Projektowanie maszyn elektrycznych prądu przemiennego
advertisement
Projektowanie systemów EM dr inż. Michał Michna Rozwój Maszyn Elektrycznych 2 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Literatura Dąbrowski M.: Projektowanie maszyn elektrycznych prądu przemiennego. Warszawa, Wydaw. Nauk. Techn., 1988. Gieras J.F.: Mitchell Wing, Permanent Magnet Motor Technology, 2nd ed. Marcel Dekker, Inc, 2002 Gieras J.F: Advancements in Electric Machines. Springer-Verlag Gmbh 2008 Hanselman D.: Brushless Permanent Magnet Motor Design, 2nd ed. McGraw-Hill, New York, 1994. Pyrhönen J., Jokinen T., Hrabovcová V.: Design of Rotating Electrical Machines Wiley 2008 3 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Rozwój maszyn elektrycznych Przyczyny rozwoju ME 4 Inżynieria materiałowa Nowe zastosowania Energoelektroniki i metody sterowania Wymagania środowiskowe/polityczne – ochrona środowiska, oszczędzanie energii Duże projekty naukowe – MEA, HEV/EV, ogniwa paliwowe, budynki inteligentne, bioinżynieria dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Rozwój maszyn elektrycznych Maszyny wysokoobrotowe 5 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Napięcie stałe (DC) Prąd stały (DC) Silnik prądu stałego 3-faz. napięcie przemienne (AC) 3-faz. napięcie przemienne (AC) Prąd stały (DC) Silnik asynchroniczny/indukcyjny Silnik synchroniczny Napięcie stałe (DC) Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi 3-faz. napięcie prostokątne 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik bezszczotkowy prądu stałego z magnesami trwałymi i komutatorem elektronicznym 6 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik bezszczotkowy prądu przemiennego z magnesami trwałymi i komutatorem elektronicznym dr inż. Michał Michna 3-faz. napięcie przemienne (AC) Silnik synchroniczny reluktancyjny Kluczowane sekwencyjnie napięcie stałe (DC) Silnik o przełączanej reluktancji z komutatorem elektronicznym 2013-03-29 Silnik indukcyjny klatkowy Zalety Prosta konstrukcja, Niskie koszty produkcji i eksploatacji Brak komutatora i pierścieni ślizgowych (silnik bezszczotkowy) Małe tętnienia momentu Wady 7 Mała szczelina powietrzna – niski współczynnik mocy Niska wydajność przy małych prędkościach Moment proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilania Możliwość pękania prętów wirnika Niska sprawność, mały współczynnik mocy dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Silnik indukcyjny klatkowy Zalety Prosta konstrukcja, Niskie koszty produkcji i eksploatacji Brak komutatora i pierścieni ślizgowych (silnik bezszczotkowy) Małe tętnienia momentu Wady 8 Mała szczelina powietrzna – niski współczynnik mocy Niska wydajność przy małych prędkościach Moment proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilania Możliwość pękania prętów wirnika Niska sprawność, mały współczynnik mocy dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Silnik bezszczotkowy z MT Zalety Brak szczotek (bezszczotkowa) Dobre przenoszenie ciepła i łatwe chłodzenie - źródłem ciepła stojan Większa szczelina niż w IM i SRM Brak strat wzbudzenia - wysoka sprawność Wysoka gęstość mocy Współczynnik mocy bliski cosf=1 Bardzo dobre parametry dynamiczne Wady 9 Magnesy trwałe są wrażliwe na temperaturę, a tym samym parametry silnika zależą od temperatury Droższe niż IM i SRM Wymagają układu zasilnia i sterowania dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Silnik bezszczotkowy z MT Zalety Brak szczotek (bezszczotkowa) Dobre przenoszenie ciepła i łatwe chłodzenie - źródłem ciepła stojan Większa szczelina niż w IM i SRM Brak strat wzbudzenia - wysoka sprawność Wysoka gęstość mocy Współczynnik mocy bliski cosf=1 Bardzo dobre parametry dynamiczne Wady 10 Magnesy trwałe są wrażliwe na temperaturę, a tym samym parametry silnika zależą od temperatury Droższe niż IM i SRM Wymagają układu zasilnia i sterowania dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Silnik bezszczotkowy z MT Silniki z magnesami trwałymi Komutatorowe silniki prądu stałego Silniki bezszczotkowe Bezszczotkowe silniki prądu stałego 11 Silniki skokowe Bezszczotkowe silniki prądu przemiennego dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Silnik bezszczotkowy z MT 12 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Silnik bezszczotkowy z MT 4 45 17 30 17 5 5 57 120 120 5 1 57 4 37 17 57 3 120 7 3 R 40 2 6 13 R 40 5 6 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 R 40 Silnik bezszczotkowy z MT mocowanie powierzchniowe MT mocowanie zagłębione MT indukcja w szczelinie mniejsza niż indukcja indukcja w szczelinie może być większa od remanencji indukcji remanencji prosta konstrukcja silnika konstrukcja stosunkowo złożona mała moc obwodów twornika duża moc obwodów twornika, droższy przekształtnik magnesy nie są zabezpieczone przed odmagnesowaniem magnesy są zabezpieczone przed odmagnesowaniem mała odporność na działanie sił odśrodkowych prądy wirowe w magnesach trwałych odporność na działanie sił odśrodkowych ograniczone możliwości pracy w stanie odwzbudzenia 14 brak prądów wirowych w magnesach trwałych możliwość pracy przy osłabionym polu wzbudzenia stosunkowo prosta możliwość kształtowania rozkładu pola w szczelinie dr inż. Michał Michna 2013-03-29 roboczej Silnik bezszczotkowy z MT IM SBMT Sprawność Średnia (70-96%) Wysoka (93-95%) wsp. mocy 0,7 - 0,86 >0,94 straty mocy stojan i wirnik stojan szczelina powietrzna mała, harmoniczne żłobkowe, hałas duża wsp. moc/masa średni (75W/kg) duży (160W/kg) konstrukcja wirnika prosta, wytrzymała prosta lub złożona, podatność MT na siły odśrodkowe cena niska wysoka 15 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Silnik bezszczotkowy z MT Melfi, M.J.; Rogers, S.D.; Evon, S.; Martin, B. Permanent Magnet Motors for Energy Savings in Industrial Applications. PPIC 2008 16 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Silnik reluktancyjny przełączalny SRM Kolejne pasma silnika SRM zasilane są ze źródła napięcia stałego w funkcji położenia wirnika Wymaga zastosowania bardzo szybkich kluczy energoelektronicznych (MOSFET, IGBT) Moment jest wytwarzany przez magnetyczne przyciąganie wirnika do elektromagnesów stojana C’ C’ D’ B’ A B’ A’ A’ A B D C 17 dr inż. Michał Michna B C 2013-03-29 Silnik reluktancyjny przełączalny SRM Zalety duża niezawodność niski koszt produkcji prosta budowa – brak magnesów, brak uzwojeń mały moment bezwładności wirnika wyższa sprawność w porównaniu np. z silnikami indukcyjnymi dokładna regulacja prędkości obrotowej, uzyskiwana tanim kosztem przez zastosowanie układów bezczujnikowych Wady 18 hałas akustyczny tętnienia momentu obrotowego dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Maszyny elektryczne 19 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Moc wewnętrzna 20 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 T Moc czynna 1 P ms e(t )i(t )dt ms K P Em I m T 0 Współczynnik kształtu mocy 1 e(t ) i(t ) KP dt T 0 Em I m Rozkład indukcji w szczelnie B(t , x) Bm sin x t s Ds s 2p Podziałka biegunowa T s Strumień sprzężony z uzwojeniem (t ) B(t , x) d t ls B(t , x) dx Współczynniki kształtu pola BAV 2 kB BM 21 0 A dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Amplituda strumienia m K B (li ps ) Bm Napięcie indukowane d (t ) e(t ) N dt Liczba zwojów N K ws N s Amplituda napięcia Em K B K wsBm N s (li ps ) f Em ( K B K ws )( Ds li ) N s Bm p f Em K E ( Ds li ) N s Bm p e(t ) K E sin(t ) Em 2 K E 2 ( K B K ws ) 23 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Okład prądowy liniowa gęstość prądu 2 NI rms A ms Ds Okład prądowy stojana i wirnika A As Ar As K r As As (1 K r ) Im KI I rms I m K I I rms 24 Im 1 T 2 i ( t ) dt 0 T K I ADs 1 K r 2 N s ms dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Moc wewnętrzna Współczynniki konstrukcyjne Objętość maszyny Prędkość maszyny 1 f 2 P K I K P K E ABm Ds ls 2 1 Kr p Okład prądowy Indukcja w szczelnie Równanie konstrukcyjne – ang.sizing equation 25 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Moc wewnętrzna 26 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Moc wewnętrzna 27 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Moc wewnętrzna 28 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Moc wewnętrzna Równanie konstrukcyjne – ang.sizing equation 29 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Moc wewnętrzna 1 f 2 P K I K P K E ABm Ds ls 2 1 Kr p współczynnik wyzyskania maszyny Równanie konstrukcyjne – ang.sizing equation 30 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Współczynnik wyzyskania maszyny 2Ti F Ds F A A Ds ls 1 2 Ti K I K P K E ABm Ds ls m 2 1 K r Si 1 K I K P K E ABm 1 Kr 31 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Współczynnik wyzyskania maszyny 32 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Moc wewnętrzna Równanie konstrukcyjne – ang.sizing equation 33 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Indukcja w szczelnie 34 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Moc wewnętrzna 1 f 2 P K I K P K E ABm Ds ls 2 1 Kr p Okład prądowy Równanie konstrukcyjne – ang.sizing equation 35 dr inż. Michał Michna 2013-03-29 Gęstość liniowa prądu – okład prądowy 36 dr inż. Michał Michna 2013-03-29
