(t) +

Zrozumieć zasadę działania napędu i sterowania?
laczego samochód elektryczny jest wciąż domeną przyszłości?
Pojazd elektryczny
Wejście
sterujące
Silnik
(jego masa)
Straty
Wyjście –moc
użyteczna
Energia
(Masa źródła?)
Pojazd hybrydowy
Jaki silnik i układ napędowy?????
1

Podstawowe elementy układu napędowego mające wpływ na
konstrukcję układu napędowego o regulowanej prędkości:
Konstrukcja silnika - mamy do wyboru silniki :
• „prądu stałego” –(komutatorowe),
• „prądu przemiennego” (indukcyjne)
• silnik bezszczotkowy silnik prądu stałego „Brushless BLDC”
• lub „bezszczotkowy synchroniczny” (prąd sinusoidalny)
Przekształtniki energoelektroniczne: np.
• o komutacji zewnętrznej („sieciowej”)
• o komutacji własnej
Układy sterowania :
• analogowe
• cyfrowe
Poznajemy właściwości opisane równaniami bez wchodzenia w szczegóły budowy – silnik jako „blok”.
2

Napęd komutatorową maszyną prądu stałego
PE
M
Regulacja prędkości - należy dobrze znać charakterystyki
maszyny i jej zasadę działania ??
Właściwości silnika zasilanego z przekształtnika????
Cechy eksploatacyjne maszyny? i układu?
3

„Pole radialne”
Komutatorowy
Silnik „prądu stałego”
Maszyna synchroniczna
wirujące pole radialne i
wirujący wirnik
Napęd prądu
stałego (DC)
Maszyna obcowzbudna –pole nieruchome – wirujący
twornik DC – przełączanie prądu przez komutator tak
aby przewodnik z prądem był w odpowiednim
miejscu dla wytworzenia momentu napędowego 4

Uproszczony schemat zastępczy komutatorowego
obcowzbudnego silnika prądu stałego
F1
A1
A2
F2
Twornik (Wirnik) cylindryczny
5

Model matematyczny silnika obcowzbudnego prądu stałego
„podejście od strony użytkownika”
Zasada działania silnika obcowzbudnego
I A (t)
L A , R A , J A
T d (t)
(t)
T L (t)
J L
U A (t)
Strumień Ψ F (t)
I F (t)
U F (t)
Ψ A t
Maszyna
robocza
(Load)
Ψ F t
= C F I F t strumień wzbudzenia
Ψ A t
= C A Ψ F t strumień „wchodzący w twornik
Ψ A t
= C A C F I F t
T d = T e – moment elektromagnetyczny maszyny
6

A1
A2
Silnik obcowzbudny – Równania podstawowe
oparte na zasadzie działania maszyny
E A (t) = (t) Ψ A (t)
T d (t) = I A (t) Ψ A (t)
Silnik obcowzbudny
7

Model matematyczny silnika obcowzbudnego prądu stałego
„podejście od strony użytkownika”
Zasada działania silnika obcowzbudnego
i A (t)
L A , R A , J A
T d (t)
(t)
T L (t)
J L
Położenie
szczotek
niewłaściwe
pole Ψ F
U A (t)
I F (t)
U f (t)
α
Ψ A
MR
Prąd twornika w przestrzeni jest
nieoptymalny – moment jest zredukowany
proporcjonalnie do sinα
Ψ A t
= C A Ψ F t sinα
Normalnie α = (/2)
sinα = 1
8

Odpowiedź
Dane maszyny?
Wejście
i A (t)
X 11 X 12 X 13 X 14 X 15
u F (t)
i F (t)
X 21 X 22 X 23 X 24 X 25
u A (t)
T d (t)
(t)
e a (t)
=
X 31 X 32 X 33 X 34 X 35
X 41 X 42 X 43 X 44 X 45
X 51 X 52 X 53 X 54 X 55
*
T L (t)
H ain (t)
T aou (t)
X 61 X 62 X 63 X 64 X 65
T ain (t)
9

A1
A2
Silnik obcowzbudny – Równania podstawowe
oparte na zasadzie działania maszyny
E A (t) = (t) Ψ A (t)
T d (t) = I A (t) Ψ A (t)
Silnik obcowzbudny
(t) = m (t)
10

A1
DC maszyna
obcowzbudna
komutatorowa
A2
Podstawowe równania obcowzbudnego silnika prądu stałego
U A (t) = E A (t) + R A I A (t) + L A [dI A (t)/dt)]
E A (t) = (t) Ψ A (t)
U A (t) = (t) Ψ A (t) + R A I A (t) + L A [dI A (t)/dt)]
(t) = [U A (t)/Ψ A (t)] - [R A I A (t) / Ψ A (t)]- L A [dI A (t)/dt)] / Ψ A (t)
T d (t) = I A (t) Ψ A (t) = - T L (t) + (J A +J L )d/dt
I A (t) =[-T L (t)]/ Ψ A (t) + (J A +J L )d/dt]/ Ψ A (t)
11

Obcowzbudna
maszyna prądu
stałego
Równania silnika obcowzbudnego w stanie ustalonym
L A [dI A (t)/dt)] = 0 ; (J A +J L )d (t)/dt = 0 ; T d + T L = 0
U A =Ψ A + R A I A
(t) = m (t)
= U A /Ψ A - R A I A /Ψ A
T d = I A Ψ A = - T L
I A = -T L / Ψ A
= U A /Ψ A - R A [-T L / Ψ 2 A ]
12

Obcowzbudny silnik prądu stałego zasilany napięciem o stałej wartości - stany ustalone
U A =Ψ A + R A I A
= (U A - R A I A )/ Ψ A = U A / Ψ A - R A I A / Ψ A
T d = I A Ψ A = - T L
I A = -T L / Ψ A
= U A /Ψ A - R A [-T L / Ψ 2 A ]
U A
E A
1/ Ψ A
R A
T L
-1
T d
1/Ψ A
I A = T d /Ψ A = -T L /Ψ A
I A
Schemat zastępczy obcowzbudnego silnika prądu stałego w stanie ustalonym
13

U A
E A
1/ Ψ A
Wielkości
wejściowe
T L
-1
T d
1/Ψ A
R A
I A = T d /Ψ A =- T L /Ψ A
I A
Wielkości
wyjściowe
=
-R A /Ψ A
2
1/ Ψ A
I A 0 1/ Ψ A
U A
-T L
Dane maszyny -
konstrukcja
14

Stan ustalony prac maszyny
U A
E A
1/ Ψ A
Wielkości
wejściowe
R A
Ω 0 =U a / Ψ
Wielkości
wyjściowe
T L
-1
T d
1/Ψ A
I A = T d /Ψ A =- T L /Ψ A
I A
=
1/ Ψ A
-R A /Ψ A
2
U A
0 =U A / Ψ A
I A
= 0 + Δ, Δ

Uproszczony opis obcowzbudnej maszyny prądu stałego –
stany ustalone
I A
0 =U A / Ψ
I A
= 0 + Δ, Δ

= U A /Ψ A - R A [-T L / Ψ 2 A ]
Wpływ dodatkowej rezystancji dołączonej szeregowo z
uzwojeniem twornika – stałe (niezmienne) napięcie twornika
= U A /Ψ A – (R A +R R )[-T L / Ψ 2 A ]
0 =U A / Ψ
I A
R R3 > R R2 >R R1
Ax
A
AR1
R A
Metoda „historyczna”
obecnie niezalecana
Ax1
R A +R R1
Ax2
AR2
R A +R R2
Ax3
AR3
I A
17
T d = -T L
I A = T d /Ψ A = -T L /Ψ A
T dx
R A +R R3

Podsumowanie i wnioski:
Moc dostarczona do wału P = T d = - T L
= U A (1/ Ψ A ) + T L R A (1/Ψ A2 )
Moc dostarczona do wału P W = U A (-T L / Ψ A ) – T L
2
R A (1/Ψ A2 )
Moc dostarczona przez źródło P źródła = U A (-T L / Ψ A )
Straty elektryczne mocy w tworniku ΔP s = T L
2
R A (1/Ψ A2 )
Wnioski: Aby otrzymać napęd o małych stratach (wysokiej sprawności) należy
realizować pracę silnika przy wysokim strumieniu Ψ A i niskiej rezystancji twornika R A
t.zn. w przypadku pracy z osłabianiem strumienia straty rosną
Straty mocy gdy dodatkowa rezystancja jest włączona w obwodzie twornika
ΔP s = T L
2
(R A +R R ) (1/Ψ A2 )
18

Moc?
P doodbio
I A
rnika
T d
T L
P źródła
U A
U F
E A
W praktyce
należy też
uwzględnić straty
mechaniczne
Moc dostarczona do wału silnika P = T d = - T L
= U A (1/ Ψ A ) + T L R A (1/Ψ A2 )
I A = - T L / Ψ A
Moc dostarczona do wału silnika P w = U A (-T L / Ψ A ) – T L
2
R A (1/Ψ A2 )
Moc dostarczona przez źródło (U A I A )
P źródła = U A (-T L / Ψ A )
Straty elektryczne mocy w tworniku
ΔP s = – T L
2
R A (1/Ψ A2 )
19

Zastosowanie przekształtnika energoelektronicznego PTW do wytwarzania
regulowanego napięcia dostarczanego do silnika
Przekształtnik energoelektroniczny jako wzmacniacz mocy
PTW
I APTW
Sygnał sterujący
λ S
U APTW
U APTWmax
P źródła
k P
U APTW
k P = U APTW / λ S dla λ S < λ SS
Charakterystyka dla stanu
ustalonego bez obciążenia
U APTWmax
Przekształtnik tyrystorowy AC/DC,
przekształtnik tranzystorowy AC/DC
lub DC/DC
λ S
λ SS
λ Sx
20

Zastosowanie przekształtnika energoelektronicznego PTW do wytwarzania
regulowanego napięcia dostarczanego do silnika w celu regulacji prędkości
PTW
I A
P obciążenia
T d
T L
λ S
U APTW
U A
E A
U F
k P
P source
U APTWmax
U APTW
Zależność sygnału wyjściowego od sygnału
sterującego w stanie bez obciążenia
Przykład charakterystyki sterowania
wzmacniaczem mocy U APTW = f(λ S )
k P = U APTW / λ S
λ S
λ SS
λ Sx
21

Przekształtnik jako wzmacniacz mocy o dynamicznej rezystancji R PTW
Zwykle przekształtniki cechują się małą rezystancja dynamiczną i dużym prądem zwarcia.
Mała wartość rezystancji dynamicznej zapewnia niewielki spadek
napięcia podczas obciążenia
P źródła
U APTW = U A
U PTW = E PTW -I PTW R PTW = k p λ S - I PTW R PTW
I PTW
I A
λ S
Wzmacniacz
napięcia
(wzmacniacz
mocy)
k p , R PTW
U PTW
U F
E A
T d
T L
λ E
S
PTW
k p
R PTW
I PTW
U PTW
Wzmacniacz mocy jako źródło napięcia o regulowanej wartości
k p = E PTW /λ S
22

Schemat blokowy wzmacniacza mocy – stany ustalone
λ E
S
PTW
k p
R PTW
U PTW
E PTW
λ S
Charakterystyka
statyczna
wejście -wyjście
I PTW
k p = (E PTW /λ S )
U PTW
k p λ S1
I PTW R PTW
k p λ S2
Charakterystyka prądowonapięciowa
źródła mocy
(”voltage regulation” -idiom)
I PTW
23

P źródła
U APTW = U A
Schemat blokowy – źródło -silnik
I PTW
I A
λ S
T L
-1
λ S
T d
Wzmacniacz
mocy
k p , R PTW
E A
E PTW
1/ Ψ A
k p
U PTW
U F
R PTW
U PTW =U A
T d
E A
E A
R A
T L
1/ Ψ A
I A = T d /Ψ A =- T L /Ψ A
I A
24

λ S
k p
E PTW
U PTW =U A
E A
1/ Ψ A
R PTW
R A
T L
-1
T d
1/ Ψ A
I A = T d /Ψ A =- T L /Ψ A
I A
Charakterystyka mechaniczna?
I A
=
k p /Ψ A
0
-(R PTW +R A )/Ψ A
2
1/ Ψ A
λ S
-T L
01 = k p λ S1 /Ψ A
02 = k p λ S2 /Ψ A
, I A = 0 + Δ
1
2
1 Przypadek niezmiennego napięcia 03 = k p λ S3 /Ψ A
2 I A
(wartość stała np. znamionowa
2 Napięcie regulowane – wyjście przekształtnika
= 0 + Δ = k p λ S / Ψ A + T L (R PTW +R a )/Ψ A2 )
3
25
2
1
Td

Uproszczony model silnika obcowzbudnego – skutki
odwzbudzania - przypomnienie
I A
T d
T L
0 =U A / Ψ
I A
= 0 + Δ, Δ

Realizacja dwóch zakresów pracy silnika:
1. Regulacja napięcia twornika przy stałym strumieniu („przy stałym momencie”)
2. Regulacja napięcia wzbudzenia przy stałym napięciu twornika („przy stałej mocy”)
λ S
PTW
U APTW
U A
I A
T d
E
I A
F
U F
T L
P źródłaA
PTF
P źródłaF
Ψ A t = C A C F I F t
27

Przekształtnik – wzmacniacz mocy
Praca silnikowa
E A = ωψ A ≈ U A
U A osiągalne
napięcie
wzmacniacza mocy
E A = ωψ A sem dla stałego wzbudzenia
U A max
U A
Czy jest możliwe
uzyskanie prędkości
większej niż?
ω max ≈ U Amax / ψ An ?
λ S
λ S1
Stany ustalone
28

T d -Moment, E A -sem., Prąd twornika I A
T d
„Praca ze stałym
momentem”
T d = ψ A I A
P = ωψ A I A
ψ A = const
I A = const
E A = ωψ A = var
„Praca ze stałą mocą”
T d = ψ A I A
P = ωψ A I A
ψ A = var (I F =var)
I A = const
E Amax = ωψ A = const
Praca silnikowa
maszyna obcowzbudna
ma dwa „wejścia”
E Amax = ω ψ A = const
ψ A
ω
I A = const
ω e
W wyniku zmniejszenia
strumienie ψ A prędkość
wzrasta
ωψ A ≈ U A
Stany pracy ustalonej
ω prędkość
29

P Moc
„Praca ze stałym
momentem”
„Praca ze stałą mocą”
Praca silnikowa
T d = ψ A I A
P = ωψ A I A
ψ A = const
E A = ωψ A = var
P 2
T d = ψ A I A
P = ωψ A I
ψ A = var
E A = ωψ A = const
P 1
I 2A > I A1
I A2 = const
I A1 < I A2
I A1 = const
ω e
ω speed
ωψ A ≈ U A
Praca ze stałym momentem i ze stała mocą – popularne wyrażenia
– skróty – dla opisu stanów pracy ustalonej
30

z
P moc , T - moment
Praca silnikowa
T d1
„Praca ze stałym
momentem”
T d = ψ A I A
P = ωψ A I A
ψ A = const
E A = ωψ A = var
T d2
„Praca ze stałą mocą”
P 2 = ωψ A I 2
T d = ψ A I A
P = ωψ A I A
ψ A = var
E A = ωψ = const
P 1 = ωψ A I 1
I A2 > I A1
I A2 = const
I A1 < I A2
I A1 = const
I A1
I A2
31
ωψ A ≈ U
ω prędkość
Stany pracy ustalonej - podsumowanie - maksymalne wartości
momentu i mocy przy stałej wartości prądu twornika

P moc , T - moment
„Praca ze stałym
momentem”
„Praca ze stałą mocą”
Praca silnikowa
T d = ψ A I A
P = ωψ A I A
ψ A = const
E A = ωψ A = var
T d2
P 2 = ωψ A I 2
T d = ψ A I A
P = ωψ A I A
ψ A = var
E A = ωψ = const
I A2 = const
I A2
32
ωψ A ≈ U
ω prędkość
Stany pracy ustalonej podsumowanie – jeśli np. prąd ma wartość
dopuszczalną to całe pole pod liniami prądu, momentu, mocy są do
dyspozycji – pojęcie „stałej mocy” jest tu tylko symbolem stanu pracy

P moc , T - moment
„Praca ze stałym
momentem”
„Praca ze stałą mocą”
Praca silnikowa
T d = ψ A I A
P = ωψ A I A
ψ A = const
E A = ωψ A = var
T d2
P 2 = ωψ A I 2
T d = ψ A I A
P = ωψ A I A
ψ A = var
E A = ωψ = const
I A2 = const
Moc odbiornika –np. moc
pompy
I A2
T L Moment obciążenia
ωψ A ≈ U
ω prędkość
Stany pracy ustalonej podsumowanie – jeśli np. prąd ma wartość
dopuszczalną to całe pole pod liniami prądu, momentu, mocy są do
33
dyspozycji – pojęcie „stałej mocy” jest tu tylko symbolem stanu pracy

Sterowanie napędu ze wzmacniacza operacyjnego – (analogowego lub cyfrowego)
ε IAr
Wzmacniacz
sygnału
k I
λ S
Wzmacniacz
mocy
k p , R p
U A
U F
E A
T d
T L
k I = λ S / ε IAr
I A
ε IAr
k I
λ S
k p
E PTW
U PTW =U A
E A
1/ Ψ A
R PTW
R A
T L
-1
T d
1/ Ψ A
I A = T d /Ψ A =- T L /Ψ A
I A
34

Charakterystyka
(statyczna)
wzmocnienia w
stanach
ustalonych
λ S
ε IAr
k I = λ S /ε IAr
w zakresie
liniowym
Wzmacniacz mocy ma dużą rezystancję
wejściową – zatem nie ma wpływu na
obciążenie wzmacniacza sygnału .
Zwykle wzmacniacz sygnału jest wykonany w
programie mikroprocesora DSP
DSP – Digital Signal Processor
Np. k I = 10 000
Wzmacniacz
sygnału
Wzmacniacz
mocy
Silnik
ε IAr
k I
λ S
k p
E PTW
U PTW =U A
E A
1/ Ψ A
DSP
R PTW
R A
T L
-1
T d
1/ Ψ A
I A = T d /Ψ A =- T L /Ψ A
I A
35

Podstawowe układy regulacji w napędzie
1.układ regulacji prądu silnika elektrycznego
zadana
prędkość
zadany
prąd
Charakterystyka
dynamiczna
pomiar prądu
sensor
PI
Regulator
prędkości
PI
Regulator
prądu –
(momentu)
λ S
silnik
Maszyna
robocza
sygnał prądu
Podczas projektowania napędu dobiera się wszystkie elementy układu dla uzyskania
zadanych właściwości statycznych i dynamicznych
Układ z dobrze działającym regulatorem prądu zapewnia bezawaryjną pracę napędu –
również w stanach przejściowych
36

ε IAr
WZMACNIACZ
SYGNAŁU
(REGULATOR)
k I
λ S
λ S = k I ε IAr
37
k I = λ S / ε IAr
λ S
Charakterystyki dla stanu
ustalonego – nastawianie
wartości maksymalnej
λ S1max
λ S2max
ε IAr
λ S3max
k I = (λ S /ε IAr )
Wzmocnienie dotyczy tylko
części liniowej (bez nasycenia)

ε IAr
WZMACNIACZ
SYGNAŁU
(REGULATOR)
k I
λ S
Odpowiedź statyczna λ S = k I ε IAr
Odpowiedź dynamiczna λ S = f(t, k I ε IAr )
k I = λ S / ε IAr
Odpowiedź dynamiczna regulatora
typu PI
PI Proportional-Integral Controller
λ S
λ S
Charakterystyka dla
stanu ustalonego
regulator typu P
ε IAr
P
I
Integration
całkowanie
Czas t
Odpowiedź
natychmiastowa
k I = (λ S /ε IAr )
P
I
Integration
całkowanie
38

Podstawowe układy regulacji w napędzie
2.Układ regulacji prądu i prędkości silnika
elektrycznego – prąd wytwarza moment
napędowy
zadana
prędkość
zadany
prąd
pomiar
prądu
pomiar
prędkości
PI
Regulator
prędkości
PI
Regulator
prądu –
(momentu)
sygnał prądu
sprzężenia
zwrotne
sygnał prędkości rzeczywistej
Teoria sterowania odnosi się tylko do dynamiki – technika napędu „widzi” obiekty
rzeczywiste a dynamika jest jednym z wielu elementów konstrukcji
39
czwa03.04.08

Prosty układ regulacji silnika prądu stałego
Regulacja prądu i prędkości – szeregowe połączenie
regulatorów R-RI
Zadana
prędkość
PI regulatory – odpowiedź
dynamiczna
R
Zadany
prąd
RI
Czujnik
prądu
Czujnik
prędkości
PI
Regulator
prędkości
PI
Regulator
prądu
n
Maszyna
robocza
Sprzężenie prądowe – sygnał prądu
rzeczywistego (zmierzonego)
Sprzężenie prędkościowe – sygnał
prędkości rzeczywistej
40

Charakterystyki mechaniczne – prędkość w funkcji prądu (momentu napędowego)
Kształtowanie charakterystyk w układzie z szeregowym (”kaskadowym”)
połączeniem regulatorów R and RI
Dokładna stabilizacja prędkości
– efekt działania regulatora
prędkości R
T d = I A A
2
I A
I A
-I Amax
I Amax
-I Amax
I Amax3
I Amax2 IAmax1
I Amax
Prąd (moment) ograniczony
przez regulator prądu RI A do
I Amax rezultat maksymalnego
sygnału zadanego prądu
Prąd ograniczony przez działanie regulatora
prądu–RI A jako wynik szeregu wartości
zadanych prądu I Amax
„Nowe stopnie swobody” nastawianie prędkości i
maksymalnego prądu w szerokich granicach.
41

Prosty układ regulacji silnika prądu stałego
Regulacja prądu i prędkości – szeregowe połączenie regulatorów
Korzystne cechy:
Regulacja w szerokim zakresie prędkości
Ograniczenie prądu do zadanej wartości
Korzystne cechy wynikające z regulacji prądu:
Szybka odpowiedź prądu na wartość zadaną i skok obciążenia
Zabezpieczenie źródła energii, przekształtnika, silnika i maszyny roboczej przed przeciążeniem
(zwarciem) oraz nadmiernym momentem w stanach ustalonych i przejściowych
PI regulatory – odpowiedź dynamiczna
Zadana
prędkość
R
Zadany
prąd
RI
Czujnik
prądu
Czujnik
prędkości
PI
PI
n
Maszyna
robocza
Regulator
prędkości
Regulator
prądu)
Prędkość
zmierzona
Prąd zmierzony
DSP
42

Podstawowe układy regulacji w napędzie
3. Napęd elektryczny -układ regulacji drogi (położenia),
prędkości i prądu - szeregowe połączenie regulatorów
Realizacja mikroprocesorwa
zadana
prędkość
zadany
prąd
pomiar
prądu
pomiar
prędkości
pomiar
drogi
PI(P)
PI
PI
n
Regulator
położenia
Regulator
prędkości
Regulator
prądu-
(momentu)
sygnał prądu
zadana
droga -
położenie
sygnał prędkości
sygnał drogi
SERWOMECHANIZM
43

STEROWANIE
45

Napęd nawrotny - czteroćwiartkowy
46

AC maszyny – wirujące wirniki i pola
Maszyna indukcyjna
wirnik i stojan uzwojone
Wirnik np. klatkowy lub
dostęp do wirnika przez
pierścienie trójazowe
Maszyna synchroniczna
Wirnik i stojan uzwojone
dostęp do wirnika przez
pierścienie – wzbudzenie
prądem stałym
47

Jeżeli N-S bieguny zbudowane z magnesów trwałych – to niepotrzebne
pierścienie do zasilania wzbudzenie bo brak uzwojenia wzbudzenia
wówczas wirnik jest bardzo lekki
48

Bezszczotkowa trójfazowa maszyna z magnesami
trwałymi zamiast uzwojeń - magnesy
V
W
N
S
U, V, W –
uzwojenia
stojana
Magnesy wirujące
U
49

Musi być zachowana odpowiednia kolejność i czas
włączenia zaworów sterujących prądem stojana
Łącznik „statyczny” – jako łącznik i regulator prądu
(modulacja szerokości impulsów)
Stojan
N
S
Wirnik z
magnesami
trwałymi
Komutator
statyczny
Bezszczotkowy silnik
„prądu stałego”
BLDC
50

„Brushless DC motor”- silnik bezszczotkowy prądu stałego
– prąd tylko w dwóch fazach
„Prąd stały”
Łącznik „statyczny” – jako łącznik i regulator prądu (modulacja
szerokości impulsów)
stojan
N
S
Wirnik z
magnesami
trwałymi
Komutator
statyczny -
tranzystorowy
Bezszczotkowy silnik
„prądu stałego”
BLDC
51

Musi być zachowana odpowiednia kolejność faz i czas
włączenia zaworów sterujących prądem stojana
”The static system is a switch and controller”
stojan
N
S
Komutator
Bezszczotkowy silnik
„prądu stałego”
BLDC
52

Schemat ideowo-blokowy napędu silnikiem bezszczotkowym o
magnesach trwałych („BLDC”)
Źródło
napięcia
stałego –
Źródło
energii
Pomiar
położenia
biegunów
ENCODer
Przekształtnik PT pełni dwie role:
a) jest komutatorem przełączającym prąd w stojanie
b) Jest wzmacniaczem mocy regulującym napięcie doprowadzone do stojana
Pomiar położenia biegunów pozwala na wyznaczenie chwil włączenia tranzystorów tak
aby moment silnika był największy
53

Analogia do maszyny obcowzbudnej prądu stałego
Jeżeli w bezszczotkowym silniku będzie przełączanie prądu nie we właściwej chwili
to będzie malał moment napędowy przy tym samym prądzie
i A (t)
L A , R A , J A
U A (t)
I F (t)
Field Ψ F
U f (t)
α
Ψ A
T d (t)
(t)
T L (t)
J L
MR
Położenie
szczotek
niewłaściwe
Prąd twornika w przestrzeni jest
nieoptymalny – moment jest zredukowany
proporcjonalnie do sinα
Ψ A t
= C A Ψ F t sinα
Normalnie α = (/2)
sinα = 1
54

Maszyna z komutatorem mechanicznym to technika z początków 20 wieku
Maszyna z komutatorem elektronicznym - regulatorem to technika 21 wieku
BLDC
ENCODer
Sterowanie silnika z magnesami trwałymi „Materiał” poza programem
55

BLDC
V dc
n ref
-
Θ
Regulator
Prędkości
PI
i sdref
i sqref
-
-
Regulator
Prądu
PI
Regulator
Prądu
PI
V sqref
d,q
α,β
V sαref
V sβref
SVPWM
Sa
Sb
Sc
Przekształtnik
3 fazowy
n
i sq
d,q
V sdref
Va Vb Vc
i sα
α,β
ia
i sd
i sβ
ib
α,β
a,b,c
Czujnik położenia i
prędkości
MS
Sterowanie napędem elektrycznym pojazdu z silnikiem o
magnesach trwałych – (przykład z pracy dyplomowej)
Sterowanie silnika z magnesami trwałymi „Materiał” poza programem
56

N
S
BLDC – Brushless DC („bezszczotkowy”)
57

Nowoczesne regulowane
elektronarzędzia – napęd z
maszyną typu BLDC
N
S
58

Przykład nowoczesnej maszyna z magnesami trwałymi o polu osiowym
Stator
Airgap
N
N
S
S
N
N
Magnets
Magnets
S
9cm
S
Stator windings
i
s
s
40kW
60

Maszyna o
podwyższonej
częstotliwości – duża
liczba biegunów –
łatwość konstrukcji
– podwyższona
częstotliwość
indukowanego
napięcia
61

Przekształtnik może pracować z dużą częstotliwością – nie ma
problemów komutatora mechanicznego
U DC
Silnik bezwałowy z magnesami trwałymi o polu osiowym
1. Czujnik położenia wirnika np. enkoder
Jak sterować przekształtnikiem?
Wymagana informacja o
położeniu wirnika.
2. Metody bezczujnikowe
62

31-0
czwa
rotor
rotor
stojan
ermanent
permanent
magnets
magnets
stator
windings
stator
Przykład maszyny z magnesami
trwałymi – pracującej jak generator lub
jako silnik - moc 40 kW – masa
wielokrotnie mniejsza od generatora
synchronicznego
63

Źródło
napięcia
stałego –
Źródło
energii
REGULATOR
KOMUTATOR
& REGULATOR
KOMUTATOR
/twornik
Różnica pomiędzy konstrukcjami
napędów:
W napędzie z maszyną
komutatorową występuje
komutator mechaniczny a
przekształtnik jest tylko
regulatorem
W maszynie bezszczotkowej
przekształtnik jest
komutatorem i regulatorem
64

Aby taki napęd elektryczny mógł być zastosowany musi być bardzo lekki i sprawny
Jaki napęd jest odpowiedni?
(jeśli dostępne będą materiały na magnesy trwałe to
silniki z magnesami trwałymi wkrótce zdominują rynek)
65

”From mind to market”
Zrealizuj pracę dyplomową wg pomysłu, który w
przyszłości wdrożysz !!
Wydział Elektryczny ma bardzo liczną kadrę o
zróżnicowanych specjalizacjach
66