Anahtarlamalı relüktans motor: mıknatıssız, çift çıkıklı motor nasıl çalışır?

Çift çıkıklı yapı

SRM'de stator, çıkık kutuplar üzerinde yoğunlaşık bobinlere; rotor ise çıkık dişli çelik laminasyon paketine sahiptir: mıknatıs, kafes ya da sargı yoktur. Karşılıklı stator bobinleri tek faz olacak şekilde bağlanır. En yaygın düzenlemeler şunlardır:

• 6/4: 6 stator kutbu, 4 rotor kutbu, 3 faz
• 8/6: 8 stator kutbu, 6 rotor kutbu, 4 faz

Rotor kutup sayısı bilerek stator kutup sayısından farklı seçilir; böylece bir faz hizalıyken diğer fazlar kısmen kaymış olur ve seçilen yönde her zaman tork başlatılabilir. Faz vuruşları arasındaki adım açısı 360° / (m × N_r)'dir: 6/4 için 30°, 8/6 için 15°.

Minimum relüktans ve tork denklemi

Bir stator fazı enerjilendiğinde, akı en düşük relüktanslı yolu istediği için yakındaki bir rotor kutbu onunla hizalanmaya çekilir. Hizalı konumda indüktans en büyüktür (L_a); rotor kutbu stator kutupları arasındayken en küçüktür (L_u). Tork, depolanan manyetik enerjinin açıya göre değişimidir; doyumsuz bir faz için:

T = ½ × i² × dL/dθ

Bunun iki sonucu vardır. Birincisi, torkun işareti akımın değil dL/dθ'nın işaretidir; bu yüzden tek yönlü akım yeterlidir ve evirici akımı tersine çevirmek zorunda değildir. İkincisi, faz yalnızca indüktans artarken, yani rotor kutbu hizalanmaya yaklaşırken pozitif tork üretebilir. Kutup hizalamadan geçerken akım hâlâ akıyorsa indüktans azalmaktadır ve tork negatif olur; bu rotoru frenler.

L_u = 5 mH, L_a = 30 mH (oran 6), 20° mekanik (0,349 rad) artış bölgesi ve 20 A akımla çalışan 8/6 makine için, doyumsuz çözümlü örnek:

dL/dθ = 0,025 / 0,349 ≈ 0,072 H/rad T = ½ × 20² × 0,072 ≈ 14,3 N·m (faz için)

Tork akımın karesini izler ve gerçek makinede demirin doyumu onu biraz küçültür.

Faz sıralaması ve evirici

Rotorun dönmeye devam etmesi için fazlar sırayla, her biri rotor kutbu hizalanmaya varmadan hemen önce enerjilendirilir. Sırayı tersine çevirmek dönüş yönünü tersine çevirir. Kontrol, rotor konumunu bir algılayıcıdan ya da bir tahminden alır; anahtarlama açıları açma ve kapama açıları olarak tanımlanır:

• Açma açısı: indüktans artmaya başlamadan önce akımın yükselmiş olacağı kadar erken ayarlanır. Daha erken açma daha çok tork verir, ama daha çok akım da çeker.
• Kapama açısı: hizalamadan önce akım sıfıra inmiş olacak kadar erken ayarlanır, böylece negatif tork oluşmaz.

Olağan evirici asimetrik yarım köprüdür: her faz için iki anahtar ve iki diyot. İki anahtar da iletimdeyken faz +V_dc alır. Kapamada ikisi de açılır ve diyotlar depolanan enerjiyi −V_dc ile DC baraya geri verir. Faz sargısı her zaman bir anahtar ile bir diyot arasındadır; bu yüzden bir koldaki iki anahtar DC barayı hiçbir zaman kısa devre edemez ve evirici sağlam olur. Düşük hızda akım, belirli bir sınırda kıyılarak tutulur; yüksek hızda zıt EMK ve kısa vuruş akımın sınıra ulaşmasını engeller ve faz tek bir darbe olarak ateşlenir.

Tork dalgalanması ve akustik gürültü

Her faz torkunu bir darbe olarak verir ve toplam tork darbelerin toplamıdır. Bu yüzden tork vuruşlar arasında çöker. Dalgalanma, devir başına vuruş sayısı azaldıkça (6/4'te 12, 8/6'da 24) ve iletim penceresi daraldıkça artar. Vuruş frekansı m × N_r × n / 60'tır; 3000 dev/dk'daki bir 8/6 için bu 4 × 6 × 3000 / 60 = 1200 Hz'dir.

Torku yaratan aynı radyal çekme statoru da deforme eder. Faz her kapandığında stator bir çan gibi çınlar; bu, duyulur gürültü ve titreşimin ana kaynağıdır ve statorun mekanik rezonansı çevresinde kötüleşir. Çareler daha çok faz, biçimlendirilmiş akım dalga şekilleri, ayarlanmış kapama açıları ve daha rijit bir statordur. Sessiz çalışmanın öncelik olduğu yerlerde SRM'lerin daha az yaygın olmasının nedeni dalgalanma ve gürültüdür.

Güçlü yönler ve kullanım alanları

• Basit ve ucuz rotor: yalnızca çelik olduğu için çok yüksek hızda (20 000 dev/dk üzerinde) sağlamdır ve yüksek sıcaklığa dayanır.
• Mıknatıs ve rotor akımı yoktur: nadir toprak elementi yok, rotor soğuk ve sürücü durduğunda denetimsiz üretim yok.
• Hata toleransı: fazlar elektriksel ve manyetik olarak bağımsızdır; bu yüzden motor kalan fazlarla çalışmaya devam edebilir ve evirici kolu kısa devre yapamaz.
• Geniş sabit güç hız aralığı ve geniş bir hız ve yük aralığında iyi verim.

Yaygın kullanım alanları elektrikli süpürgeler ve ev aletleri, fanlar ve pompalar, elektrikli araç prototipleri, havacılık marş-jeneratörleri ve madencilik ya da tekstil sürücüleridir. Olumsuz yönleri tork dalgalanması, gürültü, bir rotor konum algılayıcısı ya da tahmin edici gerekmesi ve makine için tasarlanmış bir eviricidir.

Simülatör SRM'yi nasıl modeller?

Simülatör, bir fazı sabit hızda bir elektriksel çevrim boyunca ele alır. İndüktans rotor açısına göre yamuk biçimlidir: kutuplar örtüşmediğinde L_u, 120° elektriksel boyunca doğrusal artış, tam örtüşmede L_a ve doğrusal azalış. L_a / L_u = 6'dır. Akı bağı ψ = ψ_sat × tanh(L × i / ψ_sat) olarak doyar ve tork birlikte enerjinin türevidir; doyumsuz durumda ½ × i² × dL/dθ'ya indirgenir.

Evirici, açma ve kapama arasında +V_dc ile dψ/dt = v − R × i denklemini integre eder; akım kıyma ideal histerezis olarak modellenir ve kapamadan sonra akı sıfıra ulaşana kadar −V_dc uygulanır. Diğer fazlar ilkinin kaydırılmış kopyalarıdır. Model, ortalama torkun yük artı sürtünme ve demir kaybına eşit olduğu hızı bulur. Makine künyeden türetilir: anma gücü, anma hızı ve anma DC bara gerilimi.

Sınırlar: PWM dalgalanması, ölü zaman, karşılıklı indüktans ya da çevrim içi hız dalgalanması yoktur; kutup yayları ve L_a / L_u sabittir. Bu bir öğretim modelidir.

Anahtarlamalı relüktans motor simülatöründe deneyin

Anahtarlamalı relüktans motor simülatörü, 1,5 kW, 3000 dev/dk ve 300 V'luk 8/6, dört fazlı bir makine olarak başlar.

• Bir fazın bir elektriksel çevrimi grafiğini inceleyin: İndüktans, açma ve kapama işaretli Faz akımları ve ortalamasıyla birlikte Toplam tork.
• Kapama açısı'nı (elektriksel derece cinsinden, 0° = hizalı; varsayılan −65°) 0°'ye doğru ve ötesine değiştirin. Akım düşen indüktansa taşar, Negatif tork payı görünür ve kapama çok geç kalırsa bir uyarı belirir. Açma açısı'nı (varsayılan −125°) daha erken ya da geç yapmak torku ve tepe akımı değiştirir.
• Stator/rotor kutupları ayarını 6/4 ile 8/6 arasında değiştirin ve Tork dalgalanması göstergesini karşılaştırın; 6/4 daha büyük dalgalanma verir. Komütasyon frekansı da değişir.
• Akım referansı (kıyıcı sınırı) ayarını kullanın. Akım kontrolü göstergesi düşük hızda Akım kıyma, yüksek hızda Tek darbe gösterir; Bu akım referansında hıza göre tork grafiği Kıyma ve Tek darbe bölgelerini ve Hız sınırı'nı işaretler.
• Mekanik yük'ü değiştirin ve Ortalama tork, hız ve DC bara akımı değerlerini izleyin. Sürücünün tutabileceğinin üzerinde motor durur.
• 3B görünümde iletimdeki fazın bobinleri mıknatıslanırken turuncu, enerji DC baraya geri verilirken mavi yanar.

Temel alışkanlık: açıları öyle ayarlayın ki akım yalnızca indüktans artarken aksın.

Simülatörde deneyin