MASINI ROTATIVE CU RELUCTANTA VARIABILA

Masinile electrice cu reluctanta variabila au capatat in ultimul timp, datorita diversificarii si cresterii performantelor sistemelor electronice de alimentare si control, o raspandire din ce in ce mai mare, ocupand un segment in crestere din piata actionarilor cu turatie variabila. Din categoria masinilor cu reluctanta variabila face parte si masina sincrona reactiva care a fost prezentata, in acesasta parte urmand sa fie discutate masina cu poli aparenti pe ambele armaturi ( SRM = switched reluctance machine), masina cu poli aparenti pe ambele armaturi si magneti permanenti ( DSPMM = double salient permanent magnet machine), si motorul pas cu pas, motor care este in fapt un caz particular al SRM. Toate aceste masini electrice functioneaza pe principiul reluctantei minime, iar in cazul in care sunt prevazute cu magneti permanenti combina cele doua principii de functionare. Toate aceste masini sunt autocomutate, adica la toate momentul in care se face alimentarea infasurarilor, si timpul cat acestea sunt alimentate, depinde de pozitia rotorului. Aceste masini nu pot practic functiona alimentate de la reteaua de tensiune si frecventa constanta si in consecinta un rol important in functionarea acestor masini il joaca convertorul electronic de putere prin intermediul caruia se face alimentarea si comanda acestor masini.

Mai multe tipuri de masini electrice au reluctanta variabila, cum ar fi masinile sincrone cu poli aparenti, cu sau fara excitatie electromagnetica sau cu magneti permanenti, sau masinile de curent continuu. Masina sincrona reactiva functioneaza chiar pe baza principiului reluctantei minime, adica rotorul se roteste astfel incat campul statoric sa se inchida pe calea de reluctanta minima. Deci rotorul se roteste sincron cu campul invartitor statoric. La aceste masini alimentarea se face de la reteaua de curent alternativ sau de curent continuu, cazul masinii de curent continuu, toate masinile pot functiona fara sa fie necesara o sincronizare a alimentarii cu pozitia rotorului. Exceptie face masina sincrona fara colivie de pornire/amortizare in procesul de pornire cand se alimenteaza cu tensiune de frecventa variabila si cand alimentarea fazelor se sincronizeaza cu pozitia rotorului.

Masinile cu reluctanta variabila si comutatie electronica sunt alimentate prin convertoare electronice de putere, ele functionand numai daca alimentarea fazelor este sincronizata cu pozitia rotorului. Si alte masini electrice, chiar masina de inductie de exemplu, pot functiona in acest mod dar numai in regim de turatie variabila si cand sunt complet comandate. In categoria masinilor cu reluctanta variabila si comutatie electronica sunt cuprinse masina cu reluctanta comutata electronic, se va utiliza prescurtarea acceptata pe plan mondial adica SRM= switched reluctance motor sau SRG pentru regimul de generator, motorul pas cu pas, care este in fapt un caz particular al SRM, masina cu reluctanta si cu magneti permanenti comutata electronic( DSPMM(G)= double salient permanent magnet motor( generator)) si masina cu flux transversal(TFM(G)= transvers flux motor( generator)). Cu exceptia SRM si a motorului pas cu pas care au fost introduse in anii 60 ai secolului trecut si sunt deja aplicate in diverse actionari existand deci si o productie de serie, celelalte tipuri de masini din aceasta clasa sunt relativ noi, sfarsitul anilor 80 si inceputul anilor 90 secolul trecut, si cu toate ca au o dezvoltare relativ impetuoasa nu sunt inca aplicate pe scara mai larga si se produc doar prototipuri. Chiar daca nu au un trecut prea bogat, toate masinile din aceasta clasa traiesc intr-un prezent cu multe si interesante realizari si aproape tuturor li se prefigureaza un viitor de competitori activi pe piata actionarilor cu turatie variabila.

Motorul cu reluctanta comutata( SRM)

Motorul cu reluctanta comutata( SRM) are poli aparenti pe stator si pe rotor, rotorul fiind, in constructiile uzuale, pasiv, deci fara infasurari sau magneti permanenti. La acest motor cuplul rezulta datorita tendintei rotorului de a se roti intr-o pozitie in care inductanta fazei statorice parcurse de curent, ca si fluxul produs de aceasta, au valorile maxime. Evident acest motor functioneaza pe baza aceluiasi principiu ca si motorul sincron reactiv, dar constructia este diferita in ceea ce priveste statorul. In rotor ambele motoare au poli aparenti sau nesimetrie magnetica. Statorul motorului sincron reactiv are crestaturi si o infasurare repartizata iar statorul in cazul SRM are poli aparenti si infasurare concentrata, cum se vede in figura 1.

Acest motor are o constructie simpla, un rotor pasiv cu inertie redusa, cuplu mare la pornire si cost redus. Cu toate dezavantajele sale, printre care trebuie mentionata necesitatea detectarii pozitiei rotorice si a alimentarii printr-un convertor electronic precum si variatiile de cuplu pe o rotatie completa, SRM reprezinta o alternativa, nu lipsita de atractivitate, pentru motoarele de curent continuu sau de curent alternativ conventionale. Aplicatiile unor actionari cu SRM sunt destul de numeroase, de mentionat de exemplu masina de spala automata Neptune produsa de compania Maytag utilizand motorul si partea de alimentare si comanda produse de compania Emerson.

In ultimii treizeci de ani s-au publicat un numar impresionant de lucrari stiintifice dedicate acestui motor, lucrari in care se urmaresc imbunatatiri constructive, dezvoltarea metodicilor de proiectare, ridicarea performantelor sistemelor de alimentare si control si nu numai. Mai multe monografii au fost dedicate motorului, de remarcat cele publicate de Miller si Krishnan,si o suma de brevete de inventii acordate au vizat tot dezvoltarea motorului si a sistemului de alimentare si control.

Principiu de constructie si functionare

SRM este unul din cele mai simple motoare electrice avand o constructie simpla si robusta. Rotorul este pasiv deci fara infasurari sau magneti permanenti, cu poli aparenti, fiind realizat din tole dispuse normal, deci radial, sau axial in varianta ALA ca si in cazul masinii sincrone reactive, cu un rotor cu poli aparenti si tole dispuse radial (fig. 1).

Statorul acestui motor este construit din tole dispuse radial si are in constructia uzuala poli aparenti, fig.1 Exista si variante constructive de stator cu poli inecati, dar infasurarea este concentrata in toate variantele. Tolele statorice sunt asamblate in carcasa iar cele rotorice pe axul rotoric. Celelalte componente constructive sunt cele uzuale , adica scuturi fortate si lagare cu rulmenti. Uzual motoarele au doua capete de ax scoase, unul utilizat pentru montarea pe el a traductorului de pozitie. Cum rotorul nu este bobinat racirea bobinajului statoric este corespunzatoare si nu sunt necesare, in mod normal, masuri suplimentare pentru asigurarea racirii.

Pentru a preveni blocarea rotorului in timpul functionarii numarul de poli pe stator si pe rotor este diferit. Diferenta, la motoarele elementare, este 2 iar la cele multiple de ordinul n este 2 inmultit cu ordinul de multiplicitate. Astfel numerele uzuale de poli la SRM, este dat in Tabelul1., prima cifra pentru stator, a doua pentru rotor.

Tabelul.1. Numarul de poli la SRM

La SRM alimentarea fiecarei faze este in general independenta si convertoarele electronice au o structura specifica. In consecinta numarul de faze nu este limitat decat de costul si complexitatea convertorului. Cum la un moment de timp este alimentata uzual o singura faza cresterea numarului de faze nu atrage dupa sine cresterea puterii dar reduce variatiile de cuplu, cum se vede din curbele de variatie ale cuplului in functie de pozitia unghiulara a rotorului, Fig. 2.

In functionarea SRM exista, fata de faza statorica alimentata, doua pozitii limita, si anume, Fig. 3.

i)      Pozitia aliniata cand axa polului statoric excitat coincide cu o axa a unui pol rotoric. In aceasta pozitie fluxul si inductanta fazei au valoare maxima, Fig. 3.

ii)    Pozitia nealiniata cand axa polului statoric excitat coincide cu o axa a unei crestaturi rotorice, pozitie in care valorile inductantei si ale fluxului fazei sunt minime, Fig.3.

Masina functioneaza in regim de motor intre o pozitie nealiniata si una aliniata cand inductanta si fluxul fazei cresc, Fig. 3 si in regim de generator cand acestea descresc. In regim de motor cuplul are tendinta sa deplaseze rotorul intr-o pozitie aliniata, pozitie de reluctanta minima. Cuplul instantaneu nu este constant, cum va fi demonstrate ulterior si cum se vede in Fig. 2. Cuplul mediu static se poate obtine din aria conversiei de energie in diagrama curent/flux data in Fig. 4 unde sunt prezentate ciclurile de operare, ca si modul in care circula curentul din faza prin tranzistoare si respectiv diode de fuga.

In momentul initial rotorul este intr-o pozitie nealiniata sau foarte aproape de o astfel de pozitie. La alimentarea fazei, cand ambele tranzistoare conduc, Fig. 4.b, fluxul creste pe caracteristica OC, Fig. 4.a. In pozitia care corespunde punctului C se deschid tranzistoarele, tensiunea pe faza schimba de sens si curentul se inchide prin diodele de fuga D1 si D2, Fig. 4.d. fluxul prin faza se reduce, variind pe caracteristica CO, Fig. 4.c. ciclul complet, care cuprinde ambele caracteristici, si care caracterizeaza transferul de energie pentru un pas la o faza este dat in Fig. 4.e, suprafata ciclului fiind proportionala cu cuplul electromagnetic produs.

In Fig. 5 este prezentata o succesiune de patru frecvente de alimentare la un motor cu patru faze. Se observa ca fazele sunt alimentate in secventa orara in timp ce rotorul se roteste in sens invers. Acest fapt este tipic pentru SRM. In cazul motoarelor conventionale cu camp invartitor( inductie, sincron) rotorul se roteste natural in sensul in care se roteste si campul invartitor produs de stator.

Diferite variante ale SRM sunt prezentate in Fig. 6 si anume:

O structura de motor bifazat cu patru poli pe stator si doi pe rotor, Fig. 6.a. polii rotorici au o forma specifica pentru a evita blocarea rotorului si a se asigura o rotatie continua a acestuia.

Un motor trifazat cu 6/4 poli, Fig. 6.b.

Un motor cu 4 faze si 8/6 poli, Fig. 6.c.

Un motor cu trei faze cu 6 poli statorici divizati si zece poli rotorici, Fig. 6.d.

Un motor cu cinci faze si 16/8 poli, dar cu perechi de cate doi poli rotorici apropiati( poli duali) si fazele create prin alimentarea bobinelor a cate doua perechi de poli consecutivi statorici, Fig. 6.e.

Un motor cu patru faze si 16/12 poli , Fig. 6.f, pentru fiecare faza fiind alimentate bobinele de pe patru poli plasati pe doua diametre perpendiculare.

In Fig. 6 la toate variantele sunt marcate bobinele care se conecteaza impreuna pentru a forma o faza, la ultimele doua fiind trasate si liniile de flux in pozitia aliniata a fazei.

In Fig. 7 este prezentata o sectiune printr-un SRM cu patru faze si 8/6 poli construit pentru actionarea unui electrovehicol. Sunt evidentiate canalele de racire plasate intre bobinele din aceeasi crestatura si orificiile de fixare pentru asigurarea unei stabilitati mecanice adecvate. Se observa ca polii statorici situati pe diametrul vertical sunt in pozitie aliniata, iar cei de pe diametrul orizontal sunt in pozitie nealiniata. Aceasta pozitie a rotorului s-a obtinut prin alimentarea bobinelor situate pe polii plasati pe diametrul vertical. In secventa urmatoare se alimenteaza polii in sensul orar daca se doreste rotirea rotorului in sens antiorar si respectiv invers.

O constructie deosebita de SRM bifazat este prezentata in Fig. 8 si 9. Acest motor are doua bobine inelare, cate una pentru fiecare faza, dispuse axial pe miezul statoric care are o parte comuna si doua parti cilindrice distincte, Fig. 8. In Fig. 9 este prezentata geometria modelului in trei dimensiuni pentru calculul de camp cu metoda elementului finit in cazul unei faze a motorului. Aceasta constructie este una la granita dintre SRM si MFT reactiv bifazat cu circuit magnetic nesimetric.

Pentru imbunatatirea performantelor SRM s-au propus diverse variante constructive, cu magneti permanenti sau cu infasurari de excitatie auxiliara, rezultand astfel motoare hibride cu excitatie si cu reluctanta variabila. O varianta interesanta de motor hibrid este prezentata in principiu in Fig. 10 Motorul hibrid, un SRM.

Structura unui SRM trifazat cu 6/4 poli si o infasurare de excitatie alimentata in curent continuu trifazat cu 6/4 poli are o infasurare concentrata cu pas diametral alimentata in curent continuu. La un SRM curentul prin faza asigura atat cererea campului in motor cat si producerea cuplului electromagnetic. De aceea, folosind o infasurare alimentata in curent continuu asigura producerea campului de magnetizare si se reduce astfel curentul de faza. In fapt prin premagnetizarea miezului cu solenatia de excitatie se asigura o crestere a coenergiei sistemului , deci si a cuplului, cum rezulta si din masuratorile date in Fig. 11.

Se observa ca SRDCM produce cuplu cu 60% mai mare la turatii mici si cu cca. 20% mai mare la turatii mari, curentii de faza fiind cu cca. 30% mai mici. Acest motor hibrid prezentat in [] are dimensiuni si putere mici si rezultatele nu sunt intru totul reprezentative. Deci nu se poate trage concluzia, numai din aceste rezultate, ca un SRM hibrid este sigur o solutie mai buna decat un SRM obisnuit. Se poate spune ca motorul hibrid poate fi o varianta interesanta, dar mai este pana la a produce numai SRM hibride, solutia uzuala avand inca avantaje demne de luat in seama.

Alimentarea si comanda SRM.

Convertorul electronic pentru alimentare care a mai fost prezentat anterior Fig. 13, are uzual doua tranzistoare si doua diode de fuga pe fiecare faza. Un convertor complet, care contine si redresorul de la retea si circuitul intermediar de curent continuu, pentru un SRM trifazat este dat in Fig. 12.

Cu o astfel de punte asimetrica pe fiecare faza sunt posibile doua strategii de alimentare a fazei atunci cand controlul curentului se face prin modularea in durata a pulsurilor( mod PWM). In primul caz, Fig. 13 tranzistoarele T₁ si T₂ conduc sau nu simultan. In cel de-al doilea caz, Fig. 14 tranzistorul T1 conduce ciclul intreg de conductie a fazei, iar controlul curentului din faza in mod PWM este realizat cu tranzistorul T2 care este comutat mereu, conducand sau nu, in functie de comanda de la regulator. In ambele cazuri este fixata o valoare de referinta a curentului de faza , valoare calculata de regulatorul de cuplu in functie de cuplul la arbore necesar. Eroarea de curent este procesata de un regulator cu histerezis cu o banda de deschidere de . Cand curentul de faza efectiv depaseste valoarea maxima de referinta

(1)

atunci tranzistorul sau tranzistoarele care lucreaza in modul PWM sunt deschise simultan. Tranzistoarele sunt comandate sa conduca, in interiorul duratei alimentarii fazei pe un ciclu, atunci cand curentul de faza este egal cu valoarea de referinta minima, adica,

(2).

In Fig. 13 este explicat modul de operare al puntii asimetrice pentru cazul in care ambele tranzistoare T1 si T2 conduc sau sunt blocate simultan. In Fig. 13a sunt date succesiv curbele de variatie a inductantei, a curentului de faza, a comenzilor tranzistoarelor si a tensiunii pe faza. In Fig. 13b este aratat modul de circulatie a curentului cand ambele tranzistoare conduc. In cazul din Fig. 13b ambele tranzistoare sunt blocate si curentul circula prin diodele de fuga, tensiunea pe faza fiind inversa. Pe durata inversarii sensului tensiunii de faza energia inmagazinata in bobina in perioada anterioara este cedata sursei. Deci in timpul unui ciclu de alimentare a fazei se face un schimb repetat de energie intre sursa si bobina rezultand oscilatii de tensiune in condensatorul C din circuitul intermediar de curent continuu si o crestere a pierderilor de comutatie in tranzistoare si diode.

a)	b)
Fig.14 Alimentarea si comanda curentului de faza in mod PWM prin comutarea tranzistorului T2 a) formele de unda; b) circulatia curentului cu ambele tranzistoare in conductie c) circulatia curentului cu T1 in conductie si T2 blocat; d) circulatia curentului dupa momentul blocarii ambelor tranzistoare;	c) Vph=
	d)

In Fig. 14 este prezentat modul de operare al puntii asimetrice pentru cazul in care tranzistorul T₁ conduce intreg ciclul iar tranzistorul T₂ opereaza in mod PWM. In Fig. 14a sunt date succesiv curbele de variatie a inductantei, a curentului de faza, a comenzilor tranzistoarelor si a tensiunii de faza. In Fig. 14b este aratat modul de circulatie a curentului cand ambele tranzistoare conduc. In cazul din Fig. 4.1.16. c tranzistorul T₁ conduce iar tranzistorul T₂ este blocat curentul inchizandu-se prin T₁ si dioda de fuga D₁. Cazul cand ambele tranzistoare sunt blocate si curentul de faza se inchide prin diodele de fuga D₁ si D₂ este dat in Fig. 14d.

Strategia de comanda prezentata in Fig.14 nu asigura schimbul de energie intre bobina si sursa decat la sfarsitul ciclului de alimentare a fazei cand tensiunea de faza este inversa. In timpul ciclului de lucru cand tranzistorul T2 este blocat tensiunea pe faza devine zero si energia acumulata in bobina este circulata in motor, deci nu este recirculata spre sursa. In aceasta situatie nu exista, in timpul ciclului, variatii de tensiune pe condensatorul din circuitul intermediar de curent continuu si pierderile de comutatie se reduc. Dar in acest caz curentul se stinge mai incet si rezulta o "coada" de curent mai lunga ceea ce este defavorabil functionarii motorului.

Exista si convertoare cu mai putine tranzistoare si diode de fuga, cum sunt spre exemplu cele date in Fig. 15 si Fig. 16 dar in aceste cazuri nu se mai asigura totala independenta a fazelor existand elementele de comutatie comune tuturor fazelor.

In cazul convertorului dat in Fig. 15 tranzistorul T este comun pentru toate fazele, ca si dioda de fuga D, si conduce tot timpul. Convertorul poate functiona in ambele strategii, circuitul pentru faza 1 de exemplu fiind realizat cu tranzistoarele T si T₁ si cu diodele D si D₁. Deci T si T₁ pot conduce sau pot fi blocate in acelasi timp, strategia prezentata in Fig. 13, sau T conduce tot timpul si doar T₁ opereaza in modul PWM, strategia prezentata in Fig. 14. Procesul este similar la celelalte faze, tranzistorul T si dioda D fiind comune la toate fazele.

In cazul convertorului dat in Fig. 16 fiecare faza are un singur tranzistor iar circuitul de fuga este realizat cu o dioda si condensatorul C_D. Tensiunea pe condensatorul C_D este controlata la o valoare medie egala cu dublul tensiunii sursei cu un variator de tensiune continua realizat cu tranzistorul T, dioda D si bobina L_D. Energia recirculata spre sursa reprezinta o parte mare din energia totala, deci componentele variatorului trebuiesc dimensionate adecvat. Un defect in circuitul variatorului permite incarcarea necontrolata a condensatorului C_D cu consecinte catastrofice, cum afirma Miller [ M*].

Functionarea in regim de generator a masinii cu reluctanta variabila comutata electronic este posibila, cum s-a aratat deja, Fig. 3, atunci cand inductanta fazei energizate incepe sa scada. In aceste conditii cuplul electromagnetic schimba de semn si masina genereaza energie spre sursa. Este absolut necesar ca masina sa fie excitata, cand conduc tranzistoarele, pentru ca puterea generata sa fie returnata apoi sursei prin diodele de fuga in timpul scaderii fluxului prin faza. Energia returnata depaseste energia primita, diferenta fiind asigurata de energia primita de la motorul de antrenare. Toate convertoarele prezentate, Fig. 11, Fig. 15 si Fig. 16 asigura, in principiu, transferul de energie spre sursa, cu conditia ca redresorul sa poata trece in regim de invertor in cazul cand sursa este reteaua. Cand sursa si consumatorul sunt de curent continuu, circuitele lor se pot separa, spre exemplu circuitele date in Fig. 17 si Fig. 18, prezentate numai pentru o faza.

Circuitul din Fig. 18 genereaza pe sarcina o tensiune mai mica decat tensiunea sursei si la o viteza data ciclul de generare este extins intr-un raport egal cu raportul celor doua tensiuni. Se extinde adecvat si perioada de conductie, deci se genereaza o cantitate mai mare de energie ca in cazul celuilalt circuit, Fig. 17.

Cum SRG este o masina simplu alimentata( excitata) aceasta energie trebuie asigurata la fiecare perioada de functionare. In timpul alimentarii energia electrica se adauga energiei mecanice pentru a realiza inmagazinarea energiei cedate apoi pe durata ciclului de generare in timp ce fluxul, deci si inductivitatea, fazei descreste. In functionarea ca generator energia reactiva circulata de convertor solicita suplimentar condensatoarele si tranzistoarele.

O schema bloc pentru controlul unui SRM este data in Fig. 19. In sistemul de actionare reprezentat in Fig. 19, cuplul rezistent este inclus in blocul care revine SRM, exista cel putin doua regulatoare , unul turatie / curent care genereaza valoarea curentului de referinta in functie de cuplu si de turatie si unul de tip histerezis care genereaza semnalele de comanda in mod PWM functie de curentul de faza.

Exista si doua moduri de control care nu necesita utilizarea unui regulator cu histerezis, controlul in tensiune, cand latimea si frecventa impulsurilor este data si nu depinde de curent, si controlul cu un singur puls, cand nu se controleaza curentul de faza, tranzistoarele conducand tot timpul perioadei care corespunde alimentarii unei faze. Aceste doua variante sunt mai simple decat prima, comanda PWM in curent, dar si mai putin performante. In toate cazurile durata de alimentare a unei faze depinde de viteza li este limitata ca timp, pentru regimul de motor, de timpul necesar rotorului de a trece din pozitia nealiniata( sau aproape nealiniata) fata de faza ce se alimenteaza pana in pozitia aliniata. Deci in cazul unui SRM cu 6/4 poli perioada de conductie a unei faze este egala cu timpul necesar rotorului sa se roteasca cu aproximativ , Fig. 3. Alimentarea fiecarei faze statorice, facuta secvential, trebuie sa fie perfect sincronizata cu pozitia rotorului. Deci aceasta pozitie se cere cunoscuta, fie prin detectarea directa de la un encoder fixat pe axul motorului, fie prin calcularea ei utilizand o metoda de estimare , cand nu se prevede un encoder pe axul motorului. Acesta este in principiu cazul actionarilor de putere mica, la care costul encoderului este important raportat la costul sistemului, sau / si a celor care nu trebuie sa aiba performante foarte bune.

Exista, principial doua clase de metode de estimare a pozitiei rotorului:

i).    Metode de calcul in care se utilizeaza valorile masurate ale tensiunii si curentului fazelor masinii.

ii).    Metode de calcul care utilizeaza informatii obtinute prin aplicarea unor tensiuni de frecventa ridicata, diferite de cele de alimentare de forta, la fazele masinii.

Fara a intra in detalii, se poate apela la bibliografia recomandata, se vor prezenta doar metodele cele mai utilizate din prima clasa, care sunt:

i).    Estimarea bazata pe variatia inductantei fazei.

ii).    Estimarea bazata pe masurarea tensiunii electromotoare induse.

iii).Estimarea bazata pe utilizarea sistemelor cu observatori.

Ultima categorie contine metodele care asigura o precizie ridicata, dar care necesita si o putere de calcul ridicata, deci un cost mai mare.