background image

 

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych 

Nr 58  

Politechniki Wrocławskiej  

Nr 58 

 

Studia i Materiały Nr 

25 

2005 

__________  

elektrotechnika, maszyny elektryczne, prąd stały,  

zasilanie impulsowe, magnesy trwałe, badania 

Roman KRAMARSKI

*

, Leszek PAWLACZYK

F

*

 

BADANIA WPŁYWU PRZEKSZTAŁTNIKA IMPULSOWEGO 

NA WARTOŚĆ STRAT DODATKOWYCH W ŻELAZIE 

W SILNIKU Z MAGNESAMI TRWAŁYMI 

Nowoczesne układy zasilające z przekształtnikami impulsowymi powodują powstawanie strat 

dodatkowych w jarzmie i wirniku silnika z magnesami trwałymi. W artykule opisano opracowane 
i wykonane stanowisko do pomiaru strat dodatkowych w żelazie. Zaprezentowano przykłady 
zarejestrowanych pomiarów i przedstawiono wnioski z badań wpływu częstotliwości modulacji 
przekształtnika, współczynnika wypełnienia impulsów i wartości prądu obciążenia silnika na wartość 
strat dodatkowych w żelazie. 

1. WPROWADZENIE 

Silniki wzbudzane magnesami trwałymi posiadają wiele zalet w porównaniu 

z silnikami o wzbudzeniu elektromagnetycznym. Mają mniejszą masę i objętość, 
większą sprawność, korzystniejszy przebieg charakterystyk ruchowych, są prostsze 
i tańsze w produkcji [1,2]. Bardzo dobrze współpracują z przekształtnikami 
impulsowymi. 

W układach napędowych małej i średniej mocy największe zastosowanie mają 

obecnie układy przekształtnikowe zbudowane z tranzystorów bipolarnych IGBT ze 
sterowaniem polowym lub zbudowane z polowych tranzystorów mocy typu MOS. 
Zastosowanie tranzystorów IGBT umożliwia uzyskanie częstotliwości modulacji do 
kilkunastu kHz, a tranzystorów MOS częstotliwości powyżej 100 kHz. 

Zastosowanie tak wysokich częstotliwości modulacji umożliwia uzyskanie 

wysokiej sprawności układu przekształtnik - silnik. 

Przy zasilaniu silnika z przekształtnika impulsowego przebiegi czasowe wielkości 

*

 Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, 50-372 Wrocław 

ul.Smoluchowskiego 19, , roman.kramarski@pwr.wroc.pl, leszek.pawlaczyk@pwr.wroc.pl 

background image

elektrycznych i mechanicznych w silniku oraz sieci zasilającej mają charakter 
odkształcony. Do określenia parametrów wejściowych i wyjściowych silnika 
niezbędna jest znajomość rzeczywistych przebiegów czasowych wielkości 
elektrycznych i mechanicznych. 
Schemat zastępczy układu sieć - przekształtnik - silnik zamieszczono na rys. 1. 
 

PI

0

C

0

D

C

u

i

t

R

t

L

e

p

i

C

i

1

u

1

u

1

D

×

u

1

R

×

1

L

×

 

Rys. 1. Schemat zastępczy układu 

Fig. 1. Diagram of the system 

 

Przebiegi czasowe wielkości elektrycznych i mechanicznych w układzie opisuje 

układ równań : 

Równanie napięciowe obwodu sieć – kondensator filtra 

 

( ) (

) ( )

( )

( )

t

u

dt

t

di

L

t

i

R

R

t

u

C

D

+

+

+

=

1

1

1

1

1

 (1) 

Równanie napięciowe obwodu kondensator - twornik, gdy jest załączony 

przekształtnik 

 

( )

(

)

[

]

( )

(

)

[

]

( )

( ) ( )

t

e

i

U

dt

t

di

L

f

i

L

t

i

R

f

i

R

t

u

sz

p

M

t

p

M

t

C

+

+

+

+

+

=

Δ

,

,

 (2) 

Gdy przekształtnik jest wyłączony przewodzi dioda zwrotna, a równanie (2) 

przyjmuje postać 

 

(

)

[

] ( )

(

) ( )

( ) ( )

t

e

i

U

dt

t

di

f

i

L

t

i

R

f

i

R

sz

M

t

D

M

t

+

+

+

+

=

Δ

,

,

0

0

 (3) 

Chwilowa wartość siły elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu twornika 

 

( )

( ) ( )

π

ω

α

φ

2

,

t

i

N

a

p

t

e

=

 (4) 

background image

Napięcie na kondensatorze filtra 

 

( )

( )

dt

t

i

C

t

u

t

C

C

=

0

0

1

 (5) 

Prąd kondensatora 

 

i

C

(t) = i

1

(t) - i

p

(t)

 (6) 

Równanie ruchu 

 

( )

( )

( )

( )

dt

t

d

J

t

M

M

t

M

e

ω

ω

Δ

=

 (7) 

Moment elektromagnetyczny silnika 

 

)

(

)

,

(

2

1

)

(

t

i

i

N

a

p

t

M

e

α

φ

π

=

 (8) 

Zmniejszenie  momentu wynikające ze strat w żelazie wirnika i strat 

mechanicznych silnika 

 

( )

( )

( )

( )

t

P

P

M

m

Fe

ω

ω

Δ

ω

Δ

ω

Δ

+

=

 (9) 

Na schemacie z rys. 1 i w układzie równań (1)-(9) poszczególne symbole 

oznaczają: 

a - liczba  par  gałęzi uzwojenia twornika, C

0

 - pojemność kondensatora 

filtra, 

e(t) - wartość chwilowa siły elektromotorycznej w uzwojeniu twornika, f

M

 –

 częstotliwości modulacji przekształtnika, 

i

1

 - prąd pobierany z sieci, 

i - prąd twornika, 

i

C

 - prąd kondensatora, 

J - moment  bezwładności układu przeliczony na wał silnika, 

L

1

 - indukcyjność sieci zasilającej, 

L

t

 - indukcyjność obwodu twornika, 

N - liczba 

prętów uzwojenia, 

p - liczba  par  biegunów,  R

1

 - rezystancja  sieci  zasilającej, 

R

D0

 -

 rezystancja diody zwrotnej, 

R

p

 - rezystancja przekształtnika, 

R

t

 - rezystancja twornika, 

Φ

(i, 

α

) - wartość chwilowa strumienia magnetycznego wyznaczona metodą 

elementów skończonych, 

Δ

U

sz

(i) - spadek  napięcia na szczotkach, 

ω

(t) - wartość 

chwilowa prędkości kątowej, 

M

e

(t) - wartość chwilowa momentu 

elektromagnetycznego silnika, 

M(t) - wartość chwilowa momentu mechanicznego 

silnika, 

Δ

M(

ω

) - moment  wynikający ze strat w żelazie i strat mechanicznych, 

Δ

P

Fe

(

ω

) - straty  w  żelazie wirnika, 

Δ

P

m

(

ω

) - straty  mechaniczne  silnika, u

1

 - napięcie 

sieci zasilającej, 

u

c

 - napięcie na kondensatorze. 

W równaniu (9) występują straty mocy 

Δ

P

Fe

. Straty mocy 

Δ

P

Fe

 są spowodowane 

wirowaniem pakietu wirnika w strumieniu wytworzonym przez magnesy. 

Pulsacyjny przebieg prądu twornika powoduje pulsację strumienia oddziaływania 

twornika. Jest to przyczyną powstawania strat dodatkowych 

Δ

P

Fe

 w żelazie pakietu 

background image

wirnika i jarzmie stojana. Straty 

Δ

P

Fe

 zależą od częstotliwości modulacji 

przekształtnika, wartości współczynnika 

γ

 wypełnienia impulsów oraz od amplitudy 

pulsacji i średniej wartości prądu. 

2. CEL I ZAKRES PRACY 

wa

silnika 

go przekształtnika impulsowego. 

Po

Ba

 7,5 ; 10 ; 15 ; 20 kHz 

- wartość średnia prądu twornika : 

I

śr

 = 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 8 ; 10 A 

3. METODA I UKŁAD POMIAROWY 

ano i zbudowano stanowisko pomiarowe 

ypełnienia impulsów, 

Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 2. 

ebiegów prądu 

napięcia. Watomierz w układzie spełniał pomocniczą rolę wskaźnika. 

 

Celem badań było wyznaczenie wpływu częstotliwości modulacji 

f

M

współczynnika wypełnienia impulsów przekształtnika 

γ

 oraz wpływu  średniej 

rtości prądu na wartość strat mocy 

Δ

P

Fe

 spowodowanych pulsacją prądu twornika. 

Badania przeprowadzono na przykładzie opracowanego i wykonanego 

przeznaczonego do zasilania z tranzystorowe

dstawowe dane silnika były następujące : 

napięcie 

U 

≤ 300V ; prąd I ≤ 12A ; prędkość n ≤ 8000obr/min. 

dania wykonano dla następującego zakresu zmian parametrów zasilania silnika: 

- częstotliwość modulacji przekształtnika : 

f

M

 = 1 ; 2,5 ; 5 ;

- współczynnik wypełnienia impulsów : 

γ

 = 0,3 ; 0,5 ; 0,7 

Do realizacji badań opracow

umożliwiające niezależną regulację : 

−  częstotliwości modulacji przekształtnika
−  współczynnika w
−  prądu twornika. 

 
Układ składał się z transformatora separującego, prostownika niesterowanego, 

filtra pojemnościowego C

1

 = 1mF, przekształtnika impulsowego PI, badanego silnika 

M

, dodatkowej prądnicy prądu stałego G, oscyloskopu cyfrowego i komputera PC. Za 

pomocą sond pomiarowych S

1

,  S

2

 i oscyloskopu cyfrowego rejestrowano przebiegi 

napięcia i prądu silnika. Pomiary wartości  średniej prądu i napięcia na uzwojeniu 
nieruchomego wirnika wykonano za pomocą przyrządów magnetoelektrycznych. Moc 
traconą w zahamowanym silniku wyznaczono z zarejestrowanych prz

background image

 

Rys. 2. Układ do pomiaru strat w żelazie spowodowanych pulsacją prądu twornika 

Fig. 2. Diagram of measurement system 

 

Dzięki takiemu rozwiązaniu układu pomiarowego można było przy zahamowanym 

wirniku silnika badanego regulować  średnią wartość prądu płynącego przez silnik 
przy jednoczesnej niezależnej regulacji częstotliwości modulacji i współczynnika 
wypełnienia impulsów. Układ zapewniał niezależność regulacji średniej wartości 
prądu silnika od przebiegu czasowego napięcia przekształtnika. Kondensator 
C

1

 = 1mF zapewniał stałość amplitudy impulsów przekształtnika. 

Prądnicę dodatkową  G  włączono szeregowo z przekształtnikiem impulsowym 

zasilanym napięciem o wartości średniej ok. 310V. Na silniku występowało napięcie 
będące różnicą napięcia przekształtnika i prądnicy  G.  Średnia wartość napięcia 
przekształtnika zmieniała się w zakresie 0-310V, a silnika w zakresie około 

±155V. 

Regulacja wartości  średniej prądu twornika odbywała się przez zmianę napięcia 
prądnicy pomocniczej. Aby uniknąć wpływu indukcyjności uzwojenia prądnicy  G
równolegle z nią  włączono baterię kondensatorów 

C

2

 o pojemności 4mF. Wpływ 

rezystancji prądnicy na pracę układu był pomijalny, gdyż moc prądnicy G była około 
40 razy większa od mocy badanego silnika. 

W celu utrzymania stabilnej temperatury uzwojenia zahamowanego wirnika, 

zastosowano specjalny układ wentylacji z wymuszonym obiegiem powietrza. Podczas 
pomiarów temperatura uzwojenia wynosiła 

υ

t

 = 40

±5°C. 

W celu wyeliminowania wpływu nieliniowej rezystancji szczotek, pomiary 

wykonano zasilając uzwojenie przez szczotki z mosiądzu. 

4. WYNIKI BADAŃ LABORATORYJNYCH 

Przykładowe zarejestrowane przebiegi czasowe prądu i napięcia oraz wyznaczone 

przebiegi mocy przy różnych warunkach zasilania przedstawiono na rysunkach 3 i 4. 

background image

-300

-200

-100

0

100

200

300

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

u

t

 [V] ; P

we

 [W] *10

i [A]

t [ms]

i

u

t

P

w

 

Rys. 3. Przebiegi prądu i napięcia na tworniku oraz mocy w zahamowanym silniku  

f

M

=1kHz ; 

γ

=0,5 ; U

t śr

=1,4V ; I

śr

=1A ; I=1,4A; zakres prądów przerywanych 

Fig. 3. Transients of current, voltage and power (locked position of the motor) 

f

M

=1kHz ; 

γ

=0,5 ; U

t śr

=1,4V ; I

śr

=1A ; I=1,4A; range of the discontinued currents 

 

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

t [ms]

u

t

 [V] ; P

we

 [W] *10

i [A]

u

t

P

we

i

 

Rys. 4. Przebiegi prądu, napięcia na tworniku oraz mocy w zahamowanym silniku 

f

M

=1kHz ; 

γ

=0,5 ; U

t śr

=8,65V ; I

śr

=6A ; I=6,6A 

Fig. 4. Transients of current, voltage and power (locked position of the motor) 

f

M

=1kHz ; 

γ

=0,5 ; U

t śr

=8,65V ; I

śr

=6A ; I=6,6A 

 

Na podstawie wykonanych pomiarów wyznaczono charakterystyki określające 

zależność mocy 

P

we

 pobieranej przez zahamowany silnik i strat w żelazie 

Δ

P

Fe

 przy 

różnych wartościach częstotliwości modulacji, współczynnika wypełnienia 

γ

 i różnych 

background image

wartościach prądu. 
 

Przykładowe charakterystyki tych wielkości w funkcji częstotliwości modulacji 

zamieszczono na rysunkach 5-7. Charakterystyki w funkcji średniej wartości prądu 
twornika (przy 

f

M

=const) zamieszczono na rysunkach 8-10. 

 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

f

M

[kHz]

P

we

 ; 

Δ

P

Fe

' ; 

Δ

P

Cu

 [W]

P

we

Δ

P

Fe

'

Δ

P

Cu

 

Rys. 5. Zależność strat mocy od częstotliwości modulacji ; 

γ

=0,5 ; I

śr

=1A 

Fig. 5. Power loss versus modulation frequency ; 

γ

=0,5 ; I

śr

=1A 

 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

f

M

[kHz]

P

we

 ; 

Δ

P

Fe

' ; 

Δ

P

Cu

 [W]

P

we

Δ

P

Fe

'

Δ

P

Cu

 

Rys. 6. Zależność strat mocy od częstotliwości modulacji ; 

γ

=0,5 ; I

śr

=5A 

Fig. 6. Power loss versus modulation frequency ; 

γ

=0,5 ; I

śr

=5A 

 

background image

0

50

100

150

200

250

300

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

f

M

[kHz]

P

we

 ; 

Δ

P

Fe

' ; 

Δ

P

Cu

 [W]

P

we

Δ

P

Fe

'

Δ

P

Cu

 

Rys. 7. Zależność strat mocy od częstotliwości modulacji ; 

γ

=0,5 ; I

śr

=10A 

Fig. 7. Power loss versus modulation frequency ; 

γ

=0,5 ; I

śr

=10A 

 

0

50

100

150

200

250

300

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

  I

śr

 [A]

P

we

 ; 

Δ

P

Fe

' ; 

Δ

P

Cu

 [W]

P

we

Δ

P

Fe

'

Δ

P

Cu

 

Rys. 8. Zależność strat mocy od prądu twornika 

γ

=0,5 ; f

M

=1kHz 

Fig. 8. Power loss versus current 

γ

=0,5 ; f

M

=1kHz 

 

background image

0

50

100

150

200

250

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

P

we

 ; 

Δ

P

Fe

' ; 

Δ

P

Cu

 [W]

  I

śr

 [A]

P

we

Δ

P

Fe

'

Δ

P

Cu

 

Rys. 9. Zależność strat mocy od prądu twornika 

γ

=0,5 ; f

M

=10kHz 

Fig. 9. Power loss versus current 

γ

=0,5 ; f

M

=10kHz 

 

0

50

100

150

200

250

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

P

we

 ; 

Δ

P

Fe

' ; 

Δ

P

Cu

 [W]

  I

śr

 [A]

P

we

Δ

P

Fe

'

Δ

P

Cu

 

Rys. 10. Zależność strat mocy od prądu twornika 

γ

=0,5 ; f

M

=20kHz 

Fig. 10. Power loss versus current 

γ

=0,5 ; f

M

=20kHz 

5. ANALIZA WYNIKÓW 

Przedstawione na rysunkach 3-4 oscylogramy napięcia, prądu i mocy ilustrują 

zmiany kształtu przebiegów czasowych i zmiany pulsacji prądu twornika przy różnych 
wartościach częstotliwości modulacji przekształtnika, różnych wartościach 
współczynnika wypełnienia impulsów i różnej wartości  średniej prądu. Zmiany te 
wpływają na zależność strat 

Δ

P

Fe

 od częstotliwości przy różnych wartościach  I

śr

 

background image

i różnych wartościach współczynnika 

γ

 Największe straty 

Δ

P

Fe

 spowodowane pulsacją prądu występują przy niskich 

częstotliwościach modulacji. Ze wzrostem częstotliwości straty 

Δ

P

Fe

 ulegają 

zmniejszeniu (rys. 8-10). Wyjątek stanowią przypadki, które występują przy małych 
wartościach prądu obciążenia i niskich częstotliwościach modulacji (rys. 5), kiedy 
przewodzenie prądu nie jest ciągłe. 

Zależność strat 

Δ

P

Fe

 w funkcji prądu przy f

M

=const ilustrują rys. 8-10. Jedynie 

przy niskich częstotliwościach (

f

M

 

≤ 5kHz) charakterystyki 

Δ

P

Fe

=f(I

śr

) mają kształt 

wypukły z wyraźnie występującym maksimum. Przy częstotliwościach 

f

M

 = 5..20 kHz 

charakterystyki są praktycznie płaskie. Zmniejszanie się strat 

Δ

P

Fe

 ze wzrostem 

częstotliwości spowodowane jest zmniejszaniem się  głębokości wnikania strumienia 
oddziaływania twornika w jarzmo stojana. Określa ją w przybliżeniu zależność [4] 

 

f

μγ

δ

1

=

, (10) 

w której : 

μ

 - przenikalność magnetyczna, 

γ

 - przewodność elektryczna, 

 

f - częstotliwość. 

Drugą przyczyną zmniejszania się strat 

Δ

P

Fe

 wraz ze wzrostem częstotliwości jest 

zmniejszanie się amplitudy pulsacji prądu twornika (przy I

śr

=const), co ilustrują  

rys. 5-7. 

Ze zmianą wartości  średniej prądu twornika zmienia się stan nasycenia 

i przenikalność magnetyczna 

μ

 jarzma stojana. 

Charakterystyki strat mocy 

Δ

P

Fe

 zamieszczone na rysunkach 5-10 dotyczą 

pomiarów przy współczynniku wypełnienia impulsów 

γ

 = 0,5. Są to maksymalne 

straty jakie mogą wystąpić w silniku. Przy innych wartościach współczynnika 

γ

 straty 

te będą mniejsze, gdyż mniejsze są pulsacje prądu. 

Wykonane badania strat 

Δ

P

Fe

 przy innych wartościach współczynnika 

wypełnienia impulsów (

γ

 = 0,3 ; 0,7) wykazały, że zmniejszenie strat z tego powodu 

wynosi maksymalnie 15%. 

6. PODSUMOWANIE 

Opracowany układ i wykonane stanowisko pomiarowe umożliwia zbadanie 

wpływu zmiany warunków zasilania (f

M

γ

) i prądu obciążenia silnika na zjawiska 

spowodowane pulsacją prądu twornika. 

 
Zbadanie wpływu badanych zjawisk metodą analityczną byłoby bardzo utrudnione 

i nie gwarantowałoby wymaganej dokładności. 

background image

Wykonane badania umożliwiły wyznaczenie charakterystyk: 

Δ

P

Fe

 = f(f

M

) przy 

I

śr

 = const oraz charakterystyk 

Δ

P

Fe

 = f(I

śr

) przy f

M

=const. 

LITERATURA 

[1] Dudzikowski I.,  Kramarski R.,  Pawlaczyk L., Drive system with permanent-magnet motors supplied 

from converters Proc. of Fifth International Conference  Electrical Machines and Systems, Shenyang 
University of Technology, China, Aug. 2001, pp.917-920 

[2] Dudzikowski I., Kramarski R., Pawlaczyk L., Silnik z magnesami trwałymi zasilany z przekształtnika 

impulsowego, Electromagnetic phenomena in nonlinear circuits, XVI Symposium. Procedings EPNC 
2000. Kraków, Wrzesień 2000 

[3] Dudzikowski I., Kramarski R., Pawlaczyk L., Analiza pracy silnika z magnesami trwałymi zasilanego 

z przekształtnika impulsowego, Przegląd Elektrotechniczny, 1998 nr.7 pp.171-175 

[4] Turowski J., Elektrodynamika techniczna, WNT, Warszawa 1994 

DETERMINATION OF THE INFLUENCE OF PULSE CONVERTER ON ADDITIONAL  

POWER LOSS IN THE PERMANENT MAGNET MOTOR 

Modern supply systems used with permanent magnet motor cause additional power loss in iron of the 

motor. This paper presents developed Measurement System for measuring power loss. Examples of 
measurements are presented. Influences of converter modulation frequency, modulation percentage of the 
voltage and current loading on the power loss in the motor are determined.