. 9. Measured electromechanical characteristics o f proposed drive system
Komutator elektroniczny umożliwiający 99
5. P O D S U M O W A N IE I W N IO SK I K O Ń C O W E
Z nane obecnie układy um ożliw iające pracę dw ustrefow ą silników PM B D C mają w iele niekorzystnych cech, które m o g ą ograniczać m ożliw ości ich aplikacji.
Istotne uproszczenie struktur obw odów głów nych kom utatora uzyska się stosując k om utator o przełączalnej strukturze m ostek-półm ostek. Struktura ta wykorzystuje fakt, że strum ień skojarzony z uzw ojeniam i czynnym i przy p racy z kom utatorem w układzie półm ostka je s t w p rzybliżeniu dw ukrotnie m niejszy n iż p rzy p racy z kom utatorem w układzie mostka.
N iekorzystne zjaw iska p rzy pracy w zakresie ujem nych w artości SEM uniem ożliw iają bezpośrednie przełączanie kom utatora z układu o strukturze m ostka do układu o strukturze półm ostka.
Z astosow anie trzech dodatkow ych zaw orów oraz kondensatora buforującego połączonych zgodnie z su g e stią autorów um ożliw ia płynne przechodzenie od struktury m ostka do półm ostka i odw rotnie oraz w istotny sposób ogranicza zakłócenia w ystępujące przy zmianie struktury z m ostka na półm ostek.
B adania laboratoryjne potw ierdziły słuszność obranej koncepcji.
O pracow ana struktura nie pow oduje pogorszenia w łaściw ości silnika pracującego z kom utatorem o strukturze m ostka.
O pracow any układ nie w ym aga użycia dodatkow ych elem entów reaktancyjnych.
U zyskane w yniki u p o w ażn iają do stw ierdzenia, że p odjęty tem at zm ieniającej się struktury kom utatora elektronicznego je s t tem atem przyszłościow ym , przew iduje się prow adzenie dalszych badań na ten tem at
LIT E R A T U R A
1. Bisztyga. K.: Sterowanie i regulacja silników elektrycznych, WNT, Warszawa 1989.
2. Cros J., Paynot C., Figueroa J., Viarouge P.: Multi-Star PM brushless IDC motor for traction applications, 10th European Conference on Power Electronics ancd Applications, Toulouse, 2-4 September 2003.
3. Dote Y., Kinoshita S.: Brushless Servomotors. Fundamentals and applications, Oxfoird 1990.
4. Fręchowicz A.: Regulacja kondensatorowa prędkości obrotowej silnika bezszczmtkowego prądu stałego, Zeszyty Problemowe BOBRME Kornel, Maszyny Elektryczne, nr 66, 2003.
5. Glinka T., Fręchowicz A.: Brushless DC Motor Operating in Constant Power Range:.
6. Glinka T.: Mikromaszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi, Podręczmik akademicki.
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1995.
7. Hendershot J.R., Miller T.J.E.: Design o f brushless permanent magnet motors, Magna physics publishing and Clarendon Press, Oxford 1994.
8. Kaczmarek T., Zawirski K.: Układy napędowe z silnikiem synchronicznym, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000.
9. KrishnanK.:ElectricMotor Drives, Modeling, Analysis and Control, Prentice Hall, New Jersey 2001.
10. Krykowski K., Bodora A.: Dwustrefową praca silników bezszczotkowych PM BLDC, VI Krajowa Konferencja, SENE’2003, Łódź, listopad 2003.
11. Krykowski K., Bodora A., Hetmańczyk.J.: Możliwości pracy dwustrefowej silników PM BLDC, Podstawowe Problemy Energoelektroniki i Elektromechaniki PPEE’03, Wisła, 7-10 grudzień 2003.
12. Nipp, E.: Alternative to field-weakening o f surface-mounted permanent-magnet motors fo r variable- speeddrives, Industry Applications Conference, Thirtieth IAS Annual Meeting, IAS '95, Conference Record o f the 1995 IEEE, Vol. 1, 8-12 October 1995.
13. Nipp. E., Norberg E.: On the feasibility o f switched stator windings in permanent magnet motors fo r traction drives, Railroad Conference, Proceedings o f the 1998 ASME/IEEE, 15-16 April 1998.
14. Patterson D.J., Spee R.: The Design, and Development o f an Axial Flux Permanent Magnet Brushless D C Motor fo r Wheel Drive in Solar Powered Vehicle, Proceedings IEEE IAS’94.
15. Patterson D.J.: Recent Advances in the Design and Construction o f Axial Flux Permanent Magnet Machines, IEEE IAS’95.
16. Slemon, G.R.: Achieving a constant power speed range fo r PM drives, Industry Applications, IEEE Transactions, Vol. 31, Issue 2, March/April 1995.
R ecenzent: Prof. dr hab. inz. W lodzim ierz K oczara
W ptyn^lo do R edakcji: 26 m aja 2004 r.
