Permanentmagnetiserad synkronmotor. Industriell Elektroteknik och Automation

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Permanentmagnetiserad synkronmotor. Industriell Elektroteknik och Automation"

Hans Sandberg
för 5 år sedan
Visningar:

1 Permanentmagnetiserad synkronmotor Industriell Elektroteknik och Automation

2 Matematisk modell LM igen u a R a i a L a di dt a m T= m i a i a J d dt T T L Tomgång, om u a =U, vad blir? U/ m Hur ändrar man? Med u a. u a R a L a e a Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 3

3 Permanentmagnetiserad (PM) elmotor Likströmsmaskin Synkronmaskin Magneter i statorn Ström i lindning i rotorn F=Bil Magneter på rotorn Ström i lindning i statorn F=Bil Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 5

4 Permanentmagnetiserad Synkronmaskin Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 6

5 PMSM har goda egenskaper Hög momenttäthet Nm/kg används i industrirobotar Jmf förbränningsmotor Nm/kg Jmf hydraulmotorer 600 Nm/kg Hög verkningsgrad Upp till 98% Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 7

6 PMSM: Maximera kraft och vridmoment m Magneterna ger ett rotorflöde riktat uppåt vektor m i s Ström ut ur bilden Ström in i bilden i alla ledare i alla ledare Strömmen i lindningarna ger flöde riktat åt vänster vektor i s Vridmoment tycks vara T= m i s sin och maximalt för =90 Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 9

7 PMSM: Låt rotorn rotera i s m Rotorflödet ställer in sig i statorflödets riktning och T= m i s sin0=0 Om man kunde vrida runt statorflödet på något sätt Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 10

8 Tre faser Betrakta det som tre lindningar vridna 120 I verkligheten ligger lindningarna fördelade över flera spår Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 11

9 Trefas sinus Roterande statorflöde Magnetiserad rotor kommer att följa statorflödet 12 Synkront varvtal (n s eller ω s )

10 Animering Trefaslindning Sinusformad trefasspänning Trefasflöde Roterande flöde Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 14

11 Poltal Flytta 60 fram i tiden 2-polig 60 elektriska grader 60 mekaniska grader 4-polig 60 elektriska grader 30 mekaniska grader el 2 p mek T el 2 p T mek poltal 15

12 Ekvivalent schema Vi kan nu få motorn att rotera Lindning med varierande flöde ger inducerad spänning E E d dt cost Nästan samma som för likströmsmaskinen Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 16

Kraft på ledarna / kraft på rotorn Magneterna ger ett rotorflöde riktat nedåt vektor m Strömmen

13 Vridmoment Tomgång Statorflöde och rotorflöde linjerar klämspänning = inducerad spänning (emk) Ingen ström Ingen kraft på ledarna Maximalt vridmoment Statorflöde och rotorflöde vinkelräta Kraft på ledarna / kraft på rotorn Magneterna ger ett rotorflöde riktat nedåt vektor m Strömmen i lindningarna ger flöde riktat åt höger vektor i s Vridmomentet är T= m i s sin och maximalt för =90 17

14 Rotation Trefasströmmar i trefaslindningar ger roterande strömvektor och därmed roterande flödesvektor Magnet inuti statorn roterar Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 18

15 Vektormodell av enbart stator a i b i c i dt d i R u a a s a dt d i R u b b s b dt d i R u c c s c e e j j j e 3 2 j e 1 p(t) ua ia ub ib uc ic u i u i Effektinvarians: samma effekt i båda modellerna Varje lindning en RL-krets med Li= Koordinataxlar och motsvarar Re och Im-axlar 19 Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik

16 Vektormodell av enbart stator Det behövs alltså bara två komponenter (α,β) för att uttrycka trefas spänningar, strömmar och flöden i b e 2 j 3 i a e 4 j 3 1 i c Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 20

17 Vektormodell med rotor i s i Rotorns permanentmagnet Statorns elektromagnet m r i Koordinataxlar: och fast i statorn Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 21

18 Tomgång i s i m r i Tomgång ingen ström Anta konstant rotation: r = r t = inducerad emk som beror på m och r Statorspänning vid tomgång: Spänningsvektorn pekar dit flödesvektorns spets rör sig dvs spänningen 90 före flödet Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 22

19 Statorspänningarnas kurvformer Vid tomgång: i s i Sinusformade späningar m r i Spänningens frekvens f direkt prop mot r Spänningens amplitud U direkt prop mot r I tomgång gäller U/f konstant Jämför med generatorn i Lab 1 Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 23

20 Vridmoment i s i Multiplikation med ger effekt Aktiv effekt möjlig i två termer Statorresistansen ger förluster med hela strömmen Inducerad emk och ström med samma fas ger axeleffekt Inducerad emk m r i Vridmoment så

21 Verkar detta rimligt? Statorströmvektor 90 före ger strömfördelning nedan Som vid maximering av T tidigare F=Bil stämmer Strömmen går mitt för magneterna y i s x m r Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 25

22 PMSM funktion stationärt Tomgång Belastning Ingen ström u s = j r m Som att följa med karusell Vektor i s där delen vinkelrät mot m (i fas med emk-n j r m ) ger vridmoment Emk-n j r m liten vinkel efter statorspänningen u s Som att dra karusell med gummiband u s =j r m m j L r i s s u s R s i s j r i s m m Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 26

23 Variabelt varvtal för växelströmsmotor Varvtal beror av frekvensen Spänningens amplitud bör följa frekvensen Skicka sinusformade börvärden till triangelvågsmodulatorer Ger PWM-spänningar med valfri frekvens och spänning Enkel mjukstart med växelriktare Mål rampformad ökning av varvtalet till önskat värde Välj motsvarande frekvensramp Välj även spänningsramp för konstant U/f Inget behöver mätas Ex A5.1 Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 27

24 Kraftelektronik för 3-fas växelströmsmotor Motor med tre lindningar vridna 120 Likspänningsmatning (U dc ) oftast från likriktad 3-fas 3 bryggben (6 transistorer) 3-fas ut Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 28

25 Kraftelektronik för växelströmsmotor Försök efterlikna trefas sinus osv Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 29

26 Spänningsvektorer 30

27 Spänningsvektorer, six-step Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 31

28 Flödesvektor, six-step Flödet är integralen av spänningen Flödet hexagonformat Stort momentrippel Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 32

29 Vik in hörnen Kortare tid på varje spänningsvektor Fler switchningar Jämnare flöde Jämnare moment Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 33

30 PWM Sex aktiva vektorer Två nollvektorer Kombinera flera vektorer (tex 000, 100, 110, 111), växla snabbt mellan dessa Trefasig växelriktning ger medelvektor Switchning mellan sex riktningar valbar medelriktning Switchning mellan aktiv/nollvektor valbar medelamplitud Ex A5.2 Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 34

31 Spännings- och flödesvektorer Spänningsvektorer väljs för bästa medelvektor Målet är en flödesvektor med konstant hastighet och längd Spetsen följer då en cirkel Resultat med PWM kan bli ganska nära I medel följer flödesvektorns spets en cirkel Litet momentrippel Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 35

32 PWM-kurvformer +Ud/2 id 0 sa va sb vb sc vc -Ud/2 + uab - + ubc - - uca + + ua + ub + uc - - vo - Y-kopplad statorlindning OBS V 0 inte på nollpotential: V 0 =(V a +V b +V c )/3 0 Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 36

33 Avancerad reglering av växelströmsmotor Använd motormodell för att beräkna styrlagar Välj spänningsvektor som ger exakt önskat vridmoment Vektorreglering i roterande koordinatsystem Kan åstadkomma stegsvar i strömmar på enstaka switchperiod I detalj i kursen Kraftelektronik Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik 37

34 Sammanfattning PMSM Varvtal hos en växelströmsmotor bestäms av PMSM har likheter med likströmsmotor: Vridmomentet är proportionellt mot Hela uttrycket är T= Inducerad emk (tomgångsspänning)är proportionell mot och därför bör även matningsspänningen vara proportionell mot För att få trefasiga PWM-kurvformer jämförs triangelvåg med En växelriktare har aktiva spänningsvektorer och nollvektorer För önskad medelspänningsvektorriktning switchar man mellan För önskad medelspänningsvektorlängd switchar man mellan 38

Relevanta dokument

Sedan tidigare För att varvtalsreglera likströmsmotor måste spänningen ändras För att varvtalsreglera synkron- och

Kraftelektronik Sedan tidigare För att varvtalsreglera likströmsmotor måste spänningen ändras För att varvtalsreglera synkron- och asynkronmotorer måste spänning och frekvens ändras Ändra spänning och