Upload
others
View
17
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Maşini
sincrone
speciale
Utilizarea
magneţilor
permanenţiMaşina sincronă cu magneţi permanenţi
Utilizarea
magneţilor
permanenţi în
construcţia
maşinilor
electrice
Generalităţi
Proprietăţile
magneţilor
permanenţi
21
HM
Bs
Wm
BM
Am
HC
Br
W
αr
Caracteristica
de magnetizare.H + B = B MM0rM μμ
B
H
Proprietăţile
magneţilor
permanenţi
Caracteristicile
magneţilor
ferite alnico Mn-Al-C Sm-Co Nd-Fe-B μr 1,1 1,6 1,9 1,05 1,1 KTB %/oC - 0,19 - 0,02 - 0,03 - 0,03 - 0,11 KTH %/oC - 0,20 - 0,20 - 0,20 - 0,20 - 0,60 Wm Kj/m3 20÷30 10÷70 50 160 250
KTB
–
coeficientul de variatie a inducţiei
KTH
–
coeficientul de variatie a câmpului
μr
– permeabilitatea relativă de revenire
Wm
– energia specifică maximă
Magnetul
permanent într-un circuit magnetic
legea
circuitului
magnetic
0 = l H + l H + l H FeFeMM δδ ⋅⋅⋅
expresia
coeficientului
de saturatie:
l Hl H + 1 = K FeFe
sδδ ⋅
⋅
legea
fluxului
magnetic KAB=AB MM σδδ ⋅⋅⋅
legatura
dintre
câmpul
si
intensitatea
câmpului
magnetic
H K KK - = B Mo
sM ⋅⋅ μλ
σ
LMδ
LFe
σ
Magnetul
permanent într-un circuit magnetic
Schema echivalentă a circuitului magnetic
LMδ
LFeℜM
φM
FM
φσ
ℜσ
φδ
ℜδ
ℜFe
Magnetul
permanent într-un circuit magnetic
coeficientul
de permeanţă al circuitului
magnetic
L AL A = = K
M
M
m δ
δδλ ⋅
⋅
ΛΛ
KB =
K
KK + 1
1 B = B
K K KK B - =
K KK +
1 B - = H
r
MsrM
s
0
r
sM
0
rM
δ
λσ
δλσλ
σ
μ
μμμ
⋅
⋅⋅
Kδ
este
coeficientul
de demagnetizare
al circuitului
legătura
dintre
câmpul
şi intensitatea
câmpului
magnetic
Magnetul
permanent într-un circuit magnetic
Explicativă la punctul de funcţionare al magnetului
saturat
scăpări
T=2000
C
nesaturat
HM
BM
T=200
C
HC
Br
B
0H
Magnetul
permanent într-un circuit magnetic
inducţia
magnetică
în
întrefier
ll
KK K B = B M
rδδ
σλδ ⋅
⋅
Densitatea
energiei
înmagazinate
în
magnet în
punctulde funcţionare
va
fi:
K K KK
2B = H B
21 = W 2
s
0
2r
MMMδλσμ ⋅⋅⋅
⋅
Stabilizarea
punctului
de funcţionare
al magnetului
legea
circuitului
magnetic în cazul
solenaţiei
de demagnetizare
F = l H + l H + l H d FeFeMM δδ ⋅⋅⋅
expresia
caracteristicii
de funcţionare
a circuitului
magnetic
K B -
lF - = H
0
M
M
dM
λμ
H K KK - = B Mo
sM ⋅⋅ μλ
σ
In cazul
lipsei
solenatiei
de demagnetizare
A8
A2
A7
A4
A5
A6
Stabilirea
punctului
de funcţionare
al magnetului
Magnetul
cu caracteristica de
demagnetizare
neliniară
Δrevenire
A1
HC
Br
B
0H
Fd
/lM Fd
/lM
A3
Magnetizat separat
A2
→ A3
→ A4
→ A5
Magnetizat în maşină
A1
→ A8
→ ( A1 A4 )
Solenaţie externă mare
A6
→ A7
A4
A1
Fd
/lM
A6
A2
Stabilirea
punctului
de funcţionare
al magnetului
A3A7
HC
Br
B
0H
Magnetul
cu caracteristica de
demagnetizare
liniară
Magnetizat separat
A2
→ A3
→ A4
Magnetizat în maşină
A1
→ ( A1 A4 ) → A3
Solenaţie externă mare
A6
→ A7
Maşini
sincrone
cu magneţi permanenţi
Variante constructive, funcţionareDezavantajele
maşinii sincrone în construcţie clasică, cu excitaţie
electromagnetică, : - prezenţa
sistemului perii –
inele colectoare pentru
alimentarea
excitaţiei şi -
necesitatea
unei surse de curent continuu
care poate fi o
maşină
de curent continuu sau un redresor comandat.
Solutia
la puteri
mici
si
medii: folosirea
magnetilor
permanenti.
O variantă clasică: -
statorul
în construcţie normală, adică miez din
tole cu crestături şi înfăşurare repartizată. -
rotor excitaţia electromagnetică
este înlocuită cu excitaţie
cu
magneţi permanenţi, existând
diferite soluţii constructive,
Variante constructive, funcţionare
Rotor cilindric din tole, cu magneţi permanenţi îngropaţi
Xd
< Xq
q
d
d q
d
Magnetizat paralel
Se adună solenaţiile Concentrare de flux
Hc
mic; Br
mare Hc
mare; Br
mic
Variante constructive, funcţionare
q
d
dd
d
q
Magnetizare radială Xd
< XqMagneţi permanenţi turnaţi
q
Variante constructive, funcţionare
q
d
a. Rotor cilindric din tole, cu magneţi permanenţi dispuşi în
întrefierla suprafaţa miezului
Magnetizare radială
Magnetizare paralelăRotor masiv
Întrefier uniform Xd
= XqHc
mare
Variante constructive, funcţionare
Rotor cu
poli gheară, cu magnetul permanent interior
Variante constructive, funcţionare
Motor sincron cu magnet permanent şi armătură statorică nesimetricăcu
poli gheară: 1, 7 – carcasa motorului, cu lagăre; 2, 4 –
polii gheară;3 –
bobina statorică homopolară; 5 –
axul şi inelul
rotoric
cu magnet permanent; 6 –
senzori
Hall; 8 –
dispozitiv de alimentare şi control
Variante constructive, funcţionare
Motor cu rotor disc dublu şi stator cu
poli gheară; 1 –
înfăşurare indusă, 2 –
ax
rotoric, 3, 9 –
rotor,4 –
suport de fier, 5
–
magneţi (magnetizaţi vertical), 6 – gheară exterioară,
7 – gheară interioară, 8
-
magneţi.
Câmpul
magnetic
Magneţi permanenţi dispuşi în întrefier la suprafaţa miezului.
Câmpul
magnetic
Magneţi permanenţi îngropaţi.
Câmpul
magnetic
Magneţi permanenţi îngropaţi.
Câmpul
magnetic
Modificarea câmpului magnetic în sarcină
Modelul matematic al maşinii sincrone cu magneţi permanenţi
EiE
ud
did
q uq
iq
iq
Q DiD
Axa stator
θ
Axa rotor
ΨE
NS
ΨE
NS
Sistem de referinţă legat de rotor
Modelul
matematic
dq
qSq
qd
dSd
ωdt
diRu
ωdt
diRu
Ψ+Ψ
+=
Ψ−Ψ
+=
dtd
iR0
dtdiR0
QQQ
DDD
Ψ+=
Ψ+=
qmQQσQdmDDσD
qmqsσqdmdsσd
iL;iLiL;iL
Ψ+=ΨΨ+=Ψ
Ψ+=ΨΨ+=Ψ
)i(iMΨ;Ψ)i(iMΨ QqqqmEDdddm +=++=
( ) rezd Tdtdω
pJp +=⋅Ψ−⋅Ψ dqq ii
Ecuaţiile de tensiune
Expresiile fluxurilor
Fluxul de magnetizare
Ecuaţia de mişcare
Modelul
matematic
dtd
iR0
dtdiR0
QQQ
DDD
Ψ+=
Ψ+=
Q
D
ii
q
d
MM
++
( )[ ]dqqdEq iiMMΨipT −+=
Dacă
motoarele sincrone cu excitaţie cu magneţi permanenţifuncţionează alimentate de la convertoare electronice , atuncinu sunt prevăzute
cu colivie rotorică.
dq
qSq
qd
dSd
ωΨdt
dΨiRu
ωΨdt
dΨiRu
++=
−+=
qqq
Eddd
iLΨΨiLΨ
=+=
qSσq
dSσd
MLLMLL
+=+=
Cuplul
In această situaţie modelul matematic al maşinii este caracterizat de ecuaţiile:
Modelul
matematic
În regim staţionar, ω
= ωS
,- dacă inductivităţile sincrone
Ld, Lq
nu depind de curent şi-
fluxurile sunt constante
ESddqSq
qqdSd
ΨωiXiRu
iXiRu
++=
−=
ESqqddSSS ΨjωiXijXiRu +−+=
qqEddS ijLΨiLΨ ++=
qdS jΨΨΨ +=
Din ecuaţiile de tensiune
qSqdSd LωX,LωX ==
Folosind notaţiile
Rezultă:
Ecuaţia de tensiune
Expresia fluxului statoric
ωS
L ⇒ X
Modelul
matematic
Diagrama
vectoriala ESqqddSSS ΨjωiXijXiRu +−+=
qqEddS ijLΨiLΨ ++=
Modelul
matematicCuplul
maşinii.
SSS Ψjωu ≅
[
]0dq
2
0d
0
S
sin2θX1
X1
2U
sinθX
UEω3pT
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
+=
0ES E3Ψω −=
Dacă se neglijează rezistenţa fazei statorice, atunci în regim staţionar se obţine:
Cuplu electromagnetic
Cuplu de reluctanţă
Tem
Tr
T
45 90 150 180
T
0θ0
Exemplu
Maşina sincronă cu magneţi permanenţi dispuşi pe periferia rotorului având 2p = 4
poli
turaţia nominală
nN
= 4000
rot/min, curentul nominal ISN = 1.8 A, cuplul nominal TN
= 1.3
Nm, inductivitatea sincronă LS
= 0.0275 H (Ld
≈
Lq
= LS
), rezistenţa fazei
statorice
RS
= 6.1 Ω, fluxul de excitaţie ΨE
= 0.212
Vsec.Moment de inertie
J = 0.000834 Ws3
( )
( ) ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −−⋅⋅=
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −−⋅⋅=
6πt2Ω3.14cos153u
6πt2Ω3.14sin153u
q
dTensiuni
de alimentare
in sistem
legat
de rotor
Modelul
matematic
Programul de simulare a funcţionării motorului utilizând mediul MATLAB -
SIMULINK
0.5 1 1.5 2-8
-6
-4
-2
0
2
4
Time (second)0.5 1 1.5 2
-5
0
5
Time (second)
Variaţia curenţilor
id
(a) şi iq
(b) la alimentare sinusoidală cu tensiune şi frecvenţă redusă.
Modelul
matematic.Rezultate
simulate
Comanda maşinii sincrone cu magneţi permanenţi
Comanda motorului sincron cu excitaţie cu magneţi permanenţi se face aplicând strategia cunoscută a comenzii cu orientare după câmpul
rotoric.
In
cazul maşinii sincrone cu magneţi permanenţi comanda se realizează cu orientare după fluxul de excitaţie ΨE
. .
Există şi situaţii când se renunţă la realizarea ortogonalităţii celor două componente de câmp şi respectiv de cuplu, şi anume în cazurile când se doreşte îmbunătăţirea factorului de putere sau când este necesară o slăbire de câmp pentru creşterea turaţiei.
In cazul în care cele două componente nu sunt perpendiculare, răspunsul sistemului este mai lent, cuplul electromagnetic reducându-se.
Deci curentul de cuplu din stator trebuie să fie pe direcţia axei q şi în consecinţă id = 0.
Comanda maşinii sincrone cu magneţi permanenţi
Neglijând rezistenţa fazei
statorice, se obţin ecuaţiile de regim staţionar
qqES
SSS
ijLΨΨΨjωu+=
=
EqΨpiT =
Cuplul:
Comanda maşinii sincrone cu magneţi permanenţi
2q
2q
2E
E
iLΨΨcos+
=ϕFactorul
de putere
La creşterea sarcinii, adică a lui
iq
, factorul de putere scade şi creşte
energia reactivă absorbită.
Pentru
menţinerea unei valori acceptabile a factorului de putere, deci a energiei reactive cerutede motor, trebuie să existe o componentăde curent pe direcţia axei d cu caracter demagnetizant .
În această situaţie cuplul nu mai este maxim şi răspunsul motorului estemai lent.
Comanda maşinii sincrone cu magneţi permanenţi
Sistem de poziţionare cu comandă după fluxul
rotoric
cu motor sincron cu magneţi permanenţi
( ) ( )∫ −+−= dtΩΩKKΩΩi *iΩpΩ
**q
Comanda maşinii sincrone cu magneţi permanenţi
222qqE
SS
iLu+Ψ
=ω
Pulsaţia
statorică -
turaţia rotorului la sincronism
-
se vede că la tensiune constantă turaţia maximă posibilă depinde de cuplu, deci de curentul
iq
.-
Pentru
creşterea turaţiei maxime posibile trebuie redus fluxul
printr-o componentă demagnetizantă de flux
statoric dată de un curent
id
≠
0.
Comanda cu orientare după câmp se poate realiza fără utilizarea unui
traductor de poziţie, când aceasta se estimează din valorile măsurate
ale curentului şi tensiunii de intrare.
Există diferite strategii.Strategia de comandă cu controlul direct al cuplului
(DTC
= direct
torque
control) este şi ea aplicabilă în cazul motorului sincron cu magneţi permanenţi.
Comanda maşinii sincrone cu magneţi permanenţi
Diagrama bloc a sistemului de control pentru acţionarea unui vehicul electric cu PMHM
BibliografieBiró
K., Viorel
I.A.,
"On the synchronous machine dynamic behaviour modeling", Proc. of ICEM
'94, Paris, vol. II, pp. 134-138.Henneberger
S.,
"Design and development of permanent magnet synchronous motor for a hybrid electric vehicle drive", Teză
de doctorat, Leuven
(Belgia),998.Luao
J, et al., "Axial flux circumferential current permanent magnet (AFCC) machine", Proc. of IEEE
-
IAS Annual Meeting, St. Louis (USA), 1998, pp.
144-51.Li, Y.,
"Design and control of a new class of doubly salient permanent-magnet machines", Teză
de doctorat, University of Wisconsin, Madison (USA), 1995.Măgureanu
R., Vasile
N.,
"Servomotoare
fără
perii
tip sincron", Ed.
Tehnică, Bucureşti, seria
Maşini
şi
aparate
electrice, 1990.Moczala H. et al., "Elektrische Kleinmotoren. Wirkungsweise, Bauformen, Eigenschaften-
Hinweise fur den Einsatz", Expert Verlag, 1993.Phillips
S.M., Mehregan
Y.,
"Dynamic models for control of micromotors",
Digest of Papers of Government Microcircuit Applications Conference, New Orleans (USA), 1993, pp. 307-310.Soong
W.L., Staton
D.A., Miller T.J.E.,
"Design of a new axially-laminated interior permanent magnet motor", IEEE Trans. on Ind. Appl, vol. 31 (1995), pp. 358-367.
BibliografieSzabó
L., Viorel
I.A., Chişu
Ioana, Kovács
Z.. "A novel double salient permanent magnet linear motor", Proc. of PCIM
'99, Nürnberg
(Germania), vol. Intelligent Motion, 1999, pp. 285-290.Viorel
I.A, Biró
K.A.,
"Permanent-magnet synchronous motor simplified field-
circuit model", Proc. of Electromotion
'95, Cluj, pp.
182-187.Viorel I.A., Chişu Ioana, Radu Mihaela,
"Double salient permanent magnet generators", Proc. of PCIM
'99, vol. Intelligent Motion, pp. 167-171.Viorel
I.A., Chişu
Ioana, Ciorba
R.C.,
"On the four phases double salient permanent magnet motors performance evaluation", Proc. of ICEM
'98, Istambul, vol. II, pp. 1184-1190.Viorel I.A., Tomescu Ilinca, Biró
K., Radu Mihaela,
"Radial –
flux double salient permanent magnet machines time domain simulation", Proc. of EPE-
PEMC
'2000, vol. 5, pp. 137-142.Weh
H., May H., Shalaby
M., "Highly effective magnetic circuits for permanent magnet excited synchronous machines", Proc. of ICEM’90, vol.
3, pp.
1040-1045.Yeadon
PW.H., Yeadon
A.W, "Handbook of small electric motors", McGraw-
Hill, New York, 2001.