Projektovanje i realizacija pogona sa prekidačkim reluktantnim motorom

Poprečni presjek prekidačkog reluktantnog motora Uvod Poprečni presjek prekidačkog reluktantnog motora Prekidački reluktantni motor je po konstrukciji najprostiji od svih električnih mašina. Motor ima isturene polove na statoru i na rotoru. Na statoru su koncentrični namotaji postavljeni tako da naspramnom paru polova odgovara jedan namotaj. Na rotoru nema namotaja. Na slici je prikazan poprečni presjek prekidačkog reluktantnog motora sa 6 polova na statoru i četiri pola na rotoru. Prekidački reluktantni motor zahvaljujući svojim karakteristikama, nameće se kao kandidat za primjenu u električnim pogonima različitih namjena, naročito u slučajevima kada je potrebno obezbijediti promjenljivu brzinu. Osnovni princip rada SRM-a je prilično jednostavan: kada struja protiče kroz jedan od namotaja statora, obrtni moment se stvara kao rezultat tendencije rotora da se poravna sa pobuđenim polom statora tj. da zauzme položaj u kojem je reluktansa (magnetni otpor) minimalna. Smjer nastalog obrtnog momenta je funkcija pozicije rotora i nezavisan je od smjera struje kroz fazni namotaj.

ARHITEKTURA ENERGETSKOG BLOKA Korišćena šema realizacije poluprovodničkog pretvarača za napajanje SRM-a: Korišćena šema realizacije poluprovodničkog pretvarača za napajanje SRM-a data je na slici Na šemi su prikazane komponente korišćene za svaku fazu pojedinačno. Kao prekidački elementi u izlaznom stepenu koriste se dva IRF740 n-kanalna MOSFET-a . IRF740 može izdržati 400V jednosmjernog napona i struju od 10A. Zamajne diode korišćene na izlazu su HFA15TB60, diode sa malim vremenom oporavka. HFA15TB60 imaju vrijeme oporavka od 60ns, i mogu izdržati 600V jednosmjernog napona i 15A. Okidno kolo je IR2110. Logika koja se implementira na ulazu integralnog kola mora biti takva da gornji MOSFET snage može biti uključen jedino kada je i donji MOSFET uključen. Na ulaze LIN i HIN integralnog kola dovode se signali za kontrolu rada invertora. Visoki nivo LIN dovodi do uključenja donjeg prekidača (tranzistor IRF740), a visoki nivo na HIN dovodi do uključenja gornjeg prekidača (tranzistor IRF740). Kolo funkcioniše tako da ne smije biti ukjučen samo gornji prekidač (došlo bi do oštećenja kola). Pobuđivanjem ulaza LIN integralnog kola IR2110, kolo sa svog izlaza LO prosljeđuje signal pobude i uključuje (donji prekidač). Kada dovedemo okidni signal na HIN integralnog kola IR2110, kolo sa svog izlaza HO proslijeđuje signal na gornji prekidač.

PRORAČUN KOMPONENTI ,,BOOTSTRAP” KOLA Napon Vbs (potencijalna razlika između Vb i Vs pinova integralnog kola IR obezbjeđuje uključenje gornjeg prekidača sa integralnog kola. Ovo napajanje mora imati vrijednost između 10V i 20V da bi integralno kolo moglo „pobuditi” MOSFET, koji poslije dovedene pobude počinje provoditi. Napon Vbs je (floating supply) plivajući i ima maksimalnu vrijednost Vs (u većini slučajeva je visokofrekventni pravougaoni talas). Postoji mnogo načina za generisanje plivajućeg napona Vbs, jedan od načina je ,,Bootstrap” metoda koja je ovdje opisana. Ova metoda ima prednosti zato što je prosta i jeftina ali ima i određenih nedostataka, faktor popunjenosti (duty cycle), i vrijeme uključenosti (on-time) su ograničeni zbog zahtjeva ,,Bootstrap” kondenzatora, koji zahtijeva dopunjavanje. ,,Bootstrap” napajanje se formira od diode i kondenzatora u kombinaciji kao što je prikazano na slici. Uloga ,,Bootstrap” kola je da obezbijedi pobudne signale za gornje prekidače u granama pretvarača. Ovaj strujni krug funkcioniše na sledeći način: Kad je Vs na masi (preko uključenog donjeg prekidača ili opterećenja (Load), zavisi od konfiguracije srtujnog kruga), ,,Bootstrap” kondenzator (Cbs) se puni kroz ,,Bootstrap” diodu (Dbs) sa 15Vcc napona napajanja. Ovako se obezbjeđuje napajanje Vbs. Na osnovu sledeće jednačine možemo odrediti minimalnu količinu naelektrisanja koja je potrebna za punjenje ,,Bootstrap” kondenzatora: Gdje je: Qg – naelektrisanje gejta na gornjem prekidaču ICbs – struja curenja ,,Bootstrap” kondenzatora Qls – nivo nagomilanog naelektrisanja koje se zahtjeva po ciklusu f – radna frekvencija. ,,Bootstrap” kondenzator mora imati dovoljno veliku kapacitivnost da obzbijedi dovoljan pobudni napon (Vbs) za čitav vremenski interval uključenosti gornjeg prekidača. U protivnom, uslijed pražnjenja kondenzatora, doći će do značajnog smanjenja Vbs napona, što će se dalje odraziti na nepravilno funkcionisanje gornjeg prekidača. Zato se u praksi kapacitivnost Cbs kondenzatora uzima minimum dvostruko veće od vrijednosti koja se može dobiti uz pomoć jednačine (1). Qg – naelektrisanje gejta na gornjem prekidaču Iqbs – struja curenja kroz kolo. ICbs – struja curenja ,,Bootstrap” kondenzatora Qls– nivo nagomilanog naelektrisanja koje se zahtjeva po ciklusu f – radna frekvencija.

Minimalna vrijednost Cbs Vf –direktan pad napona kroz ,,Bootstrap” diodu VMin – minimalna vrijednost napona između Vb i Vs VLS – pad napona na donjem prekidaču. Na taj način se dobija sledeći izraz za minimalnu vrijednost Cbs:Gdje je: Vf –direktan pad napona kroz ,,Bootstrap” diodu VMin – minimalna vrijednost napona između Vb i Vs VLS – pad napona na donjem prekidaču. Vrijednost kapaciteta Cbs, dobijena iz gore navedene formule (2), je zahtijevani apsolutni minimum, ali zbog prirode (načina) funkcionisanja ,,Bootstrap” kola, mala vrijednost kapaciteta može dovesti do pojave prenapona, odnosno do oštećenja integralnog kola. Zato, da bi se minimizirao rizik od pojave prenapona i da se smanji talasanje Vbs napona, vrijednost Cbs dobijenu iz formule (2) trebalo bi pomnožiti sa faktorom k=15, [6]. Kondenzator Cbs se puni jedino kad je gornji prekidač isključen, potencijal Vs jednak nuli (pin 5 na masi). Dakle, period uključenosti (on-time) donjeg prekidača (ili period isključenosti (off-time) gornjeg prekidača za kontrolu rada gornjeg prekidača) mora biti dovoljno velik da bi se obezbijedilo punjenje Cbs kondenzatora.

ARHITEKTURA UPRAVLJAČKOG BLOKA Blok šema generisanja logičkih signala Upravljanje SRM-om vrši se tako što se, u odgovarajućem skladu sa položajem rotora θ, propuštaju strujni impulsi kroz njegove faze. Strujni impuls će izazvati pozitivni (radni) obrtni moment ako se primijeni u intervalima kada induktivnost faze motora L raste tj. kada je dL/dθ >0. Tako, željeni način rada jeste da struja kroz namotaj SRM-a teče za vrijeme ovog vremenskog perioda. Slično, negativni (kočioni) obrtni moment nastaje kada struja kroz namotaj SRM-a teče za vrijeme dL/dθ <0. Od uglova uključenja i isključenja, kao i amplitude fazne struje zavise performanse SRM-a. Zato se oni često nazivaju i kontrolni parametri SRM-a. Na ulaze podblokova Blok11, Blok12 i Blok13 prikazanih na slici 6 dovode se signali sa enkodera. Enkoder generiše 1024 impulsa po obrtaju rotora (signal Enkoder1). Podblokovi su izrađeni kao osmobitni brojači koji kružno broje unaprijed. Stanje brojača u nekom podbloku je povezano sa relativnim položajem rotora u odnosu na pridruženu mu fazu (Blok11 – faza 1, Blok12 – faza 2 i Blok13 – faza 3). Na taj način, izlazni signali θ1, θ 2 i θ 3 daju informacije o položaju rotora u odnosu na polove faze 1, faze 2 i faze 3, respektivno. Stanje brojača nula odgovara položaju rotora od 0o (usaglašena – ''aligned'' pozicija). Nakon što brojač odbroji od 0 do 255 rotor se zaokrene za 90o tj. ponovo dolazi u usaglašeni položaj 0o. Signal Enkoder1 je clock signal brojača u podblokovima, dok signal za sinhronizaciju Enkoder2 predstavlja reset signal brojača. Reset signal (Enkoder 2) generiše se kada je rotor u usaglešenoj poziciji u odnosu na fazu 1. Tada se brojači podblokova Blok11, Blok12 i Blok13 setuju na početne vrijednosti 0, 85 i 171, respektivno. Stanje brojača 85 približno odgovara položaju rotora od 300, a stanje 171 položaju 60o. Ulazni signali u Blok2 su θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ on , θ off . Uglovi uključenja i isključenja (θ on i θoff) upisuju se u registre i odatle učitavaju u Blok2. Na izazu ovog bloka generišu se upravljački signali za sve tri faze. Trajanje magnetizacije faza proporcionalno je razlici θoff – θon. Kada je θon < θ1< θoff, na izlazu prema fazi 1 imamo logičku jedinicu, a u suprotnom je logička nula. Slično, logička jedinica prema fazi 2 javlja se kada je θon < θ2< θoff, a prema fazi 3 kada je θon< θ3< θoff. Blok3 je sačinjen od Bloka31, registra i komparatora. Blok31 je osmobitni brojač (0-255). Na njegovom ulazu imamo clock i reset signale, pri čemu clock signal predstavlja radni takt koji se dovodi sa ploče. Na izlazu imamo osmobitni signal. Komparator na izlazu daje logičku jedinicu za vrijeme dok brojač ne izbroji do n, a potom daje nulu. Povećavanjem broja n povećava se vrijeme trajanja logičke jedinice. Izborom vrijednosti broja n se bira faktor popunjenosti (D) na prekidačima.

Arhitektura kontrolera u Alterinom Max + plus II razvojnom okruženju. Sinteza je obavljena u Alterinom Max + plus II razvojnom okruženju. Kolo predloženog kontrolera za upravljanje SRM pogonom sastoji se od više međusobno integrisanih komponenti (modula), slika 4. Svaka od njih je opisana odgovarajućim VHDL kodom i predstavljena kao simbol za šematsko povezivanje.

REZULTATI TESTIRANJA Impulsi na izlazu iz Bloka3 za n =3

Impulsi na izlazu iz kontrolera za ugao provođenja 21.50 i n =190.

Talasni oblik struje pri 150 obr/min.

Talasni oblik napona

Hvala Vam na pažnji!