Исследование момента, развиваемого ВРД при одиночной коммутации фаз

Wadah Aljaism, Mahmood Nagrial, Jamal Rizk

School of Engineering and Industrial Design
University of Western Sydney Australia

Перевод фрагмента статьи с английского: Боев А.Е.

1. Аннотация


2. Введение


3. Оптимизация конструкции ВРД и конечно-элементный анализ


4. Моделирование двигателя


5. Выводы


6. Список литературы

Эта статья представляет результаты исследования момента, развиваемого вентильным реактивным двигателем (ВРД) 6/4 и 8/6. Исследование момента было проведено методом конечных элементов. Оптимизация развиваемого момента достигалась изменением отношения полюсная дуга/зубцовое деление статора, ротора и размеров ярма.

Ключевые слова – вентильные реактивные двигатели, моделирование.

Концепция вентильного реактивного двигателя была заложена в 1838 году, но двигатель не мог полностью реализовать свой потенциал до наступления современной эры силовой электроники и помощи вычислительных машин в электромагнитных расчетах. Начиная с середины 1960 – х эти события позволили начать исследования ВРД заново и подняли его эксплуатационные характеристики до уровня, конкурентоспособного по отношению к двигателям постоянного и переменного тока и бесщеточным машинам постоянного тока. ВРД относительно новый член в семействе электрических машин и необычен явнополюсной конструкцией одновременно статора и ротора и полным отличием своего электронного управления. Однако он поразительно универсален. Проблема проектирования заключается в том, что ВРД не соответствует утвержденным методикам проектирования, которые используются для классических машин постоянного и переменного тока.

ВРД для промышленного применения имеет недавнее происхождение. Ключ к пониманию работы любой машины – это выражение для момента. Работа машины и ее существенные особенности выведены из выражения вращающего момента. Выражение вращающего момента требует зависимости между потокосцеплениями машины или индуктивностью и углом положения ротора. Работа машины во всех четырех квадрантах вращающего момента в зависимости от скорости получена из зависимостей индуктивности от угла положения ротора. Использование этого подхода может быть ограничено при проектировании, но имеет большее влияние на высокоэффективные контроллеры и понимание процессов.

Инженер проектировщик столкнулся с машиной, которая не имеет установившегося режима, характеризуется большим локальным насыщением и требует электронного преобразователя. Геометрия достаточна простая и управление на первый взгляд тоже. Но получение хороших моделей и удовлетворительной работы практически невозможно традиционными методами проектирования. Хотя ВРД были известны в течение длительного времени, только современная промышленность обращает должное внимание на эти электрические машины [1-8].

Четырехфазный двигатель в дальнейшем, должно быть, будет распространенным из-за уменьшения величины пульсации момента, но большее количество силовых устройств и соединений, вероятно, будет ограничивать четырехфазные двигатели определенной областью применения. Пяти- и шестифазные двигатели могут предложить большее уменьшение величины пульсаций момента по сравнению с четырехфазными и трехфазными. Наиболее распространены преобразователи с двумя транзисторами (асимметричный полумост), которые имеют два силовых ключа включенных последовательно с обмоткой для создания магнитного потока и два диода, образующих обратный путь. В прошлом велись споры по поводу номинальных значений токов и напряжений, когда сравнивались другие топологии двигателей, но с появлением современных устройства, таких как IGBT, этот аргумент является в значительной степени несоответствующим. Есть недостаток в стоимости преобразователя на MOSFET поскольку антипараллельные диоды не могут использоваться [1-14].

Исследовались два метода оптимизации ВРД; первый – изменением размера ротора и второй – варьированием размеров полюсов статора, ротора и размеров ярма. Первый метод был реализован выбором четырех различных поперечных сечений ВРД. На рисунке 1 а представлена базовая модель трехфазного ВРД 6/4. Рисунок 1 в показывает ВРД, размер ротора которого содержит приблизительно 76 % стали. Рисунок 1 с показывает ВРД, размер ротора которого содержит приблизительно 91 % стали. Рисунок 1 d показывает ротор ВРД, который имеет другую форму и размеры в сравнении с базовой моделью ВРД.

Рисунок 1 - а) Базовая модель, b) вторая модель, с) третья модель, d) четвертая модель

Рисунок 2 показывает графические результаты для четырех рассмотренных выше моделей ВРД. Анализ развиваемого момента производили от 0 до 30 градусов. Наибольшее значение развиваемого момента соответствует базовой модели.

Рисунок 2 – Зависимость момента от угла положения ротора для четырех ВРД

Второй метод демонстрирует подход к оптимизации момента варьированием размеров статора, полюсов ротора и ярма. Рисунок 3 показывает поперечные сечения трех моделей ВРД. На рисунке 3 а приведена базовая модель, отношение полюсная дуга ротора/зубцовое деление, для которой составляет 0,443. Рисунок 3 b показывает второе поперечное сечение модели после изменения размеров полюса ротора. Для этой модели это отношение равно 0,246. Третье отношение полюсная дуга ротора/зубцовое деление для третьего поперечного сечения модели равно 0,384, как это показано на рисунке 3 с.

Рисунок 3 - а) Базовая модель, b) вторая модель с y=0,246, с) третья модель с y=0,384

Рисунок 4 показывает графические результаты для трех рассмотренных ранее моделей ВРД. Анализ развиваемого момента производили от 0 до 30 градусов. Наибольшее значение развиваемого момента соответствует случаю, когда отношение полюсная дуга ротора/зубцовое деление равно 0,384.

Рисунок 4 - Зависимость момента от угла положения ротора для трех моделей с разным отношением полюсная дуга ротора/зубцовое деление

Рисунок 5 показывает поперечные сечения трех моделей. Первая модель является базовой с отношением полюсная дуга статора/зубцовое деление равным 0,443, как это указано на рисунке 5 а. На рисунке 5 b приведена вторая модель с отношением полюсная дуга статора/зубцовое деление равным 0,25. Рисунок 5 с показывает третью модель с отношением полюсная дуга статора/зубцовое деление равным 0,5.

Рисунок 5 - а) Базовая модель, b) вторая модель с y=0,25, с) третья модель с y=0,5

Рисунок 6 показывает графические результаты для трех рассмотренных ранее моделей ВРД. Наибольшее значение развиваемого момента соответствует случаю, когда отношение полюсная дуга статора/зубцовое деление равно 0,5. Ротор поворачивали от 0 до 30 градусов. Наименьшее значение развиваемого момента соответствовало y равному 0,25. МДС для каждой модели ВРД составляла 150 А.

Рисунок 6 - Зависимость момента от угла положения ротора для трех моделей с разным отношением полюсная дуга статора/зубцовое деление

Рисунок 7 показывает поперечные сечения трех моделей с разной толщиной ярма. Первая модель (рисунок 7 а) является базовой. На рисунке 7 b приведена вторая модель с толщиной ярма равной 3 мм. Рисунок 7 с показывает третью модель с толщиной ярма 10 мм.

Рисунок 7 - а) Базовая модель, b) вторая модель с толщиной ярма 3 мм, с) третья модель с толщиной ярма 10 мм

На рисунке 8 показаны графические результаты для моделей ВРД с разными размерами ярма. Наибольшее значение развиваемого момента соответствует случаю, когда толщина ярма равна 10 мм; наихудшее – при 3 мм.

Рисунок 8 - Зависимость момента от угла положения ротора для трех моделей с разным значением толщины ярма

На рисунке 9 а показан базовый ВРД. На рисунке 9 b приведена окончательно оптимизированная конструкция для ВРД после варьирования размеров ротора, полюсов статора и толщины ярма.

Рисунок 9 - а) Базовая модель, b) оптимизированная модель

На рисунке 10 показаны графические результаты развиваемого момента базового двигателя и оптимизированного ВРД. Анализ развиваемого момента производили от 0 до 30 градусов для оптимизированной и базовой моделей. Момент, развиваемый в оптимизированной модели меньше момента, развиваемого в базовой конструкцией ВРД для углов от 0 до 5 градусов; момент, развиваемый в оптимизированной модели больше момента, развиваемого в базовой конструкцией ВРД для углов от 5 до 30 градусов.

Рисунок 10 - Зависимость момента от угла положения ротора для двух ВРД

2 Моделирование двигателя

Пакет Matlab Simulink использовался для моделирования ВРД. Это программное обеспечение имеет хорошее исполнение и удовлетворяет всем требуемым опциям. Моделирование базировалось на уравнении 1 и табличной функции момента от угла положения ротора и тока , которая была получена из численных данных исследования двигателя методом конечных элементов. Использовалась «lock up» таблица из библиотеки Simulink для получения развиваемого момента в оптимизированном ВРД. Углы поворота ротора полагались строчными данными, которые варьировались между 0 и 30 градусами. МДС полагалась данными, записанными в столбцах и варьировалась от 30 до 210 А как это показано на рисунке 11, где M – это момент, M_e - электромеханический момент, M_l - момент нагрузки, ω - угловая скорость выраженная для электрических градусов, Teta - угловая скорость, J – момент инерции. Электрическая и механическая скорости были получены произведением табличного значения развиваемого момента на момент инерции (1/J) и затем одинарным и двойным интегрированием. Очевидно, что скорость, полученная для оптимизированного ВРД выше, чем скорость, полученная для базовой конструкции ВРД, как это показано на рисунках 12 а и 12 b.

M=M_e-M_l=J(dω/dt)

Рисунок 11 - Блок–схема моделирования ВРД

Рисунок 12 - а) механическая скорость базового ВРД, b) механическая скорость оптимизированного ВРД

Выводы

В этой статье кратко рассмотрена оптимизация ВРД при рассмотрении момента как целевой функции. Варьированием отношения полюсная дуга/зубцовое деление статора, ротора и размеров ярма для базовой конструкции ВРД момент увеличен на 11,5% при изменении МДС в пределах от 30 до 210 А. Использовался Matlab, Simulink и fuzzy logic controller для решения поставленной задачи.

Список литературы

1. J. Fiedler, R. De Doncker, S. Paquay and N. Verhelst, “Simulation of Acoustic Noise and Vibration in a four Phase Switched Reluctance Motor,” 9th Samtech User Conference 2005, Paris, France.
2. J. Fiedler, K. Kasper and R. De Doncker, “Acoustic Noise in Switched Reluctance Drives: An Aerodynamic Problem International Electric machines and Drives Conference,” 2005 (IEMDC05), San Antonio, TX, USA, 2005
3. R. De Doncker, J. Fiedler, N. Fuengwarodsakul, S. Bauer, and C. Carstensen, “State-of-the-art of Switched Reluctance Drives for Hybrid and Electric Vehicles,” in Proc. 5th International Power Electronics Conference IPEC05, Niigata, Japan, April 2005
4. J.Rizk; M.Nagrial and A. Hellany “Design optimisation of switched reluctance motors” Australian Journal of Electrical & Electronic Engineering, Australia, vol 1, no. 1, pp.33-39, 2004
5. J.Rizk, M.Nagrial and A.Hellany “Design and performance of switched reluctance motors” 4th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC 2004), Xian, China 14 - 16 August, 2004
6. M.S. Islam, I. Husain, R.J. Veillette and C. Batur, “Design and Performance Analysis of Sliding-Mode Observers for Sensor less Operation of Switched Reluctance Motors,” IEEE Trans. On Control Systems Tech., vol. 11, no. 3, pp. 383-389, May, 2003.
7. I. Husain. “Torque Ripple Minimization in Switched Reluctance Motor Drives,” IEEE Trans. On Industrial Electronics, vol. 49, no. 1, pp. 28-39, Feb. 2002.
8. R. Krishnan “Switched Reluctance Motor Drives: Modelling, Simulation, Analysis, Design, and Applications” CRC Press LLC, USA 2001.
9. M. Llic-Spong, T.J.E. Miller, S. R. MacMinn and J. S. Thorp, “Instantaneous Torque Control of Electric Motor Drives,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 2, pp. 55-61, Jan. 1987.
10. T.J.E. Miller, “Switched reluctance motors and their control” Oxford Science Publication, England, 1993).
11. S, Vukosavic, V. R. Stefanovic, Inst. Nikola Tesla, Beograd; “SRM Inverter Topology: Acomarative Evaluation” – IEEE Transaction on Industry Applications, vol.27, 1991
12. O. Ichinohura, W Kimura and G Yanada, “Analysis of Dynamic Characteristics of SRM based on SPICE,” IEEE Transaction on Magnets, vol.34, no. 4, pp. 2147-2149, 1998.
13. R. Becerra, M. Ehsani and T.J.E. Miller, “Commutation of SR Motors,” IEEE Transactions on Power Electronics,” vol.8, pp. 257-263, 1993.
14. Y. Murai, J. Cheng and M. Yoshida, “Newsoftswitched/switched-reluctance motor drive circuit,” 32nd IAS Annual Meeting IEEE, pp-1811-1816, 1997.
15. G. Anderson, "Fundamentals of Fuzzy Logic: Parts 1, 2, 3 (Sensors, March-May 1993).

Вверх