Maszyna bezszczotkowa o magnesach trwałych

1

Studia Podyplomowe

EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

w ramach projektu

Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji Zarządzania Energią

Maszyna bezszczotkowa o magnesach trwałych

BLDCPM

Prof. dr hab. inż. Stanisław Piróg

Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH tel. 012 617 39 43

pirog@agh.edu.pl

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)

Napęd z trójfazową maszyną bezszczotkową o magnesach trwałych

S1 D1 S3 D3 S5 D5

S4 D4 S6 D6 S2 D2

C uCu

k k_ii_F

RbF CF

R1F

R2F

A B C

uC

t

t

t

t

t

t

t

t

t

PB PA S1 

PB PA S4 

PC PB S3 

PC PB S6 

PA PC S5 

AP PC S2  PA

PB

PC a)

b)

a) Impulsy czujnika płożenia wirnika,

b) Przedziały czasu, w których impulsowane są poszczególne łączniki trójfazowego falownika napięcia kształtującego przebiegi prądów bezszczotkowej maszyny prądu stałego

e_A

e_B

eC

t

t

t 3

2

i_A

i_B

i_C

U_m I_d

p = pA+pB+pC = 2IdUm = P

S1S6 S1S2

S1S6 S2S3 S3S4 S2S3 S3S4 S5S6 S1S2

S3S4 S4S5 S6S1 S1S2

S4S5 S5S6 S3S5 S5S6

S3S4 S3S5

S5S6 S6S1

S1S2 S2S3 S1S6 S2S3 S5S6 S1S2

P = 2U_mI_d

SAW S4

KS

A B C

PC

B

PA PB

SA SB SC

SP SN C_d

d iI k

k_uu_d

KSI



+ - RbF

K*Abs(x) u_C

BLPMDCM S1 S3 S5

S4 S6 S2 kiiF

SA SB SC

Schemat napędu z trójfazową bezszczotkową maszyną o magnesach trwałych i falownikiem napięcia (wraz z układem sterowania)

 kf

w2

Reg

P, PI

kiIdref  ^kiId

k_ii w1

RegI_d

P, PI

kuud

k_

S1 S2

Abs(x)

dref i I k

d i I k

KS KSI -

+ +

- k__ref

MINU_Soff

k_uCU_C w3

LimU_C

kuCUC

u1 u2

Schemat blokowy układu regulacji prędkości jednokierunkowego napędu z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego

10 ms

i_A

100 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

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

R R R 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

Przekształtnik energoelektroniczny

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

Idref

i_A i_B

i_C

SC

Bl.

N Ud

SA SB

NA NB NC

SA SB SC

SP

SN

Cd

Id

kiId

Id Ld

LA

LB

LC Uf =500V

fi=5kHz

LFA LFB LFC

Przebiegi napięć i prądów maszyny

2 ms 6 ms 10 ms 14 ms 18 ms 0

0

i_A

1

u_A

iref

S_A

Modulacja unipolarna w falowniku bezszczotkowej maszyny prądu stałego

A B

D1 S1 D3 S3

Ud

P

N

a) b)

D4 S4 D6 S6

2Uf

2Lf

A B

D1 S1 D3 S3

Ud

P

N

D4 S4 D6 S6

2Uf

2Lf

1

0

0

1

1 1

Praca silnikowa – stan P1

A B

D1 S1 D3 S3

Ud

P

N

a) b)

D4 S4 D6 S6

2Uf

2Lf

A B

D1 S1 D3 S3

Ud

P

N

D4 S4 D6 S6

2Uf

2Lf

0

1

1

0

1 1

Praca generatorowa – stan P1

Zależności czasowe w układzie sterowania falownikiem silnika bezszczotkowego SA

SB SC S1P

S2P

S3P

S4P

S5P

S6P

t t t t t t t t t P1 P2 P3 P4 P5 P6 P1

Impulsy PWM – silnik, Przewodzenie ciągłe – silnik, Zanegowane impulsy PWM – hamowanie Prąd fazy

SC SA

P1 

SC SB

P2 

SB SA

P3 

SC SA

P4 

SC SB

P5 

SB SA

P6 

K P P K P

S1_P  1  2 4 K P P K P

S4_P  4  5 1 K P P K P

S3_P  3  4 6 K P P K P

S6_P  6  1 3 K P P K P

S5_P  5  6 2 K P P K P

S2_P  2  3 5

T6 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T1

Wirowanie w prawo (P)

S1 T1 S3 T3 S5 T5

S4 T4 S6 T6 S2 T2

A B C

UA

UB

UC

t

t

t

Pomiar prądu:

SAiA

SBiB

SCiC

UA

SA

UB

UC

SB SC

UA  SA UB  SB

UC  SC UA

SA

UB UC

SB SC

UA  SB UB  SC UC  SA

„P” „L”

a) b)

uC

uA

uB

SB SC SA

uC

uA

uB SA

SB SC

Zmiana kierunku silnika bezszczotkowego

Przyporządkowanie impulsów z czujnika położenia wirnika

SA SB SC S1_P S2P

S3P

S4P

S5P

S6P

t t t t t t t t t P1 P2 P3 P4 P5 P6 P1

Impulsy PWM – silnik, Przewodzenie ciągłe – silnik, Zanegowane impulsy PWM – hamowanie Prąd fazy

SC SA P1 

SC SB P2 

SB SA P3 

SC SA P4 

SC SB P5 

SB SA P6 

K P P K P

S1_P  1  2 4 K P P K P

S4_P  4  5 1 K P P K P

S3_P  3  4 6 K P P K P

S6_P  6  1 3 K P P K P

S5_P  5  6 2 K P P K P

S2_P  2  3 5

T6 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T1

Wirowanie w prawo (P) S1 T1 S3 T3 S5 T5

S4 T4 S6 T6 S2 T2

A B C

UA

UB

UC

t

t

t

Pomiar prądu:

SAiA

SBiB

SCiC

Zależności czasowe w układzie sterowania falownikiem silnika bezszczotkowego (wirowanie w prawo)

SB SC SA

S5P

S 6P

S1P

S 2P

S3P

S 4P

P3 P2 P1 P6 P5 P4 P3 P2 P1 SC

SA P1 

SC SB P2 

SB SA P3 

SC SA P4 

SC SB P5 

SB SA P6 

P P K P P K S P

S4  1  2 4  1

P P K P P K S P

S1  4  5 1  4

P P K P P K S P

S6  3  4 6  3

P P K P P K S P

S3  6  1 3  6

P P K P P K S P

S2  5  6 2  5

P P K P P K S P

S5  2  3 5  2 t t t t t t t t t

Impulsy PWM – silnik, Przewodzenie ciągłe – silnik, Zanegowane impulsy PWM – hamowanie Prąd fazy

Wirowanie w lewo  ^P

T5 T4 T3 T2 T1 T5 T4 T6 T5 T4 T3 T2 T6 T6

S4 T1 S6 T3 S2 T5

S1 T4 S3 T6 S5 T2

A B C

UA

U_B

UC

t

t

t

Pomiar prądu:

SAiC

SBiA

SCiB

. Zależności czasowe w układzie sterowania falownikiem silnika bezszczotkowego (wirowanie w lewo bez zmiany uporządkowania impulsów z czujnika położenia wirnika)

 kf

w2

Reg

P, PI

kiIdref  ^kiId

kii w1

RegI_d

P, PI

k_

S1 S2

KS -

+ +

- k_ref

k_ii_eq K0 L

MUL

z z = +1 dla P =1 z = –1 dla P =0

P S

Struktura układu dwukierunkowej regulacji prędkości silnika bezszczotkowego zasilanego poprzez trójfazowy falownik napięcia z modulacją unipolarną

X

X

X



kiiA

sa^’ kiiB

sb^’ k_ii_C sc^’

k_ii_eq

Struktura pomiaru zastępczego prądu stałego dla silnika bezszczotkowego w napędzie dwukierunkowym

P S P S

S1' 1  4 P S P S

S2' 2  5 P S P S

S3' 3  6 P S P S

S4' 4  1 P S P S

S5' 5  2 P S P S

S6' 6  3

P SB P SA

SA'    P SC P SB

SB'    P SA P SC

SC'   

Logiczny sygnał P powoduje przełączenie struktury logicznej adresowania sygnałów zgodnie z zależnościami:

i sygnałów ustalających znak ekwiwalentnego prądu stałego:











 











 











 

0 ' 1

1 ' 1

0 ' 1

1 ' 1

0 ' 1

1 ' 1

' ' '

SC sc SC

SB sb SB

SA sa SA

S1 S2 S3 S4 S5 S6 SA SB SC

GENERATOR SILNIK

iA

iB

iC

id

S1 S2 S3 S4 S5 S6 SA SB SC

GENERATOR SILNIK

iA

iB

iC

id

a) b)

Przebiegi impulsów bramkowych łączników (S1÷S6), impulsów czujnika położenia wirnika (SA, SB, SC) oraz przebiegi prądów faz silnika i prądu zastępczego dla pracy silnikowej i hamowania

dla wirowania w prawo (a) i w lewo (b)

SA

SB

SC

t

t

t

tA1 tA2 tA3 tA4 tA5

tB1 tB2 tB3 tB4 tB5

tC1 tC2 tC3 tC4 tC5

Jeden obrót

GA

GB

GC

Zasada pomiaru prędkości wirowania bezszczotkowej maszyny jednobiegunowej

 n Fn Fn F

nF t t T

f 1 1

1

 





SA

SB

SC

t

t

t

tA1 tA2 tA3 tA4 tA5

tB1 tB2 tB3 tB4 tB5

tC1 tC2 tC3 tC4 t_C5 Jeden obrót

Zasada pomiaru prędkości wirowania bezszczotkowej maszyny dwubiegunowej

n  Fn  F n Fn Fn F

nF t t t t T

f 1 1

1 2

3

 



 





