5. Servopohony se synchronními motory s permanentními magnety

Transkript

1 5. Servoohony se synchronními motory s ermanentními magnety V sočasné obě nabývají stále více na význam stříavé reglační ohony se synchronními motory, nichž je bicí vintí nahrazeno ermanentními magnety. Požitím nových magnetických materiálů na bázi sločenin samarim-kobalt (SmCO 5 res. SmCO 7 ) a neoym-bor-železo (NBFe) byly vyvinty synchronní motory s výkonem řáově stovek kilowattů [Branštetter, 999]. Přesto je ovšem zatím zřejmě největší vyžití těchto motorů v oblasti servomechanismů - robotů a manilátorů, řičemž těchto alikací jso nejčastější výkony o několika kw. Pohony s těmito servomotory jso v zahraniční literatře označovány jako Brshless A. C. Motor Servorives neboli bezkartáčové servoohony. Rovněž se lze setkat s označením PMSM (Permanent Magnet Synchronos Motor), i kyž tento název je oněk obecnější, rotože se něky ožívá i ro EC motory osané v náslející kaitole. Stator je běžný, třífázový, stejně jako asynchronního nebo klasického synchronního motor s vintým rotorem. Rotor je tvořen ermanentní magnety (nejčastěji ze vzácných zemin), řičemž tvar magnetické inkce ve vzchové mezeře a tey i inkovaného naětí je harmonický, sinsový. Statorové vintí, které je zaojeno o hvězy, je naájeno harmonickými roy, což zabezečje rovnoměrný cho motor bez momentových lzací. K naájení motor se ožívá naěťový stříač osazený nejčastěji IGBT tranzistory se zětnými ioami. Stříač racje nejčastěji s lzně šířkovo molací. Pro řízení je ntno co nejřesněji znát informaci o okamžité oloze a rychlosti motor. Z tohoto ůvo je motor vybaven resolverem nebo inkrementálním čilem. V orovnání se stejnosměrnými mají bezkartáčové servomotory tyto výhoy: - malé rozměry a moment setrvačnosti - velké, běžně až 6-ti násobné roové a momentové řetížení v ynamických stavech - vysoká životnost a rovozní solehlivost - minimální nároky na úržb 5.. Matematický moel synchronního motor s ermanentními magnety Zjenošjící řeoklay: - Průběh magnetické inkce ve vzchové mezeře a tey i inkovaného naětí je sinsový, řičemž je obecně važován rotor s vyniklými óly, tj. s různo magneticko voivostí v oélném a říčném směr - Parametry (R, ) stroje jso konstantní a stejné ve všech třech fázích - Ztráty v železe jso zanebány - Tlmicí vintí na rotor není roveeno a rovněž se zanebávají tlmicí účinky materiál rotor - Nlový voič není řiojen Řešení rovnic moel je vhoné rováět v sořané sostavě (, ) sojené s rotorem stroje, stejně jako synchronního stroje s bicím vintím.

2 Volba roměnných: -vstní roměnné...,, M -stavové roměnné...i, i, -výstní roměnné...i, i,, M e, event. Ψ, Ψ Pro magnetická sřažení na záklaě veených zjenošení latí: Ψ i Ψ f (5-) Ψ i (5-) Naěťové rovnice obecného synchronního stroje (6-0) a (6-) lit. [Neborák, 005] ravíme s ožitím výše veených vztahů na náslející tvar Ψ ( i i i Ψ f) s Ψ s s i t t t (5-) Ψ i s Ψ s ( i Ψ f) (5-4) t t Z nich ak rčíme erivace stavových veličin, což jso statorové roy. Po alaceově transformaci ostaneme I I ( U RsI I ) (5-5) ( U Rs I I Ψ f ) (5-6) Maticový záis stavových rovnic ak vyaá násleovně (jená se o nelineární systém): I I R s R s I I 0 0 U U Ψ f (5-7, 8) z ohybové rovnice získáme erivaci třetí stavové roměnné - mechanické rychlosti Ω m Jc ( M - M ) (5-9) e elektrická rychlost (5-0)

3 Elektromagnetický moment stroje [ ] M i i e ( Ψ - Ψ ) Ψ f ( -) i i (5-) Pok (stroj s hlakým rotorem ), ak se rovnice ro moment zjenoší na tvar M e Ψ fi (5-) Tento vztah nám ává, že moment stroje je án sočinem kolmé (momentové) složky rostorového vektor statorového ro a konstantního bicího magnetického tok (sřažení), který je án oze ermanentními magnety a nikoliv výsleným tokem ovlivněným statorovým roem. Tato sktečnost možňje navrhnot oměrně jenocho reglační strktr (viz náslející kaitol), ve které nemsíme zjišťovat velikost a oloh celkového (výsleného) magnetického sřaženého tok, ale stačí se orientovat oze na oloh rotor stroje. Výše veeným vztahům oovíá blokové schéma na obr. 5.. R s U I ψ f ψ M e M J c U I ψ R s Obr.5.. Blokové schéma synchronního motor s ermanentními magnety

4 5.. Reglace ohon se synchronním motorem s ermanentními magnety Pohon s reglační strktro le obr. 5.. je realizovano v laboratoři katery výkonové elektroniky a elektrických ohonů VŠB-TU Ostrava [Branštetter, 999]. V této literatře jso rovněž veeny změřené růběhy ro řía bez obzování, tj. ro i 0 A. Motor byl naájen z neřímého měniče kmitočt sestávajícího ze vstního ioového směrňovače v zaojení trojfázový můstek ( naětí ve ss meziobvo nastaveno na honot U 00 V) a naěťového stříače s IGBT tranzistory. Řízení výstního naětí je roveeno omocí komarační PWM s kmitočtem ilovitého signál f 4 khz o amlitě U max ± 0 V. Ke snímání otáček a olohy rotor složilo inkrementální čilo IRC 0/04 s elektrickým násobením 4x (o vynásobení 4096 im/ot). Strktra reglace rychlosti s vektorovým řízením v systém rotorových sořanic realizovaná na kateře výkonové elektroniky a elektrických ohonů VŠB-TU Ostrava je nakreslena na obr. 5.. [Branštetter, 999]. Porobný ois reglační strktry je veen v [Branštetter, 999]. Algoritms vychází z kritéria maximálního moment ři minimálním ro [Bolea, 999] a je zjenošený ro řía, že. V tomto říaě je až o (řibližně) jmenovité rychlosti ržována složka ro i 0. V oblasti na jmenovito rychlostí je ntno rovést obzení motor. Toto je možné zajistit vhoným řízením složky i (o záorných honot) tak, aby velikost vektor statorového naětí byla v řiitelné oblasti výstního naětí naěťového stříače. Prostorový vektor inkovaného rotinaětí můžeme v stáleném stav vyjářit vztahem j ( i j i ) jψ (5-) Mol této veličiny f ( i ) Ψ f ( i ) (5-4) který je rekonstrovaný ve výočetním blok VB, nesmí řekročit rčito maximální mez, která závisí na velikosti úbytk naětí na statorovém oor a obvykle leží v rozsah [Branštetter, 999] 0,8 smax < max < 0,9 smax (5-5) Zajištění ožaované honoty i rováí I-reglátor obzení, který zracovává rozíl mezi maximálně řístno honoto inkovaného rotinaětí zvoleno le (5-5) a aktální honoto ano (5-4). Výst z reglátor obzení má nesymetrické omezení i max 0 (ro oblast rychlostí o jmenovité honoty) a i min ( ro oblast rychlostí na jmenovité honoto, ke s rostocí rychlostí je ntno zvyšovat záorno honot i ). S ohleem na maximální řístný ro měniče, res. motor i max je v oblasti obzení ntné omezovat také složk i ole vztah i max max ± i i (5-6) což se rováí ve výočetním blok VB. 4

5 R ob R is max - i s - i s ~ i s i s VB VB i s ψ f e i rα s r BZV r BVN T/ ra rb rc MK R Ω i smax i s e rβ R is - - i s TAB sin, cos sin θ cos θ i s i s BVN i sα i sβ T / i sa i sb θ BVPR IČ SM Obr. 5.. Strktra reglace rychlosti synchronního motor s ermanentními magnety Žáaná momentová složka statorového ro i je rčována reglátorem otáček R Ω. Obě složky rostorového vektor statorového ro jso ak reglovány v ořazených reglačních smyčkách ro. Ke zkvalitnění těchto reglací je vhoné řičíst k výstům reglátorů ro složky naětí e a e z výst blok zršení vazby BZV ole vztahů, které lze ovoit z naěťových rovnic (5-, 4). e i (5-7) ( i Ψ ) (5-8) e f Bloky vektorového natočení BVN, BVN rováějí transformaci veličin z rotorového systém o statorového res. zětně na záklaě (elektrického) úhl natočení rotor θ, snímaného nař. inkrementálním čilem. 5