Masini sincrone speciale - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~birok/MS/4-Masini_cu_MP.pdf · Maşini...

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


Schema echivalentă a circuitului magnetic

LMδ

LFeℜM

φM

FM

φσ

ℜσ

φδ

ℜδ

ℜFe

Magnetul


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


Explicativă la punctul de funcţionare al magnetului

saturat

scăpări

T=2000

C

nesaturat

HM

BM

T=200

C

HC

Br

B

0H

Magnetul


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


q

d

dd

d

q

Magnetizare radială Xd

< XqMagneţi permanenţi turnaţi

q


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


Rotor cu

poli gheară, cu magnetul permanent interior


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


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

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.


Neglijând rezistenţa fazei

statorice, se obţin ecuaţiile de regim staţionar

qqES

SSS

ijLΨΨΨjωu+=

=

EqΨpiT =

Cuplul:


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.


Sistem de poziţionare cu comandă după fluxul

rotoric

cu motor sincron cu magneţi permanenţi

( ) ( )∫ −+−= dtΩΩKKΩΩi *iΩpΩ

**q


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.


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.

Masini sincrone speciale - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~birok/MS/4-Masini_cu_MP.pdf · Maşini...

Documents

Transcript of Masini sincrone speciale - users.utcluj.rousers.utcluj.ro/~birok/MS/4-Masini_cu_MP.pdf · Maşini...