1

1. DINAMIČKA SIMULACIJA PROMENLJIVE RELUKTANSE (PR) MOTORA

1.1 UVOD Pogoni sinhronog otpora su privukli obnovljeno interesovanje poslednjih

godina kao održivi, prilagodljivi pogonski sistemi bez potrebe ponovnog oblikovanja.

Ovi pogonski sistemi dobro se takmiče sa DC pogonskim sistemima vektor kontrolisane indukcije.

Oni su jeftini i snažni zbog odsustva skupih stalnih magneta i mogu upotrebiti jednostavan jednopolaran napon bez uticaja suma i problema talasanja obrtne sile, koji su se pojavljivali u drugim varijablama otpora.

Moderni otporni motori ne koriste zatvorene namotaje, i stoga imaju malo prigušavanje.

Postoje dva osnovna tipa PR pogonskih sistema: a) Dizajn dvostrukog klina ili uključenog pogona otpora b) Jedinstven klin ili pogon sinhronog otpora

Jedinstven klin ili pogoni sinhronog otpora imaju sledeće prednosti:

a) Jednostavna i snažna konstrukcija b) Stator sličan trofaznom AC motoru c) Smanjen akustički šum i talasi obrtne sile d) Funkcioniše kao AC sinhronizacija u kontroli otvorene petlje kao i pogon

bez potrebe ponovnog oblikovanja u zatvorenoj petlji sa feedback pozicijom

e) Visoka efikasnost uprkos sirokom spektru brzina

Došlo je do poboljšanja u stalnom stanju učinka otpornih mašina. Dinamički učinak takođe igra važnu ulogu u visokim preformansama

pogonskih sistema. U ovom radu model sinhronog motora generalnog otpora, baziran na

dvoosovinskoj teoriji je izveden i implementiran digitalno koristeći SIMULINK Toolbox.

Pogonski sistem je oblikovan koristeći MATLAB i SIMULINK. Date su dinamičke jednačine i rezultati simulacije.

Kao bazni parametri korišćeni su parametri eksperimentalne mašine za proučavanje dinamičkog preformansa.

2

Simulacija je bazirna na idealnom modelu otpornog sinhronog motora sa odnosom klina od 5.

Ovaj odnos je izabran u svrhe simulacije, međutim viši odnos može biti postignut modernim dizajnom RSM-a.

1.2 DINAMIČKE JEDNAČINE

Dobro poznati d-q model AC mašina je široko korišćen u svrhe simulacije.

Baziran je na pretpostavci da su namotaji statora sinusoidno razmešteni, d-q model je moćan alat za dinamičku simulaciju većinu AC mašina uključujući i otporne sinhrone mašine.

Jednačina koja objašnjava ponašanje otpornog sinhronog motora može biti izvedena iz uprošćene ekvivalentne šeme d-q osovine kao što je prikazano na sl. 1.1.

Sl. 1.1

Moderni otporni sinhroni motori nemaju zatvorne namotaje u početne svrhe pošto su već pogonom invertovani.

Otuda jednačine pollja namotaja i namotaja amortizera mogu biti uklonjene iz osnovne jednačine za DC sinhrone mašine.

3

Sl. 1.2 pokazuje tipičan dizajn visokih preformansi otpornog sinhronog motora sa multi fluks uputstvima po polu.

Sl. 1.2

Jednačine referentnog okvira d-q koje objašnjavaju motor napisane su kao:

tiLttiLdt

dtRtV qqrddid d

(1.1)

tiLttiLdt

dtRtV ddrqqiq q

(1.2)

gde su , direktne i kvadratne ose namotaja, dL qL tR je otpor namotaja stator i

tr ugaona brzina rotora. Mehaničko dinamičke i eletromagnetne jednačine obrtanja su date:

qdqde LLtitiPmtM (1.3)

tMtMtKdt

td

P

Jer

r

(1.4)

dt

tdt r

r

(1.5)

4

P = Broj parova polova J = Moment inercije

K = Obrtni moment viskoznosti

eM = Elektromagnetni obrtni moment

M = Učitani obrtni moment

m = Broj faze = Pozicija rotora

1.3 SIMULACIJA SISTEMA

Kompijutersko modelovanje i simulacija su široko korišćeni za proučavanje raznovrsnih kompleksnih sistema.

Sa odgovarajućim tehnikama simulacije izuzetno velika suma eksperimentalnih troškova može biti ušteđena u razvoju prototipa.

Među nekoliko softverskih paketasimulacije, SIMULINK je jedno od najmoćnijihtehnika za simulaciju dinamičkih sistema zbog njegovog grafičkog interfejsa i hijerarhijske strukture i pored toga SIMULINK koristi MATLAB kao alat u matematičke svrhe, koji dalje poboljšava modeliranje procesa.

Ovaj softver dozvoljava dizajn specijalnih korisničkih blokova koji mogu biti dodati glavnoj biblioteci.

Sl. 1.3 pokazuje blok dijagram u d-q referentnom okviru sinhrone mašine

otpora bez namotaja amortizera, razmatrajući mašinu sa dva pola. Rotor i mehaničko opterećenje su oblikovani koristeći spoljašnju obrtnu silu

'' '', viskoznu obrtnu silu ''M K '' i moment inercije '' ''. J

Razni parametri motora kao što su otpornost namotaja statora '' R '' direktna i kvadratna samoinduktivnost “ ”,” ”, naponi, ferkvencija i opterećenje obrtne

sile “ ” smatraju se ulazima, dok su struje obrtne sile i brzina rotora “

dL qL

M r “,

izlazi modela.

5

Sl. 1.3

1.4 KONSTRUKCIJA DINAMIČKOG MODELA

Glavni deo dinamičkog sinhronog modela motora je na sl. 1.4 model dvoosovinskog modela bloka motora koji se sastoji od elektricne obrtne sile, napona mašine i mehaničkih jednačina.

(3-2) Faza bloka transformacije konvertuje trofazne nabavke u dvofazni obrnuti blok transformacije konvertuje dvofaznu rotaciju referentnog okvira u trofazne stacionarnih ekvivalenata.

Opterećenje obrtne sile “ ” je predstavljena kao konstantna vrednost. M

Sl. 1.4

6

Varijabla opsega (obima) i ferkvencije izvora napona može biti implementirana koristeći trofazni blok izvora napona kao na Sl. 1.4 koji obezbeđuje sinusoidalni izvor sa ferkvencijom i opsegom faza specificiranim ulazom.

Da bi počela simlacija sistema parametri moraju biti poznati. Oni mogu biti izračunati ili izmereni kao što je u ovom istraživanju.

Parametri otpornog sinhoronog motora su eksperimentalno izmereni i prikazani u Tabela 1.1.

Parametri Vrednosti Jedinice

dL 0.5 H

qL 0.1 H

R 21.0

J 0.003 2mKg

K 0.007 radNm sec/

P 1

f 25 Hz

V 207.5 Volts

M 0 Nm

Tabela 1.1

1.5 REZULTATI

Sinhroni otporni motor (0.55 kW) je bio simuliran i dinamički odgovori su

dobijeni. Rezultati simulacije za obrtne sile/vreme, brzina/vreme i obrtne sile/brzina su

kao što je prikazano na sl. 1.5, 1.6 i 1.7. Sl. 1.5 pokazuje obrtnu silu koja nastaje kada se mašina pokrene iz mirovanja. Startna elektromagnetna obrtna sila je velika da bi omigućila rotoru da ubrza

do željene brzine i dovoljna da se susretne sa zahtevima opterećenja. Sl. 1.6 pokazuje odgovor brzinee kada se motor pokrene iz mirovanja, a da se

odnos ferkvencije napona odrzava konstantnim. Sl. 1.7 pokazuje karakteristike startne obrtne sile/brzini RSM-a. Pokazuje da je mašina sposobna za sinhronizaciju do sinhronovane brzine. Efekti raznih odnosa na obrtnu silu i brzinu su takođe pokazani. Sl. 1.7 pokazuje efekte odnosa klipa na krive obrtne sile/brzina.

7

Pokazano je da je mašina sposobna za sinhornizovanje kada se pokrene iz mirovanja kada nema opterećenja.

Pretpostavljeno je da motor bez ikakvih zatvorenih namotaja i stoga nema indukovane obrtne sile motora.

Sl. 1.5 Sl. 1.6

8

Sl. 1.7

1.6 ZAKLJUČCI

Dinamički model varijable otpornog motora je razvijen. Model je korišćen radi proučavanja dinamičke i sinhronovane preformanse otporne sinhronovane mašine.

SIMULINK je korišćen za simulativne rezulatate. Parametri eksperimentalne mašine su korišćeni kao bazni parametri radi

proučavanja efekta dizajniranih parametra.

9

1.7 LITERATURA

Betz, R.E. "Theoretical aspects of control of synchronous reluctance machines". Proc. lEE, vol. B-139, no. 4, 1992, pp. 355-364.

Boldea, I., i S.A. Nasar, "Emerging electric machines with axially laminated anisotropic rotors: a review". ibid, Elect. Mach. Power Sys., 19 (6), 673-703,1991.

Boldea, i, S.A. Nasar. "Torque vector control (TVC) -a class of fast and robust torque, speed and position digital controllers in electric drives". Elect. Mach. Power Sys., vol. 15,1988, pp. 135 - 147.

Boldea, i, S.A. Nasar. Vector Control of AC Drives. CRC Press, Boca Raton, USA, 1992.

Boldea, Z.X. Fu, i, S.A. Nasar, "Digital simulation of a vector controlled axially-laminated anisotropic (ALA) rotor synchronous motor servo-drive", Elect. Mech. Power Sys., Vol. 19, 1991, pp. 415 424.

J.E. Fletcher, T.e. Green, i, TJ.E. Williams. "Vector control of a synchronous reluctance motor utilising an axially laminated rotor". lEE Power Elect. and variable speed drives, 26-28 Oct., 1994.

A. Fratta, i, A. Vagati. "A reluctance motor drive for high dynamic performance applications". Record of IEEE-lAS. 1987. Annual Meeting, pp. 295 -302.

PJ. Lawrenson, i, S.K. Gupta. "Developments in the performance and theory of segmental rotor reluctance motors". Proc. lEE, Vol. 114. NO. 5. May. 1967, pp.645-53 .

L. Liang, L. Xu, i, T.A. Lipo. "dq analysis of variable speed doubly a.c. excited reluctance motor". Elect. Mach. PowerSys. Vol. 19,no. 2. 1991 , pp. 125 - 138.

R. Matthew, F. Flinders, i, W.Oghanna. "Locomotive total systems simulation using SIMULINK" IEEE Conf. Electric Railways in a United Europe. 27-30 March, 1995.

M.H. Nagrial. " Design and development of high performance synchronous reluctance motors". Proc. Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC'96). Melbourne, Vic., pp. 455-458, Oct. 2-4, 1996.

M.H. Nagrial, i, S.M.R. Sadri. "Design and performance of axially laminated cum flux-guided reluctance motor". Proc. Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC'95). pp. 65-71, Perth, WA. Sept. 27-29. 1995.