właściwości napędowe pięciofazowego silnika ...jarguz/grant/prezentacja1.pdf · właściwości...

Właściwości napędowe pięciofazowego silnika indukcyjnego klatkowego

Jarosław GUZIŃSKI, Grzegorz KOSTRO, Patryk STRANKOWSKI, Marcin MORAWIEC, Filip WilczyńskiWydział Elektrotechniki i Automatyki

Katedra Automatyki Napędu Elektrycznego

XVII konferencja naukowo-techniczna o charakterze szkoleniowymAUTOMATYKA, ELEKTRYKA, ZAKŁÓCENIA

24-26.05.2017, JurataWspółorganizatorzy: Politechnika Gdańska, Zarząd Portu Port Gdynia SA, SPE/O Gdańsk

1. 1969 rok pierwszy napęd elektryczny 5 fazowy z falownikiem napięcia

2. Do lat 1990 ograniczone zainteresowanie z powodu braku odpowiednich falowników

3. Duże zainteresowanie i intensywny rozwój od 2000 roku ze względu na pożądane zastosowanie w:• napędy trakcyjne (pojazdy hybrydowe i elektryczne),• napędy elektryczne statków,• napędy elektryczne w samolotach (koncepcja ‘more-electric

aircraft’).

Napędy elektryczne wielofazowe

• Maszyna wielofazowa czyli o liczbie faz większej niż trzy, np. maszyna pięciofazowa

• Nowe możliwości wynikające z zastosowania maszyn wielofazowych

• Elektryczna sieć trójfazowa nie jest ograniczeniem przy stosowaniu maszyn wielofazowych, np. 5 fazowych, gdyż większość napędów elektrycznych jest obecnie zasilana z falowników

• Maszyny wielofazowe są na razie drogie ale wynika to jedynie z małej skali produkcji, przy produkcji wielkoseryjnej koszt będzie podobny jak maszyn trójfazowych

Napędy elektryczne wielofazowe

Zalety w porównani z silnikami 3 fazowymi- Wyższa niezawodność (możliwość pracy z uszkodzoną jedną fazą, a w niektórych przypadkach również z uszkodzonymi dwoma fazami)

- Mniejsze pulsacje momentu (mniejszy hałas)

- Stosowanie falowników z tranzystorami na mniejsze prądy

- Dodatkowe możliwości sterowania (możliwe jest uzyskanie wyższego momentu napędowego)

Trudności- Bardziej złożone metody sterowania- Brak oferty fabrycznych pięciofazowychsilników i falowników

Napęd elektryczny z pięciofazowym silnik indukcyjny klatkowy

Napęd elektryczny z pięciofazowym silnik indukcyjny klatkowy

Pięciofazowy silnik indukcyjny klatkowy

Dane jednego z wykonanych prototypów:PN = 5,5 kWp = 3nN =1430 obr/minUN (fazowe) = 140 V fN = 75 HzIN = 10,9 AcosjN = 0,84

Budowa prototypu silnika:• wykorzystanie obudowy i wirnika standardowego silnika 3-fazowego

• projekt pakietu stojana• wycięcie blach stojana (laser FIBER)• złożenie pakietu blach i nawinięcie uzwojeń• złożenie silnika


Gotowy pięciofazowy silnik


Charakterystyka mechaniczna przy zasilaniu znamionowym – symulacja polowa


Charakterystyki mechaniczna przy zasilaniu znamionowym – symulacja i pomiary


Rozpływ strumienia i rozkład indukcji magnetycznej

Rozkład składowej radialnej indukcji

w szczelinie roboczej pięciofazowego silnika

indukcyjnego klatkowego przy zasilaniu napięciem

znamionowym

Praca w stanach awaryjnych

Rozruch bezpośredni sprawnego pięciofazowego silnika


Rozruch bezpośredni z uszkodzoną jedna fazą stojana

Prąd w fazie A


Charakterystyki mechaniczne pięciofazowego silnika indukcyjnego klatkowego przy zasilaniu napięciem znamionowym dla różnych uszkodzeń uzwojeń stojana – symulacja polowa


Charakterystyki mechaniczne pięciofazowego silnika indukcyjnego klatkowego przy zasilaniu znamionowym dla różnych uszkodzeń uzwojeń stojana – symulacja polowa i eksperyment


Prądy fazowe pięciofazowego silnika przy uszkodzeniu dwóch niesąsiadujących faz stojana przy zasilaniu znamionowym i 20% obciążeniu - badania laboratoryjne

Przy uszkodzeniach faz stojana zwiększają się prądy w nieuszkodzonych fazach. Rozkład tej jest niesymetryczny, np.:

Praca w stanach awaryjnychUszkodzenie faz stojana wpływa znacząco na rozpływ strumienia magnetycznego i rozkład indukcji magnetycznej

Rozpływ strumienia magnetycznego i rozkład indukcji magnetycznej przy uszkodzeniach faz stojana pięciofazowego silnika indukcyjnego

Zwiększenie momentu napędowego w pięciofazowym silniku klatkowym

Strumienie wirnika w pięciofazowym silniku indukcyjnym

Lepsze wykorzystanieobwodu magnetycznego

Sterowanie zapewniające synchronizacje 1 i 3 harmonicznej strumienia wirnika

Uzwojenia stojana skupione i rozłożone

Skupione Rozłożone

B

A

C D

E

-A

-B

-D'

-E'

A'

B'

C'D'

E'

-D

-E-A'

-B'

-C'

-C

722 =36

m=52p=2q =1s

B

A

C D

E

-A

-B

-D'

-E'

A'

B'

C'D'

E'

-D

-E

-A'

-B'

-C'

-C

722 =36

m=52p=2

B

A

CD

E

-A

-B

-D'

-E'

A'

B'

C'D'

E' -D

-E-A'

-B'

-C'

-C

q =2s

Model matematyczny pięciofazowego silnika o uzwojeniach skupionych

21

21

21

21

21

2442024421

220221

52

sinsinsinsincoscoscoscossinsinsinsincoscoscoscos

sA

Transformacja Clarke P=const

Model w układzie współrzędnych abcde (5 wymiarowa przestrzeń wektorowa) jest przekształcana na dwie dwuwymiarowe podprzestrzenie (płaszczyzny) a-b, x-y:

a-b

x-y

Składowa zerowa

I IIr r3


1 harmoniczna100 % Mn

3 harmoniczna do ok. 15% Mn

Model obwodowy maszyny indukcyjnej pięciofazowej o uzwojeniach skupionych:

obcIIe

Ie

r MMMddJ


I IIr r3

Kolejność zasilania faz pięciofazowego silnika indukcyjnego

Rozpływ strumienia magnetycznego w pięciofazowym silniku dla różnych kolejności zasilania faz uzwojenia stojana

Kolejność zasilania faz pięciofazowego silnika indukcyjnego

Sekwencja 1 Sekwencja 3

2p=4 2p=12

Zasilanie pięciofazowego silnika trzecią harmoniczną napięcia

Charakterystyki mechaniczne pięciofazowego silnika indukcyjnego przy zasilaniu trzecią harmoniczną napięcia – symulacje polowe i pomiary laboratoryjne

Modulacja szerokości impulsóww pięciofazowym falowniku napięcia

Przebieg napięcia przewodowego oraz prądu fazowego przy generowaniu pierwszej i trzeciej harmonicznej napięcia wyjściowego

NAPIĘCIE

PRĄD

Przebieg napięcia wyjściowego uab oraz przebieg i harmoniczne prądu fazowego ia podczas formowania równocześnie 1 i 3 harmonicznej napięcia wyjściowego

Sekwencja wektorów aktywnych i pasywnych:


Przebieg prądu fazowego pięciofazowego silnika indukcyjnego przy różnych obciążeniach i zasilaniu napięciem z dodatkiem 3 harmonicznej


Regulacja momentu, strumienia magnetycznego i prędkości obrotowej

Znane metody sterowania można stosować dla pięciofazowych silników

Sterowanie skalarne U/f jest możliwe jedynie dla sterowania w I układzie ortogonalnym

Sterowanie zwiększające moment napędowy wymaga układu zapewniającego synchronizacje strumienia wirnika w I oraz II układzie ortogonalnym, np.: Sterowanie polowo zorientowane Sterowanie nieliniowe (multiskalarne)

Estymacja zmiennych jest bardziej złożona, musi być dodany obserwator stany dla zmiennych II układu ortogonalnego

Sterowanie i estymacja zmiennych w obu układach ortogonalnych wymaga większej mocy obliczeniowej układu mikroprocesorowego

Sterowanie polowo zorientowane

Struktura układu sterowania polowo zorientowanego pięciofazowym silnikiem indukcyjnym klatkowym i synchronizacją pierwszej i trzeciej harmonicznej

strumienia

Sterowanie polowo zorientowanepięciofazowym silnikiem indukcyjnym

Przebiegi podczas nawrotu pięciofazowego silnika indukcyjnego przy sterowaniu polowo zorientowanym dla układów ortogonalnych I oraz II i z

synchronizacją strumieni – badania eksperymentalne

Sterowanie polowo zorientowane pięciofazowym silnikiem indukcyjnym

Elektryczne zmienne stanu modelu aI-bII :

Zmienne modelu multiskalarnego:

i i i i i12 r s r sq i i i i i i i21 r r r rq

i i i i i22 r s r sq i i

i ir r, i i

s si ,i

Zmienne multiskalarne prędkości kątowej:I11 rq II

11 rq 3 gdzie:III qq 11113

Sterowanie multiskalarne pięciofazowym silnikiem indukcyjnym

30-lecie sterowania multiskalarnego:Zbigniew Krzeminski, Nonlinear control of induction motor, Proceedings of the 10th IFAC World Congress, Munich, (1987), 349-354

Krzemiński Z., Adamowicz M., Guziński J.: "Nonlinear control of five phase induction motor withsynchronized third harmonic fluxinjection," First Workshop on Smart Grid and Renewable Energy (SGRE2015), 22-23.03.2015, Doha, Katar.

Na dynamikę prędkości kątowej wirnika mają wpływ moment pochodzący od 1. harmonicznej prądu stojana i strumienia wirnika oraz moment pochodzący od 3. harmonicznej prądu stojana i strumienia wirnika:

I IIII IIm m1112 obc 12I II

r r

L Ldq 1 q M qdt J L L

Równania dynamiki pozostałych zmiennych multiskalarnych:

i i i iiir s s r1212i i i

r si i

i i i im r11 22 21 1i i i i i i

r s r s

R L R Ldq qdt L L

L Lq ( q q ) u ,L L L L

ii ii i im21 r21 r 22i i

r r

Ldq R2 q 2R qdt L L

i i i iii i ir s s r2222 11 12i i i

r si i i i2i i i ir m m r

21 r s 22 i i i ii i i r r sr s

R L R Ldq q q qdt L L

R L L Lq R i u ,L L LL L

nielinowenielinowe


Zmienne sterujące modelu multiskalarnego:

i i i i i i i ii i i i ir s m r s s r1 11 22 21 1i i i i i

r r s r

L L L R L R Lu q ( q q ) m ,

L L L L

i i i i i

i i i ir s r m2 11 12 21i 2i i ir r s

i i i i i ii 2 i 2ir m r s s r12 222i i 2 i

r 21 r

L L R Lu ( q q qL L L

R L R L R L( q ) ( q ) ) mL ( q ) L

Linearyzacja nieliniowych równań modelu multiskalarnego:

i i i ii

i ir s s r1212 1i i i

r s

R L R Ldq q m ,dt L L

i i i iii ir s s r2222 2i i i

r s

R L R Ldq q m ,dt L L

Nowe zmienne sterujące


Sterowanie multiskalarne

I12q

I ref12q

I ref11q

I11q

I1m

I22q

I ref22q

ref21 1q

21 1q

I2m

Isv

Isv

Isi Isi

Ir r

IrIrI

rII ref

r

IIr

II12q

II ref12q II

1m

II22q

II ref22qII ref

21q

II21q

II2m

IIsv

IIsv

IIsi IIsi

IIr

r3

II refr

IIr

IIrIIr

r

Spr

zęże

nia

zwro

tne

linea

ryzu

jące

(14)

,(15)

ora

z tra

nsfo

rmac

ja (2

2),(2

3)zm

ienn

ych

ster

ując

ych

Spr

zęże

nia

zwro

tne

linea

ryzu

jące

(14)

,(15)

ora

z tra

nsfo

rmac

ja (2

2),(2

3)zm

ienn

ych

ster

ując

ych

r _ zad r, j.w.

sAi A sAi A

r _ zad r, j.w.

I 2obc 12 SM ,q , I j.w. I II 2

obc 12 12 SM ,q ,q , I j.w.

rA Wb rA Wb

Sterowanie multiskalarne tylko dla układu współrzędnych aI-bII

Sterowanie multiskalarne dla układów współrzędnych aI-bII oraz aI-bII

(iniekcja 3. harmonicznej strumienia wirnika)

Rozruchu silnika indukcyjnego pięciofazowego ze stałym momentem obciążenia - symulacja

Nastąpiłwzrost generowanego momentu przy jednakowymwskaźniku prądu

Max 0.85Max 0.94

2 22 I IIs s sI I I

r _ zad r, j.w.

sAi A sAi A

r _ zad r, j.w.

I 2obc 12 SM ,q , I j.w. I II 2

obc 12 12 SM ,q ,q , I j.w.

rA Wb rA Wb

Sterowanie multiskalarne tylko dla układu współrzędnych aI-bII

Sterowanie multiskalarne dla układów współrzędnych aI-bII oraz aI-bII

(iniekcja 3. harmonicznej strumienia wirnika)

Rozruchu silnika indukcyjnego pięciofazowego ze stałym momentem obciążenia - symulacja

Rozruch Rozruch

Skutkiemjest skrócenieczasurozruchuo ok. 1/5

Podsumowanie i wnioski

Główną zaletą pięciofazowych silników jest podwyższona niezawodność pracy co czyni silniki te szczególnie przydatnymi w układach dużej mocy i innych wymagających niezawodnej pracy

Silniki pięciofazowe mogą pracować z ograniczonym momentem z uszkodzoną jedną lub dwoma nie sąsiednimi fazami

Przy wprowadzeniu odpowiedniej metody sterowania można uzyskać wzrost momentu napędowego dzięki wykorzystaniu trzeciej harmonicznej strumienia wirnika

Stopień skomplikowania konstrukcji pięciofazowego silnika jest podobny do trójfazowego silnika, koszt będzie podobny przy produkcji wielkoseryjnej

Możliwa jest zmiana istniejącego trójfazowego silnika na pięciofazowy silnik jedynie przez wymianę pakietu stojana

Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer

DEC-2013/09/B/ST7/01642 oraz 2015/19/N/ST7/03078.

właściwości napędowe pięciofazowego silnika ...jarguz/grant/prezentacja1.pdf · właściwości...

Documents