UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTIFACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICA

Conceptia Asistata de Calculator

a Actionarilor Electrice

PROIECT

MOTOR SINCRON CU MAGNETI PERMANENTI

Profesor indrumator: Student : Serban Vasile Vlad

1

Gheorghe Andronescu Grupa 141 EA

Cuprins

Notiuni Generale.........................................................................................................................................3

Parametri Masini sincrone cu magneti permanenti.................................................................................6

Modulatia Impulsurilor in Durata – MID......................................................................................................6

Estimatoare MRAS pentru PMSM................................................................................................................8

Anexe.........................................................................................................................................................10

1. Motor Sincron cu Magneti Permanenti.............................................................................................10

1.1.1 Transformarea Park (A, B, C – d, q) 11

1.1.2 Transformarea Clark (d, q, 0 – A, B, C) 11

1.1.3 Model flux 12

1.1.4 Model curenti 12

1.1.5 Model cuplu 12

2. Modularea Pulsurilor in Durata.........................................................................................................13

2.1 Compararea semnalului de referinta cu semnalul purtator 13

2.2 Trecerea de la o conexiune stea fara nul accesibil la o conexiune stea cu nul accesibil 13

3. Estimator..........................................................................................................................................14

3.1 Blocul adaptiv / adaptare 14

4. Forme de unda..................................................................................................................................15

4.1 Reglare directa 15

4.2 Schema cu estimare 18

5. Schema Motor Sincron cu Magneti Permanenti...............................................................................20

5.1 Model Simulink reglare directa 20

5.2 Model Simulink Sensorless 21

Bibliografie................................................................................................................................................22

2

Notiuni Generale

Motorul sincron cu magneti permanenti a devenit in ultimii ani , des utilizat in aplicatii de viteza variabila de putere mica si mare. Dezvoltarea acestora a devenit posibila prin introducerea unor materiale magnetice noi , spre exemplu, magneti permanenti cu pamantari rare cum ar fi: magneti cu samariu-cobalt,sau cei cu neodiu- fier- bor.

Statorul MSMP are o infasurare trifazata conventionala.Rotorul poate fi realizat cu magneti permanenti interiori sau cu magenti permanenti plasati la suprafata rotorului.

Rotorul cu magneti interiori asigura concentrarea de flux, fiind considerat altfel cu poli aparenti,iar cel magnetii la suprfata poate fi considerat ca fiind cu poli inecati.

Avantajele principale ale maşinilor sincrone cu magneţi permanenţi (PMSM) sunt:

- densitate mare de flux în întrefier;- raport putere/masă cât mai mare;- raport cuplu/moment de inerţie mare (pentru a fi posibile acceleraţii cât mai mari);- pulsaţii de cuplu mici, chiar la turaţii foarte mici (pentru a realiza sisteme de poziţionare de mare

precizie);- controlul cuplului la turaţie nulă;- funcţionare la turaţii crescute;- capabilitate de cuplu mare (pentru a realiza acceleraţii şi deceleraţii rapide);- randament şi factor de putere mare;- construcţie compactă.

Rotorul poate fi realizat sub mai multe forme constructive, cum ar fi rotorul în formă de pahar cu un raport lungime/diametru mare, rezultând o constantă de timp mecanică cât mai mică, sau în formă de disc.

Când motoarele PMSM sunt utilizate în sisteme cu frecvenţă variabilă, nu sunt necesare înfăşurări de amortizare. În cazul în care, la suprafaţa rotorului, sunt montate bare magnetice, maşina poate fi considerată ca având întrefier crescut, ceea ce face ca efectul polilor aparenţi să fie neglijat (inductivităţile de magnetizare, respectiv cele sincrone de pe cele două axe şi sunt egale). Mai mult ,

dacă întrefierul este mare, inductivitatea sincronă este mică şi deci, astfel, reactanţa indusului este neglijabilă. Dacă magneţii sunt montaţi în interiorul rotorului, maşina nu poate fi considerată cu

3

întrefier constant, iar cuplul este afectat de prezenţa polilor aparenţi prin existenţa cuplului de reluctanţă. Spre deosebire de maşinile sincrone convenţionale cu excitaţie variabilă, care prezintă relaţia

, motoarele cu magneţi permanenţi plasaţi în interiorul rotorului au .O cerinţă pentru servosistemele cu motoare sincrone este aceea de micşorare a cuplurilor pulsatorii (riplu de cuplu). Aceste pulsaţii de cuplu apar datorită armonicelor spaţiale şi de timp.

Reducerea pulsaţiilor de cuplu se realizează atât prin mijloace constructive (înclinarea magneţilor pe rotor, înclinarea statorului, deschiderea crestăturii şi a dimensiunilor magneţilor), cât şi prin alegerea în sistemele de acţionare a invertoarelor PWM comandate în curent şi controlate prin diverşi algoritmi de reglare. În mod normal, pentru servosisteme, este acceptat un riplu de 1÷2% din cuplul nominal.

Motoarele PMSM uzuale au statorul cu dinţi, dar este posibilă construirea unui PMSM fără dinţi pe stator. În aceste situaţii, maşina nu mai are pulsaţii de cuplu la turaţii joase şi pierderile în fier sunt reduse.

Inducţii în întrefier mai mari de 1 tesla se pot obţine cu magneţi permanenţi din pământuri rare, dar valorile mari ale inducţiei produc saturarea dinţilor şi pierderi în fier. Saturarea dinţilor se datorează reacţiei crescute a indusului în momentele de suprasarcină. În pofida întrefierului mărit, se produce o distorsionare a câmpului datorată saturaţiei, acest fenomen având ca efect scăderea fluxului şi deci a tensiunii electromotoare induse.

Pentru obţinerea modelelor de maşini PMSM, se va presupune că maşina nu prezintă anizotropie magnetică, că se pot neglija efectele saturaţiei şi că magneţii permanenţi pot fi echivalaţi cu o sursă de curent constant.

Considerând că parametrii maşinii MSMP sunt:

R – rezistenţa statorică;

Ld si Lq – inductivităţile celor două axe;

Ψe0 – fluxul produs de magneţii permanenţi în înfăşurările statorice;

ωs – viteza electrică (pulsaţia);

J – momentul de inerţie;

F – factorul de frecare vascoase;

Mm – cuplul de sarcină;

p – numărul de perechi de poli.

4

Atunci maşina sincronă cu magneţi permanenţi, în ipoteza distribuţiei sinusoidale a fluxurilor, a conexiunii în stea a înfăşurărilor statorice cu un neutru intern şi considerată ca fiind studiată în referenţialul rotoric, admite următorul sistem de ecuaţii:

Ecuatiile de fluxuri

Ecuatiile de curenti

Pozitie rotor

5

Ecuatie vitezei unghiulare

Parametri Masini sincrone cu magneti permanenti

PMSM-ul care urmează a fi modelată are parametri:

Modulatia Impulsurilor in Durata – MID

Modulaţia impulsurilor in durata sau Pulse-width modulation (MID / PWM) reprezintă tehnica standard pentru realizarea formelor de undă aplicate maşinilor de curent alternativ. Fiecare fază a maşinilor de curent alternativ necesită două semnale PWM, câte unul pentru fiecare tranzistor al fazei, un tranzistor de sus şi unul de jos.

6

Cele două semnale de comandă sunt generate cu ajutorul aceluiaşi semnal PWM şi cu excepţia timpului mort necesar evitării scurtcircuitului de fază, aceste două semnale sunt complementare. Poziţionarea centrată a impulsurilor de comandă PWM realizează astfel pe lângă evitarea scurtcircuitului de fază şi reducerea riplului curentului de fază al motorului şi a zgomotului acustic

Tehnicile de modulaţie, care realizează semnale PWM, sunt de mai multe tipuri. Cea mai răspândită dintre aceste tehnici este modulaţia sinusoidală dar se mai utilizează modulaţia PWM de armonica a treia, modulaţia de 60° şi mai ales modulaţia fazorilor spaţiali (SVM). Modulaţia sinusoidală, de armonica a treia şi de 60° se bazează pe scheme de implementare comune, iar modulaţia SVM sau modulaţia cu şase paşi necesită algoritmi şi echipamente diferite.

Poziţionarea impulsurilor de comandă.

Modulaţia sinusoidală sau modulaţia sinusoidal-triunghiulară se bazează pe comparaţia pe verticală între purtătoarea triunghiulară şi referinţa sinusoidală aşa cum prezintă in figura de mai jos.

7

Modulaţie sinusoidală.

Modulaţia de durată, adică modificarea duratei pentru care impulsurile PWM sunt sus (nivel H), este realizată de controlerul maşinii sau unitatea MCU. Modulaţia de 100%, realizată atunci când durata impulsurilor egalează perioada lor ( impusă de semnalul triunghiular), corespunde cu vârful pozitiv a undei sinusoidale, iar procentul de modulare de 0% este atins pe vârful negativ. Trecerea prin zero a sinusoidei corespunde cu un procent de modulare de 50%.

Estimatoare MRAS pentru PMSM

Modelele MRAS, cunoscute sub denumirea de Model de sistem adaptiv de referinţă sau drept model al fluxurilor rotorice, sunt modelele de estimatoare cele mai utilizate în cele mai recente sisteme de acţionări cu maşini de curent alternativ.

Se consideră maşina sincrona cu magneţi permanenţi (PMSM) ca fiind studiată în sistemul de coordonate . Pentru realizarea unui estimator al PMSM bazat pe cuplul electromagnetic, este necesar studiul mărimilor electromagnetice care descriu maşina, iar acesta se concepe cu variabilele de stare fluxurile din cele două axe,şi viteza statorică (pentru momentul cinetic).PMSM cu magneţii plasaţi la suprafaţa rotorului va genera un sistem liniar pentru dinamica mărimilor electromagnetice şi pentru dinamica vitezei:

8

Conform principiului MRAS mărimile de intrare ale estimatorului de cuplu sunt tensiunile de fază statorice (U_R,S,T) şi curenţii de fază (I_R,S,T). Din ecuaţiilede mai sus

rezltă că sunt însă necesare marimilor de transformare şi , care se obţin

prin transformarea de coordonate − transformarea Park − în care este implicată viteza

(pulsaţia) statorică estimată :

Forma ecuaţiei cuplului electromagnetic produce consecinţa care se

regăseşte în construcţia blocului de referinţă.

Intrările blocului adaptiv sunt mărimile care folosite în ecuaţia (6.21)

generează la ieşire fluxurile adaptate ale axelor d şi q, . Cu aceste ieşiri se

calcullează curenţii de adaptare .

9

Anexe

1. Motor Sincron cu Magneti Permanenti

10

1.1.1 Transformarea Park (A, B, C – d, q)

11

1.1.2 Transformarea Clark (d, q, 0 – A, B, C)

1.1.3 Model flux

1.1.4 Model curenti

12

1.1.5 Model cuplu

2. Modularea Pulsurilor in Durata

2.1 Compararea semnalului de referinta cu semnalul purtator

13

2.2 Trecerea de la o conexiune stea fara nul accesibil la o conexiune stea cu nul accesibil

3. Estimator

3.1 Blocul adaptiv / adaptare

14

4. Forme de unda

4.1 Reglare directa

15

16

17

4.2 Schema cu estimare

18

19

5. Schema Motor Sincron cu Magneti Permanenti

5.1 Model Simulink reglare directa

20

5.2 Model Simulink Sensorless

21

Bibliografie

http://en.wikipedia.org/wiki/Permanent-magnet_electric_motor#Permanent-magnet_motors

http://en.wikipedia.org/wiki/Permanent_magnet_synchronous_generator

Dragos Ovidiu Kisck, REGLAREA VECTORIALA A MASINILOR DE CURENT ALTERNATIV, Ed. ICPE

22