Transcript BLDC - Praha old - KVES

Prof. Ing. Valéria Hrabovcová PhD
Vývoj a súčasný stav elektrických
strojov (ES)
 Nové trendy vo vývoji elektrických strojov sú
ovplyvnené objavmi v oblasti:
1. Výkonovej elektroniky
2. Supravodivých materiálov
3. Permanentných magnetov
Objavy prvkov výkonovej elektroniky
 1948 – tranzistor – prvá elektronická revolúcia
 1956 – tyristor – druhá elektronická revolúcia
 Moderná éra informačných technológií (umožnili
rozšírenie pôsobenie elektrických strojov v aplikáciách
ktoré neboli možné pri napájaní U=konšt., f=konšt.)
 Dnes existujú stroje, ktoré bez polovodičových
meničov nie sú schopné prevádzky (BLDC, SRM,
krokový motor, PMSM,...)
Vlastnosti permanentných magnetov
(PM)
 Charakteristické veličiny:
Maximálny energetický súčin BHmax
2. Remanentná magnetická indukcia Br
3. Koercitívna sila Hc
4. Tvar BH charakteristiky v II. kvadrante
1.
Vývoj BHmax materiálov PM
(BH)max 450
[kJm-3]
400
350
300
NdBFe
250
200
Sm2Co17
150
100
50
SmCo5
Alnico 8
Alnico 5
Ferity
3-36 % Co
Oceľ
1900
1950
VPM min
2000
rok
B2V

 0 (BH ) max
Ideálna BH charakteristika PM
J  0 M
J
B
a
b
Br
b
B0   0 H
Br=Jmax
H
-HcJ
sklon 0
0
-HcJ=-Hc
H
b)
a)
B
M
0
H
sklon 0
-HcJ
b -Hc
c)
1 n
M  lim
mi

V i 1
B   0 H   0 M  B0  J
Feromagnetické materiály
H=0
H
H
H
M
Ms
c)
d)
Natáčanie domenových
stien
b)
Presun domenových
stien
a)
H
Vydúvanie
domenových
stien
BH charakteristiky PM materiálov
B [T]
1,3
1,2
1 - Ferity
2 - Alnico
3 - PtCo
4 - RCo5
5 - R2 (Co, Fe)17
6 - Nd-Fe-B Neomax 30H
7 - Nd-Fe-B Neomax 35
1,1
1,0
7
0,9
6
0,8
5
0,7
4
0,6
0,5
0,4
2
3
0,3
0,2
1
0,1
H [kA/ m]
-800
-600
-400
-200
0
Charakteristické veličiny PM
materiálov (2013)
NdFeB
SmCo
Ferit
Alnico
BHmax (kJm-3)
220 - 500
120 - 240
7 - 42
10 - 35
Br (T)
0.97 - 1.45
0.85 - 1.1
0.2 -0.48
0.6 – 1.16
Hc (kAm-1)
740 - 1000
620 - 840
120 - 360
40 - 120
Vývoj bezkefových motorov
Jednosmerný motor
Stator:
Vinuté js budenie
3f synchrónny motor
Vinutá kotva, 3-fázové
striedavé napájanie
3f indukčný motor
Vinutá kotva, 3-fázové
striedavé napájanie
Rad 1
Rotor: Js napájanie; vinutá kotva;
Jednosmerný motor s PM
Stator:
budenie PM
Vinuté js budenie
Klietka nakrát ko
3f synchrónny bezkefový motor s PM
Vinutá kotva, 3-fázové striedavé
napájanie
Rad 2
budenie PM
Rotor:
Js napájanie; vinutá kotva;
Jednosmerný bezkefový motor
Vinutá kotva, 3-fázové
Stator: obdĺžnikové alebo sínusové
napájanie
3f reluktančný synchrónny motor (RS M)
Vinutá kotva, 3-fázové striedavé
napájanie
Krokový alebo s pínaný
reluktančný motor (SRM)
Spínané js napájanie
Rad 3
Rotor:
budenie PM
bez budenia; vyjadrené póly
bez budenia; vyjadrené póly
Možnosti uloženia PM
 SPM (Surface Permanent Magnet)- na povrchu rotora uložené PM
 IPM ((Interior Permanent Magnet)- vo vnútri rotora uložené PM
1. riadok: Klasické elektrické strojecharakteristika
 Vytvárajú konštantný hladký moment bez zvlnenia
(resp. s malým zvlnením )
 Pracujú na čistej jednosmernej alebo striedavej
sínusovej sieti
 Môžu sa rozbehnúť po pripojení na túto jednosmernú
alebo striedavú sínusovú sieť a pracovať na nej bez
elektronického regulátora
 Sú schopné spolupracovať s elektronickými
regulátormi aby sa ich rýchlosť mohla vhodne
regulovať
1. stĺpec: Vývoj jednosmerných
motorov
Druhý riadok
 Budiace vinutie nahradené PM na statore
 Rotor ostáva bez zmeny- komutátor + kefy
Tretí riadok
 Inverzná konštrukcia t.j. budenie PM na rotore, cievky
kotvy na statore napojené na elektronický komutátor –
bezkefový jednosmerný motor s PM (BLDC)
2. stĺpec: Vývoj synchrónnych
motorov
Druhý riadok
 Budiace vinutie nahradené PM na rotore- nepotrebuje
kefy (bezkefový synchrónny motor s permanentnými
magnetmi - PMSM)
 Stator ostáva bez zmeny
Tretí riadok
 Synchrónny motor s vyjadrenými pólmi bez budenia
t.j. reluktančný synchrónny motor
3. stĺpec: Asynchrónny motor
Prvý riadok
 Rotor s klietkou nakrátko resp. s vinutou kotvou
Tretí riadok
 Krokový alebo spínaný reluktančný motor- nová
generácia elektrických strojov, ktorá pracuje len s
polovodičovými meničmi
Princíp činnosti bezkefových
jednosmerných motorov BLDC
cievka A
cievka A
smer pohybu rotora
segment
rotor
• Spínač kefa – lamela
nahradiť polovodičovými
prvkami
• Použiť najmenší možný
počet cievok kotvy t.j. tri
komutátor
b)
a)
A
A
S1
S1
S2
S2
c)
D2
D1
d)
T1
D2
cievka A
T2
D1
e)
• Stator má trojfázové vinutie
Druhy vinutí kotvydrážkové a bezdrážkové
Vinutie uložené v drážkach
q – počet drážok na pól a
fázu
q
1) Rozložené 3f vinutie
•
dlhšie čelá vinutia
•
rozpätie cievky rovné pólovému
rozstupu
•
hladší priebeh Ui
•
menšie zvlnenie momentu
(cogging torque, ripple torque)
•
zložitejšia výroba
Qs
2 pm
q - celé číslo
q – zlomok- zlomkové
vinutie
2) Koncentrované (sústredené) 3f vinutie
•
kratšie čelá vinutia
•
rozpätie cievky rovné zubovému rozstupu
•
vyšší obsah harmonických zložiek v Ui
•
vyššie zvlnenie momentu(cogging torque,
ripple torque)
•
jednoduchšia výroba- veľmi často
využívané v BLDC
Rozložené vinutie, pohľad na detail
cievky a bandážované čelá vinutia
Rozložené vinutie v drážkach
Sústredené cievky, detail zuba a
cievky
Vinutie uložené v drážkach
q = 1, Q = 6, m = 3, 2p = 2
q = 1, Q = 6, m = 3, 2p = 2
Rozložené vinutie, stav naprázdno
Sústredené vinutie, stav naprázdno
A
A+
B-
CJ
S
ψPM
ψv
J
S
C+
ψPM
B+
ψc
-B
+C
A-
ψv
ψb
Sústredené zlomkové vinutie
q = 1/2, Q = 6, m = 3, 2p = 4
jednovrstvové
q = 1/2, Q = 6, m = 3, 2p = 4
dvojvrstvové
E-kolobežka s BLDC motorom
•Rotor s PM na povrchu rotora (2p=8)
•Sústredené zlomkové vinutie statora
(Q=12, m= 3, 2p=8, q= 1/2)
E-kolobežka s BLDC motorom
•Prevod medzi rotorom a vonkajším
obehovým kolesom
•Umiestnenie 3 Hallových sond
Bezdrážkové vinutia
1) Jednoduchá výroba
2)Nevytvára „cogging torque“, tj.
moment spôsobený premenlivou
magnetickou vodivosťou vo
vzduchovej medzere kvôli
drážkovaniu statora, alebo rotora,
alebo oboch členov
3) Veľká efektívna vzduchová
medzera
4)Upevnenie je dané vlastnosťami
lepidiel a technologickými
postupmi
Napájanie trojfázového vinutia kotvy
BLDC polovodičovým meničom
UDC/2
T1
D1
T3
D3
IA
T5
D5
IB
IC
UDC
UDC/2
T2
D2
Rsh
T4
D4
T6
Rsh
Rsh
B
UAB
UA0
UB
UA
A
D6
UA,B,C - fázové napätia
UAB,BC,CA - združené napätia
IA,B,C - fázové prúdy
D1-D6 - spätné diódy
T1-T6 – N-MOSFET tranzistory
Rsh – shuntovací odpor
UBC
UCA
UC
C
Polovodičový menič sa skladá z troch vetiev tranzistorov a spätných diód
po dvoch v každej vetve t.j. najjednoduchšia konštrukcia s troma fázami
potrebuje 6+6 polovodičových prvkov
stredy jednotlivých vetiev sú pripojené a fázy vinutia a jednotlivé
tranzistory sú riadené mikropočítačom kde je implementovaný riadiaci
algoritmus 6stupňová komutácia
Táto 6stupňová komutácia vyžaduje informáciu o polohe rotora
Znalosť polohy rotora
1) Klasický jednosmerný motor
komutátor + kefy:
kefy zabezpečia, že vodič so
správnym smerom prúdu je
pod správnym magnetickým
pólom
S
Ia
Φa
Φb
J
2) BLDC- potrebný snímač
polohy
možnosti riadenia:
•
snímačové (Hallove sondy,
fototranzistory)
•
bezsnímačové
stratégia spínania tranzistorov
polovodičového meniča
•
spínajú sa vždy len dve fázy
t.j. riadi sa len jeden prúd
•
spínanie sa uskutoční v
správnom okamžiku tak
aby sa vytvoril maximálny
moment t.j. magnetický
tok statorového poľa
rotorového PM sú
posunuté o 90°
Stav naprázdno
1) Rozložené 3f vinutie
2) Koncentrované (sústredené) 3f vinutie
A
A+
B-
CJ
S
ψPM
ψv
J
S
C+
ψc
ψPM
-B
B+
+C
ψv
ψb
Priebehy napätia v jednotlivých fázach
pri spínaní BLDC – spínacie vzory
Usf
Priebeh napätia fázy “A”
+A
+UDC
0
-A
-UDC
+B
+UDC
Priebeh napätia fázy “B”
0
-UDC
+UDC
-B
+C
0
-C
-UDC
30
60
Priebeh napätia fázy “C”
90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
θel [°]
Polohy rotora pri zaťažení vo vzťahu k spínacím
stavom BLDC
330° - 30°
A
ψa
+A
30° - 90°
ψa
+A
90° - 150°
S
S
ψv
J
J
S
pred komutáciou
S
J
ψc
-B
J
ψb
+C
S
ψc
-B
ψb
C
J
B
-C
ψv
A-
ψa
270° - 330°
A-
ψv
Po komutácií
ψv
ψa
A
210° - 270° ψv
150° - 210°
J
S
ψv
J
S
J
ψc
B
+C
B+
C
ψb
ψc
+B
S
-C
ψb
Snímanie polohy pomocou Hallovej
sondy
I
voľné elektróny
+
_
I
B
+
UH
_
Princíp činnosti Hallovej sondy
Najjednoduchší prípad s jedným
vinutím
J
a)
S
W2
Hallova
sonda
b)
J
S
S
c)
J
W1
magnetický
tok
Jedna Hallova sonda nestačí –
potreba viacerých (aspoň
troch)-pozri 22
Z mŕtvej polohy by sa BLDC
nerozbehol
Beznímačové riadenie
Priebeh indukovaného napätia v jednotlivých fázach
θel [°]
fáza „A“
fáza „B“
fáza „C“
Beznímačové riadenie je založené na princípe merania
prechodu indukovaného napätia nulou lebo sa
predpokladá, že vždy jedna fáza vinutia motora je
odpojená od zdroja (pozri 29)
Zvlnenie momentu BLDC
Lichobežníkový tvar indukovaného napätia Ui
takmer obdĺžnikový tvar prúdu- okamžitá zmena prúdu nie je možná z toho vyplýva
zákmit pri každom okamžiku komutácie (spínania) každých 60°, z čoho vyplýva zvlnenie
momentu
UiA
IA
UiB
IB
UiC
IC
Skutočný priebeh Bδ a výpočet UiPM
U iPM  2    f    N  k w
U iPM   U iPM

Skutočný priebeh UiPM
Simulované
Merané
Efektívna hodnota indukovaného napätia 132,5 V
Priebeh momentu BLDC
1) Ui – lichobežníkový priebeh, Ia lichobežníkový priebeh (pravouhlý)
→ M takmer konštanta
M
2) Ui – lichobežníkový priebeh, Ia sínusový priebeh alebo Ui – sínusový priebeh, Ia , alebo
lichobežníkový priebeh→ M = moment nie je konštantný, je zložený z častí sínusového
priebehu a je menší
M
3) Ui – sínusový priebeh, Ia sínusový priebeh → M = konštanta (SMPM, RSM, synchrónny)
Zapojenie trojfázového vinutia do hviezdy –
vyžaduje PM na rozpätí 180°el.
U
1
3
5
a
c
b
6
4
A+
A
C-
iA =-iB
2
i C=0
B-
C
B+
B
0
A-
C+
A
b)
C
B
c)
a)
120o
iB
iA
-i B
5
6
iC
-i A
-i C
1
6
1
2
iA
3
2
60o
3
4
5
4
5
6
d)
-iC
-i B
1
6
1
2
3
2
3
4
e)
Zapojenie trojfázového vinutia do trojuholníka
– vyžaduje PM na rozpätí 120°el.
U
1
3
5
A+
B-
A
a
6
4
iB
c
b
i A =iC
2
B
C-
C+
C
uiB  uiA  uiC
0
AB
A
AC
b)
B
C
a)
CB
A-
B+
c)
Činnosť SMPM
•Rozloženie Bδ je sínusové (alebo kvázisínusové)– ako v synchrónnych strojoch s klasickým
elektromagnetickým budením
-Bδ sa docieli tvarom PM
•Sínusový (alebo kvázisínusový) tvar krivky prúdu vo vinutí kotvy
•Pri konštantnom napätí sa docieli metódou ŠIM prúdového meniča podľa okamžitej polohy
rotora tak aby pracoval len s priečnym poľom kotvy, čo je vlastne vektorovo riadený synchrónny
motor s uzavretou riadiacou slučkou od snímača polohy. Inak povedané, fázový prúd sa riadi tak,
že statorové a rotorové magnetické polia sú na seba kolmé ako v klasických jednosmerných
strojoch
•Nároky na snímač polohy sú vysoké je potrebné snímať polohu rotora čo najjemnejšie vzhľadom
na sínusový priebeh magnetického poľa Bδ
Vlastnosti BLDC a SMPM
Porovnanie BLDC a SMPM
BLDC
bezkefový jednosmerný stroj
napájaný jednosmernými prúdmi
lichobežníkový tvar indukovaného napätia
komutácia polohy statorového toku každých 60°
v činnosti vždy dve fázy v rovnakom čase- reguluje sa
len jeden prúd pretekajúci dvoma fázami
zvlnenie momentu pri komutácii
nízky rád harmonických zložiek prúdov je v
počuteľnom spektre
vyššie straty v železe vplyvom obsahu harmonických
zložiek
menšie spínacie straty
riadenie je relatívne jednoduché
SMPM
synchrónny stroj
napájaný sínusovými prúdmi
sínusový tvar indukovaného napätia
súvislá zmena polohy statorového toku
možné mať v činnosti tri fázy v rovnakom časereguluje sa prúd vo všetkých troch fázach
bez zvlnenia momentu pri komutácii
menej harmonických zložiek kvôli sínusovému
budeniu
menšie straty v železe
vyššie spínacie straty pri rovnakej frekvencii
náročnejšie riadiace techniky, nákladný menič,
ktorého cena je pri malých motoroch porovnateľná s
cenou motora
Záver:
•Chaos v terminológii:
názvy BLDC a SMPM sa miešajú dokonca tak, že sa dozviete, že BLDC je SMPM a pod. Kým
pojmy nie sú normalizované, je na preferencii autorov, aké pojmy budú používaťnejednoznačnosť škodí porozumeniu problematiky
•Čo sa v súčasnosti skúma:
1) Vplyv tvaru PM a štruktúry statorového vinutia na priebeh magnetickej indukcie vo
vzduchovej medzere, indukovaného napätia a hlavne zvlnenia momentu
2) „Low cost“, čiže nízko nákladové konštrukcie motorov a vplyv tohto spôsobu výroby na
vlastnosti BLDC motorov (nekvalitná, nepresná výroba, nekvalitné plechy, excentricita
rotora, a pod.)
3) Riadiace techniky- snímačové, bezsnímačové, tak, aby sa dosiahol konštantný moment a
nehlučný chod
4) „Fault- tolerant system“- bezpečná prevádzka odolná poruchám
•Témy na DP:
-Pomocou MKP skúmať vplyv tvaru PM a druhu vinutia statora na vlastnosti BLDC (veľkosť
momentu, zvlnenie momentu a pod.)
-Simulácie ustálených a prechodových javov BLDC
- Vplyv nízkonákladových konštrukcií na vlastnosti BLDC
- Riadenie vhodné pre nízkonákladové konštrukcie – dajú sa riadením vylepšiť vlastnosti
zhoršené konštrukciou stroja?
- Bezpečná prevádzka – vyšetrovanie vlastnosti BLDC pri poruchách, atď.
-
Literatúra na ďalšie štúdium:
Literatúra
Pyrhönen, J., Jokinen, T., Hrabovcová, V.: Design of Rotating Electrical Machines, John Wiley
& Sons, Ltd, second edition, 2013, ISBN: 978-1-118-58157-5
Hrabovcová, V., Rafajdus, P.: Elektrické stroje. Teória a príklady, Žilina: EDIS, Žilinská
univerzita v Žiline, 2009, ISBN 978-80-554-0101-0
Hrabovcová, V., Janoušek, L., Rafajdus, P., Ličko, M.: Moderné elektrické stroje, Žilina: EDIS,
Žilinská univerzita v Žiline, 2001, 265 s. ISBN 80-7100-809-5
Hrabovcová, V. a kol.: Meranie a modelovanie elektrických strojov. Žilina: EDIS, Žilinská
univerzita, 2009. 335 s. ISBN 978-80-8070-924-2
Bilal Akin, Manish Bhardwaj, Trapezoidal Control of BLDC Motors Using Hall Effect Sensors,
Application note, Texas Instruments, 2000
Jaroslav Lebka, Pavel Grasblum, Použití mikroprocesorů pro řízení pohonů s BLDC motory,
Učební texty ke kurzu, Freescale Semiconductor, 2011
Sekerák, P., Hrabovcová, V., Pyrhönen, J., Kalamen, L., Rafajdus, P., Onufer, M.: Comparison
of Synchronous Motors with Different Permanent Magnet and Winding Types, IEEE
Tansactions on Magnetics, 2013
www.cusp.umn.edu