Prednáška č.2
BLDC motory a SMPM
Elektrické pohony
mechatronických systémov
2014/2015
Prednáška 2 – Základné pojmy
EPMS
Základné pojmy
PM
- Permanentný magnet
BLDC
– Brushless DC Motor (Bezkefový jednosmerný motor)
SMPM
– Synchrónny motor s permanentnými magnetmi
LS - SMPM
– Line-start SMPM (SMPM s možnosťou štartovania
zo siete)
– Electromotive force (Napätie indukované na kotve od
pohybu magnetického poľa budenia)
EMF
2
Prednáška 2 – Permanentné magnety
EPMS
Permanentné magnety
• Nahrádzajú budiace vinutie jednosmerných strojov
• Najpoužívanejšie materiály PM sú:
▫
▫
▫
▫
Alnico – zliatina: hliník, nikel, kobalt, železo
Ferity - báriové, stronciové, olovené
NdFeB – neodým-železo-bór
SmCo – samárium-kobalt
3
Prednáška 2 – Permanentné magnety
EPMS
Najdôležitejšie parametre PM
Parameter
Jednotka
Popis
Remanentná magnetická indukcia. Vyjadruje, aká by bola hustota magnetických
siločiar v materiáli pri nulovej intenzite poľa.
Koercitívna sila. Vyjadruje intenzitu magnetického poľa potrebnú na úplnú
demagnetizáciu PM.
Energetický súčin (merná energia magnetu, akostný činiteľ). Vyjadruje
výkonnosť materiálu ako PM a jeho úžitkové vlastnosti.
Maximálna pracovná teplota permanentného magnetu, pri ktorej nedochádza
k strate magnetických vlastností materiálu.
Curieho teplota, pri ktorej prichádza k úplnej demagnetizácii permanentného
magnetu.
Tepelná vodivosť charakterizuje schopnosť materiálu odvádzať teplo.
Merná elektrická rezistivita materiálu. Pri nízkej rezistivite sa v materiáli
indukujú nežiaduce vírivé prúdy.
-
Relatívna magnetická permeabilita. Ovplyvňuje magnetickú vodivosť materiálu
permanentného magnetu.
4
Prednáška 2 – Permanentné magnety
EPMS
Porovnanie vlastností PM
• Alnico
▫ Vysoká Br – malá plocha pólov
▫ Nízka Hc - ľahko sa demagnetizujú
▫ Už sa nepoužívajú – nelineárna BH
• Ferity
▫ Najlacnejšie na trhu
▫ Široké využitie
▫ Slabé magnetické vlastnosti
• SmCo
▫ Vysoká Br a Hc
▫ Sú drahé
• NdFeB
▫ Najlepšie magnetické vlastnosti
▫ Tepelne nestále (max do 100 °C)
▫ Korodujú, sú vodivé, majú nízku λ
BH demagnetizačné krivky pre rôzne
materiály PM
5
Prednáška 2 – DC motory s PM
EPMS
Konštrukcia motorov s budením od PM
Výhody:
• Konštrukcia je analogická s
komutátorovým DC motorom
• Namiesto budiaceho vinutia je
magnetický tok v stroji vytvorený PM
• Netreba zdroj pre napájanie budenia
• Neexistujú žiadne straty v budiacom
vinutí
• Pravdepodobnosť poruchy je nižšia
Nevýhody:
•
•
•
•
Nemožnosť regulácie a vypnutia budenia
Stála prítomnosť komutátora
Tepelná nestálosť PM
Riziko demagnetizácie PM vplyvom
reakcie kotvy pri preťažení stroja
6
Prednáška 2 – DC motory s PM
EPMS
Princíp činnosti motorov s budením od
PM
1.
Na kotvu sa privedie jednosmerné
napätie
2.
Cez vinutie kotvy začne pretekať
skratový (záberný) prúd, ktorý prinúti
rotor natáčať sa súhlasne s poľom
budenia
3.
Postupným zvyšovaním otáčok sa
zvyšuje spätné indukované napätie Ui
od PM na kotve
4.
Čím vyššie je Ui, tým menší je rozdiel
napätia medzi zdrojom a motorom,
vďaka čomu prechádza motorom čoraz
menší prúd
5.
Otáčky a odoberaný prúd sa ustália v
závislosti na záťaži motora
7
Prednáška 2 – BLDC motory
EPMS
Konštrukcia BLDC motorov
BLDC motor = Brushless DC motor = Bezkefový JS motor
Využívaju tzv. inverznú konštrukciu
(PM sú na rotore a vinutie kotvy je na statore)
Výhoda:
Odstránenie mechanického komutátora
z konštrukcie
Nevýhoda:
Potreba elektronickej komutácie
(Prepínanie cievok vinutia kotvy musí byť
zabezpečené externým elektronickým
meničom)
8
Prednáška 2 – BLDC motory
EPMS
Napájanie BLDC motorov
Na napájanie sa používajú jednoduché
BLDC invertory (striedače)
Výhody:
• Vždy sú napájané len 2 fázy vinutia
• Nízke straty a jednoduchá
konštrukcia meniča
• Jednoduchá regulácia otáčok
pomocou napájacieho napätia U
• Stačí aj menej presný snímač polohy
rotora
• Silný záberový moment motora
Nevýhody:
• Veľké zvlnenie momentu stroja
Lichobežníkový tvar napájacieho
napätia pre BLDC motory
BLCD inverter
9
Prednáška 2 – BLDC motory
EPMS
Riadenie BLDC motorov
Riadenie BLDC motora pomocou invertora s Hallovým
snímačom polohy rotora
• Hallova sonda sníma magnetické polia od PM
• Riadiaca jednotka sníma polohu rotora a riadi invertor
• Veľkosť riadiaceho napätia je regulovaná pomocou PWM modulácie
10
Prednáška 2 – BLDC motory
EPMS
Bezsnímačové riadenie BLDC motorov
• Na vyhodnotenie pozície rotora sa používa snímanie prechodov
indukovaného EMF nulou
• Fázovú korekciu EMF oproti riadiacemu signálu vykonáva mikroprocesor
• Pri rozbehu a malých rýchlostiach sa motor spúšťa v otvorenej slučke
(EMF je príliš malé pri nízkych otáčkach)
• Riadenie nepotrebuje Hallov senzor -> pužitie najmä v prašných prostrediach
11
Prednáška 2 – BLDC motory
EPMS
Prevádzkové charakteristiky BLDC motorov
BLDC motor = Brushless DC motor = Bezkefový JS motor
Prevádzkové charakteristiky sú podobné JS motoru s cudzím konštantným
budením
12
Prednáška 2 – SMPM
EPMS
Synchrónne motory s permanentnými
magnetmi (SMPM)
• majú podobnú konštrukciu ako BLDC motory
• na rozdiel od BLDC motorov má EMF sínusový tvar
• napájané sú striedavým sínusovým napätím generovaným z frekvenčného meniča
• frekvencia spínania vstupného napätia nezávisí na polohe rotora, ale je pevne daná
meničom -> otáčky sú vždy synchrónne
EMF pre BLDC motor
EMF pre SMPM
13
Prednáška 2 – SMPM
EPMS
Synchrónne motory s permanentnými
magnetmi (SMPM)
Rozdielny priebeh EMF sa dosahuje najmä zmenami v konštrukcii:
• BLDC motory majú väčšinou väčší koeficient pólového krytia rotora αpk,
vďaka čomu sa na cievkach statora indukuje trapézovité napätie
• BLDC motory majú menší počet drážok so širšími zubmi a koncentrickými
vinutiami
• Režim práce stroja však závisí v prvom rade na zvolenom napájaní
BLDC motor
SMPM
14
Prednáška 2 – SMPM
EPMS
Prevádzkové charakteristiky SMPM
•
•
•
•
Otáčky sú dané frekvenciou napájacieho napätia
Motor dokáže produkovať nominálny moment v celom rozsahu otáčok
Po prekročení nominálnej rýchlosti dochádza k poklesu momentu
Po prekročení maximálneho momentu by motor bez riadenia vypadol zo
synchronizmu
15
Prednáška 2 – LS-SMPM
EPMS
LS--SMPM
LS
Line start SMPM – synchrónne motory s PM schopné štartu zo siete
• Kombinujú vysokú
účinnosť SMPM a
asynchrónny rozbeh IM
• Medzi PM na rotore sa
vloží rozbehová klietka,
ktorá slúži zároveň ako
amortizér
• Návrh motora je náročný,
asynchrónny moment
klietky musí pri rozbehu
prekonať brzdný moment
od PM
16
Prednáška 2 – BLDC a SMPM motory
EPMS
Zvlneni
vlnenie
e momentu BLDC a SMPM motorov
Príčiny zvlnenia momentu:
Tvar napájacieho napätia
Reluktančný moment od PM spôsobený
drážkovaním statora
Dôsledok: Zvlnený výstupný moment, trhaný beh a hluk motora
17
Prednáška 2 – BLDC a SMPM motory
EPMS
Možnosti redukcie zvlnenia momentu
Optimalizácia tvaru PM:
Povrchovo uložené
Zabudované v rotore
Obvodovo uložené
Radiálne uložené
• Zošikmenie hrán PM,
alebo drážok statora
• Asymetrické
rozloženie PM
Použitie statora s väčším počtom
drážok, vinutia so skráteným
krokom, zlomkového vinutia, atď.
18
Prednáška 2 – BLDC a SMPM motory
EPMS
Demagnetizácia PM
Demagnetizácia PM môže byť spôsobená:
1. Silným magnetickým poľom reakcie kotvy
pri preťaženiach a skratoch.
Riešenie:
• správny návrh magnetického obvodu motora
(magnetostatické FEM analýzy)
• zväčšenie vzduchovej medzery, zapustenie
magnetov do feromagnetického rotora
2. Teplotnou demagnetizáciou PM
Riešenie:
• správny návrh ventilácie a chladenia motora
(termálne FEM analýzy, tepelné siete, atď.)
• kontrola teploty motora
19
Prednáška 2 – BLDC a SMPM motory
EPMS
Porovnanie vlastností BLDC a SMPM motorov
BLDC motor
SMPM motor
Tvar EMF
lichobežníkový
sínusový
Tvar napájacieho U
lichobežníkový
sínusový
Konštrukcia
jednoduchšia
zložitejšia (?)
Otáčky *
závislé na zaťažení
synchrónne
Snímač polohy rotora
jednoduchý Hallov senzor
presný
Riadiaci algoritmus
jednoduchý
komplikovanejší
Frekvenčný menič
jednoduchý invertor
PWM alebo kaskádny
menič
Zvlnenie momentu
veľké
malé
* Predpokladáme motor riadený v otvorenej slučke
20
Prednáška 2 – Dynamický model BLDC motora
EPMS
Dynamický model BLDC motora
Vychádza z modelu JM s cudzím konštantným budením.
PM ≈ cudzie konštantné budenie ->
Konštrukčná konštanta:
Napäťová rovnica kotvy:
Indukované napätie na kotve:
Mechanický moment motora:
Dynamický moment:
Pohybová rovnica:
21
Prednáška 2 – Dynamický model SMPM
EPMS
Dynamický model SMPM
Dvojpólový SM s trojfázovým statorovým vinutím
Osi magnetických polí vinutí:
a,b,c
Mechanický uhol natočenia rotora:
Elektrický uhol natočenia rotora:
Uhlové rýchlosti:
22
Prednáška 2 – Dynamický model SMPM
EPMS
Z pohľadu statora sa pri rotácii rotora s vyjadrenými pólmi menia
magnetické väzby medzi cievkami statorového vinutia. Preto je potrebné
transformovať celý systém motora do rotorového systému rovníc.
3-fázový súradnicový systém
statorových vinutí: (a,b,c)
Clarkova transformácia
2-fázový súradnicový systém
statora: (α,β)
Parkova transformácia
Súradnicový systém rotora: (d,q)
23
Prednáška 2 – Dynamický model SMPM
EPMS
Dynamický model SMPM:
Obvod rotora s PM:
q – momentotvorná os
d – magnetizačná os
Napäťové rovnice statora:
Moment motora:
Magnetické toky:
Pohybová rovnica:
24
Prednáška 2 – Momentová charakteristika SMPM
EPMS
Momentová charakteristika SMPM
δ - záťažný uhol – je to uhol medzi vektorom statorového magnetického
toku a rotorového magnetického toku
Výsledný moment motora s
vyjadrenými pólmi rotora je súčtom
reluktančného momentu Mrel
a synchrónneho momentu Msyn.
Maximálny moment motora s
hladkým rotorom je zvyčajne
pri δ = 90°
25
Prednáška 2 – Regulácia otáčok SMPM
EPMS
Regulácia otáčok SMPM
Vektorové riadenie SMPM
Snaha dosiahnuť maximálny moment (výkon) motora pri minimálnom
prúde statora:
Riešenie: Pomocou frekvenčného meniča
sa maximalizuje prúd v momentotvornej
q-osi a minimalizuje prúdu v
magnetizačnej q-osi.
26
Prednáška 2 – BLDC a SMPM motory
27
Trakčné SMPM
Oxford
YASATM
Motors
Disková konštrukcia
(Yokeless and segmented armature)
Verzia z roku 2013:
•
•
•
•
•
•
•
SMC statorové bloky (B>1,8 T)
Koncentrické cievky
Mn = 400 Nm, Mmax = 800 Nm
Pn = 75 kW, Pmax = 200 kW
nmax = 4000 rpm
Účinnosť > 95 %
Váha 27 kg, objem 7 litrov
27
Prednáška 2 – BLDC a SMPM motory
EPMS
Použitie BLDC a SMPM v moderných
pohonoch
Servomotory Siemens 1FK7
Elektrické motory
hybridných vozidiel
28
Prednáška 2 – BLDC a SMPM motory
29
Generátory
Generátory vo veterných turbínach
Alternátory s PM na rotore
Výhoda: Nemajú straty v budiacom vinutí, zberacie krúžky, napájanie budenia
Nevýhoda: Výstupné napätie je závislé na otáčkach a nedá sa priamo regulovať
29
Download

PR2 BLDC motory a SMPM