Waciwoci napdowe piciofazowego silnika indukcyjnego klatkowego

Jarosaw GUZISKI, Grzegorz KOSTRO, Patryk STRANKOWSKI, Marcin MORAWIEC, Filip WilczyskiWydzia Elektrotechniki i Automatyki

Katedra Automatyki Napdu Elektrycznego

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

24-26.05.2017, JurataWsporganizatorzy: Politechnika Gdaska, Zarzd Portu Port Gdynia SA, SPE/O Gdask

1. 1969 rok pierwszy napd elektryczny 5 fazowy z falownikiem napicia

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

3. Due zainteresowanie i intensywny rozwj od 2000 roku ze wzgldu na podane zastosowanie w: napdy trakcyjne (pojazdy hybrydowe i elektryczne), napdy elektryczne statkw, napdy elektryczne w samolotach (koncepcja more-electric

aircraft).

Napdy elektryczne wielofazowe

Maszyna wielofazowa czyli o liczbie faz wikszej ni trzy, np. maszyna piciofazowa

Nowe moliwoci wynikajce z zastosowania maszyn wielofazowych

Elektryczna sie trjfazowa nie jest ograniczeniem przy stosowaniu maszyn wielofazowych, np. 5 fazowych, gdy wikszo napdw elektrycznych jest obecnie zasilana z falownikw

Maszyny wielofazowe s na razie drogie ale wynika to jedynie z maej skali produkcji, przy produkcji wielkoseryjnej koszt bdzie podobny jak maszyn trjfazowych

Napdy elektryczne wielofazowe

Zalety w porwnani z silnikami 3 fazowymi- Wysza niezawodno (moliwo pracy z uszkodzon jedn faz, a w niektrych przypadkach rwnie z uszkodzonymi dwoma fazami)

- Mniejsze pulsacje momentu (mniejszy haas)

- Stosowanie falownikw z tranzystorami na mniejsze prdy

- Dodatkowe moliwoci sterowania (moliwe jest uzyskanie wyszego momentu napdowego)

Trudnoci- Bardziej zoone metody sterowania- Brak oferty fabrycznych piciofazowychsilnikw i falownikw

Napd elektryczny z piciofazowym silnik indukcyjny klatkowy

Napd elektryczny z piciofazowym silnik indukcyjny klatkowy

Piciofazowy silnik indukcyjny klatkowy

Dane jednego z wykonanych prototypw: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 wycicie blach stojana (laser FIBER) zoenie pakietu blach i nawinicie uzwoje zoenie silnika

Piciofazowy silnik indukcyjny klatkowy

Gotowy piciofazowy silnik

Piciofazowy silnik indukcyjny klatkowy

Charakterystyka mechaniczna przy zasilaniu znamionowym symulacja polowa

Piciofazowy silnik indukcyjny klatkowy

Charakterystyki mechaniczna przy zasilaniu znamionowym symulacja i pomiary

Piciofazowy silnik indukcyjny klatkowy

Rozpyw strumienia i rozkad indukcji magnetycznej

Rozkad skadowej radialnej indukcji

w szczelinie roboczej piciofazowego silnika

indukcyjnego klatkowego przy zasilaniu napiciem

znamionowym

Praca w stanach awaryjnych

Rozruch bezporedni sprawnego piciofazowego silnika

Praca w stanach awaryjnych

Rozruch bezporedni z uszkodzon jedna faz stojana

Prd w fazie A

Praca w stanach awaryjnych

Charakterystyki mechaniczne piciofazowego silnika indukcyjnego klatkowego przy zasilaniu napiciem znamionowym dla rnych uszkodze uzwoje stojana symulacja polowa

Praca w stanach awaryjnych

Charakterystyki mechaniczne piciofazowego silnika indukcyjnego klatkowego przy zasilaniu znamionowym dla rnych uszkodze uzwoje stojana symulacja polowa i eksperyment

Praca w stanach awaryjnych

Prdy fazowe piciofazowego silnika przy uszkodzeniu dwch niessiadujcych faz stojana przy zasilaniu znamionowym i 20% obcieniu - badania laboratoryjne

Przy uszkodzeniach faz stojana zwikszaj si prdy w nieuszkodzonych fazach. Rozkad tej jest niesymetryczny, np.:

Praca w stanach awaryjnychUszkodzenie faz stojana wpywa znaczco na rozpyw strumienia magnetycznego i rozkad indukcji magnetycznej

Rozpyw strumienia magnetycznego i rozkad indukcji magnetycznej przy uszkodzeniach faz stojana piciofazowego silnika indukcyjnego

Zwikszenie momentu napdowego w piciofazowym silniku klatkowym

Strumienie wirnika w piciofazowym silniku indukcyjnym

Lepsze wykorzystanieobwodu magnetycznego

Sterowanie zapewniajce synchronizacje 1 i 3 harmonicznej strumienia wirnika

Uzwojenia stojana skupione i rozoone

Skupione Rozoone

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 piciofazowego silnika o uzwojeniach skupionych

21

21

21

21

21

2442024421

220221

52

sinsinsinsincoscoscoscossinsinsinsincoscoscoscos

sA

Transformacja Clarke P=const

Model w ukadzie wsprzdnych abcde (5 wymiarowa przestrze wektorowa) jest przeksztacana na dwie dwuwymiarowe podprzestrzenie (paszczyzny) a-b, x-y:

a-b

x-y

Skadowa zerowa

I IIr r3

Model matematyczny piciofazowego silnika o uzwojeniach skupionych

1 harmoniczna100 % Mn

3 harmoniczna do ok. 15% Mn

Model obwodowy maszyny indukcyjnej piciofazowej o uzwojeniach skupionych:

obcIIe

Ie

r MMMddJ

Model matematyczny piciofazowego silnika o uzwojeniach skupionych

I IIr r3

Kolejno zasilania faz piciofazowego silnika indukcyjnego

Rozpyw strumienia magnetycznego w piciofazowym silniku dla rnych kolejnoci zasilania faz uzwojenia stojana

Kolejno zasilania faz piciofazowego silnika indukcyjnego

Sekwencja 1 Sekwencja 3

2p=4 2p=12

Zasilanie piciofazowego silnika trzeci harmoniczn napicia

Charakterystyki mechaniczne piciofazowego silnika indukcyjnego przy zasilaniu trzeci harmoniczn napicia symulacje polowe i pomiary laboratoryjne

Modulacja szerokoci impulsww piciofazowym falowniku napicia

Przebieg napicia przewodowego oraz prdu fazowego przy generowaniu pierwszej i trzeciej harmonicznej napicia wyjciowego

NAPICIE

PRD

Przebieg napicia wyjciowego uab oraz przebieg i harmoniczne prdu fazowego ia podczas formowania rwnoczenie 1 i 3 harmonicznej napicia wyjciowego

Sekwencja wektorw aktywnych i pasywnych:

Modulacja szerokoci impulsww piciofazowym falowniku napicia

Przebieg prdu fazowego piciofazowego silnika indukcyjnego przy rnych obcieniach i zasilaniu napiciem z dodatkiem 3 harmonicznej

Modulacja szerokoci impulsww piciofazowym falowniku napicia

Regulacja momentu, strumienia magnetycznego i prdkoci obrotowej

Znane metody sterowania mona stosowa dla piciofazowych silnikw

Sterowanie skalarne U/f jest moliwe jedynie dla sterowania w I ukadzie ortogonalnym

Sterowanie zwikszajce moment napdowy wymaga ukadu zapewniajcego synchronizacje strumienia wirnika w I oraz II ukadzie ortogonalnym, np.: Sterowanie polowo zorientowane Sterowanie nieliniowe (multiskalarne)

Estymacja zmiennych jest bardziej zoona, musi by dodany obserwator stany dla zmiennych II ukadu ortogonalnego

Sterowanie i estymacja zmiennych w obu ukadach ortogonalnych wymaga wikszej mocy obliczeniowej ukadu mikroprocesorowego

Sterowanie polowo zorientowane

Struktura ukadu sterowania polowo zorientowanego piciofazowym silnikiem indukcyjnym klatkowym i synchronizacj pierwszej i trzeciej harmonicznej

strumienia

Sterowanie polowo zorientowanepiciofazowym silnikiem indukcyjnym

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

synchronizacj strumieni badania eksperymentalne

Sterowanie polowo zorientowane piciofazowym 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 is si ,i

Zmienne multiskalarne prdkoci ktowej:I11 rq

II11 rq 3 gdzie:

III qq 11113

Sterowanie multiskalarne piciofazowym silnikiem indukcyjnym

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

Krzemiski Z., Adamowicz M., Guziski 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 dynamik prdkoci ktowej wirnika maj wpyw moment pochodzcy od 1. harmonicznej prdu stojana i strumienia wirnika oraz moment pochodzcy od 3. harmonicznej prdu stojana i strumienia wirnika:

I IIII IIm m1112 obc 12I II

r r

L Ldq 1 q M qdt J L L

Rwnania dynamiki pozostaych 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

Sterowanie multiskalarne piciofazowym silnikiem indukcyjnym

Zmienne sterujce 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 rwna 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 sterujce

Sterowanie multiskalarne piciofazowym silnikiem indukcyjnym

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 II1m

II22q

II ref22qII ref21q

II21q

II2m

IIsv

IIsv

IIsi IIsi

IIr

r3

II refr

IIr

IIrIIr

r

Spr

ze

nia

zwro

tne

linea

ryzu

jce

(14)

,(15)

ora

z tra

nsfo

rmac

ja (2

2),(2

3)zm

ienn

ych

ster

ujc

ych

Spr

ze

nia

zwro

tne

linea

ryzu

jce

(14)

,(15)

ora

z tra

nsfo

rmac

ja (2

2),(2

3)zm

ienn

ych

ster

ujc

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

rA Wb rA Wb

Sterowanie multiskalarne tylko dla ukadu wsprzdnych aI-bII

Sterowanie multiskalarne dla ukadw wsprzdnych aI-bII oraz aI-bII

(iniekcja 3. harmonicznej strumienia wirnika)

Rozruchu silnika indukcyjnego piciofazowego ze staym momentem obcienia - symulacja

Nastpiwzrost generowanego momentu przy jednakowymwskaniku prdu

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

rA Wb rA Wb

Sterowanie multiskalarne tylko dla ukadu wsprzdnych aI-bII

Sterowanie multiskalarne dla ukadw wsprzdnych aI-bII oraz aI-bII

(iniekcja 3. harmonicznej strumienia wirnika)

Rozruchu silnika indukcyjnego piciofazowego ze staym momentem obcienia - symulacja

Rozruch Rozruch

Skutkiemjest skrcenieczasurozruchuo ok. 1/5

Podsumowanie i wnioski

Gwn zalet piciofazowych silnikw jest podwyszona niezawodno pracy co czyni silniki te szczeglnie przydatnymi w ukadach duej mocy i innych wymagajcych niezawodnej pracy

Silniki piciofazowe mog pracowa z ograniczonym momentem z uszkodzon jedn lub dwoma nie ssiednimi fazami

Przy wprowadzeniu odpowiedniej metody sterowania mona uzyska wzrost momentu napdowego dziki wykorzystaniu trzeciej harmonicznej strumienia wirnika

Stopie skomplikowania konstrukcji piciofazowego silnika jest podobny do trjfazowego silnika, koszt bdzie podobny przy produkcji wielkoseryjnej

Moliwa jest zmiana istniejcego trjfazowego silnika na piciofazowy silnik jedynie przez wymian pakietu stojana

Projekt zosta sfinansowany ze rodkw Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer

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