1. SWITCHED RELUCTANCE MOTOR Spínaný reluktančný motor SRM

3. Elektronicky komutované elektrické stroje
BLDC
SMPM
SRM KM
SRM-1838-známy princíp SRM na základe mechanických spínačov (považuje sa za najstarší točivý elektrický motor). Jeho použitie sa nerozšírilo, kým nenastal rozvoj výkonovej elektroniky
1970- patentovaná elektronická komutácia založená na znalosti polohy rotora. Prof. Lawrenson (1980) University of Leeds, UK, použil pojem „switched reluctance motor“ v spojitosti s radiálnou vzduchovou medzerou. V USA sa používa aj pojem „variable reluctance motor“ (motor s premenlivou reluktanciou)
SRM-1838-známy princíp SRM na základe mechanických spínačov (považuje sa za najstarší točivý elektrický motor). Jeho použitie sa nerozšírilo kým nenastal rozvoj výkonovej elektroniky
1970- patentovaná elektronická komutácia založená na znalosti polohy rotora. Prof. Lawrenson (1980) University of Leeds, UK, použil pojem „switched reluctance motor“ v spojitosti s radiálnou vzduchovou medzerou. V USA aj pojem „variable reluctance motor“ (motor s premenlivou reluktanciou)

4. Polohy rotora SRM voči budenej fáze A
súosová poloha- Lmax-nevytvára sa moment
nesúosová poloha- Lmin- nevytvára sa moment
poloha s čiastočným prekrytím- moment má tendenciu vtiahnuť rotor do najbližšej súosovej polohy

5. Reluktancia- magnetický odpor Rmag
Reluktančný motor je taký elektrický motor, ktorého moment je tvorený snahou jeho pohyblivej časti zaujať súosovú polohu s osou budenej fázy vinutia, t.j. polohu, v ktorej je indukčnosť budenej fázy maximálna

6. Indukčnosť a moment vs. poloha rotora
Lmax
Lmin
indukčnosť L
rotor
stator
Motorický
moment
Generátorický x y 

7. SRM- Jednotlivé polohy rotora od súosovej po nesúosovú polohu (Rozdiel krokového motora a SRM)

8. Rozloženie magnetického poľa v súosovej, nesúosovej polohe a polohe čiastočného prekrytia

9. Indukčnosť a moment pre rôzne prúdy vs. poloha rotora

10. Konštrukcia a vlastnosti SRM:
Stator s vyjadrenými pólmi (zubmi) Ns, na ktorých je sústredené vinutie, napájané z polovodičového meniča. Je skladaný z plechov. Straty prevažne len na statore, dobrá možnosť chladenia
Rotor s vyjadrenými pólmi (zubmi) Nr, skladaný z plechov, bez vinutia, nevznikajú straty. Pracovná teplota a rýchlosť môže byť vysoká,
Celý magnetizačný prúd – len cez statorové vinutie
SRM charakterizovaný pomerom Ns / Nr, napr.: 6/4, 12/8, a pod.
Počet fáz na statore je m = 2, 3, 4, 5
Pripájanie zdroja napätia na fázu sa musí uskutočniť v správnom okamžiku vzhľadom na polohu rotora, t.j. vyžaduje snímač polohy (snímačové, bezsnímačové riadiace techniky- napr. na základe merania indukčnosti v nebudenej fáze )
Moment je pulzačný, čo vedie k zvlneniu momentu a akustickému hluku. Pri každom pripojení fázy na zdroj narastá prúd a vyvíja sa moment a pri každom odpojení od zdroja sa prúd znižuje a moment zaniká, t.j. SRM je neustále v prechodovom stave. SRM vydáva charakteristický zvuk, podobný „klopavému“ zvuku spaľovacieho motora
Moment nezávisí od polarity fázového statorového prúdu, čo zjednodušuje menič a zmenšuje počet polovodičových prvkov
SRM vyžaduje precíznu mechanickú konštrukciu, malú vzduchovú medzeru a vysokú presnosť spínacích uhlov
Kvalita sa posudzuje podľa pomeru Lmax/ Lmin

11. Pracovný cyklus (Uhol momentového impulzu )
Definície
Pracovný cyklus (Uhol momentového impulzu )
kde m je počet fáz Nr je počet rotorových zubov
Momentová oblasť uhol kde fáza vytvára nenulový moment. V pravidelných SRM je to  / Nr
Efektívna momentová oblasť uhol keď fáza vytvára užitočný moment porovnateľný s menovitým momentom. Rovná sa menšiemu z pólových oblúkov
Pomerné prekrytie ρ = m/2
Efektívne pomerné prekrytie ρE < ρ (najmenej 1, aby sa zabezpečil dobrý rozbehový moment)
Rotorový pólový rozstup 2 / Nr

12. Prípustný trojuholník
s=r ~A
s, r ~C
s=r~ D

13. Prípustný trojuholník – bod A
s=r ~A

14. Prípustný trojuholník – bod C
s, r ~C

15. Prípustný trojuholník – bod D
s=r~ D

16. Priebeh indukčností 3-fáz. SRM

17. SRM konštrukcie
Pravidelné - statorové a rotorové póly sú symetrické okolo ich osí.

18. - taký, ktorý nie je pravidelný
Nepravidelné SRM
- taký, ktorý nie je pravidelný

19. Jednofázové SRM
Jednofázový SRM má najnižšiu cenu motora a meniča (jeden tranzistor a jedna dióda a minimálny počet cievok a prepojení
Hlavná nevýhoda je, že nevytvára konštantný moment počas jednej otáčky. Hodí sa pre SRG

20. Dvojfázové SRM
Prúd musí byť spínaný v synchronizme s polohou rotora. Aby sa vytváral moment vo všetkých polohách rotora pozdĺž celých 360°, musí byť „pokrytý“ úsekmi narastajúcej indukčnosti od ostatných fáz a fázové prúdy musia byť spínané v takej následnosti, aby súhlasili s úsekmi narastajúcej indukčnosti.

21. Trojfázové SRM
Jednoduchý 3/2 SRM
Trojfázový 6/4 SRM

22. Iné typy trojfázových SRM
Trojfázový 6/8 motor použitý v Hewlett-Packard Draftmaster plotter.
Trojfázový 12/8 motor

23. Ďalšie typy trojfázových SRM
Trojfázový SRM 12/10 má svoje statorové póly spojené do párov a vinuté na dvoch protiľahlých pároch statorových pólov, takže tok cirkuluje v dvoch nezávislých slučkách
Trojfázový SRM 12/10 s dvoma zubmi na statorový pól

24. Štvorfázové SRM
Štvorfázové SRM 8/6. Toto usporiadanie je použité v dobre známom OULTON motore vyrobeným Graseby Controls, England

25. 5fázový SRM 10/8 s dvojnásobným rotorovým pólovým rozstupom
Viacfázové SRM
5fázový SRM 10/8 s dvojnásobným rotorovým pólovým rozstupom
Zvlnenie momentu 3,4 a
5-fázových motorov

26. Princíp činnosti
 =

27. Energetická bilancia
Win (vstupná energia) =Wj (Jouleove straty)+ We (vzájomná výmena energie zdroj- motor + premena na mechanickú prácu) i 1 y
Coenergy-koenergia W´ ’
-energia magnetického poľa W f
=f( )
magnetizačná krivka pre danú polohu rotora Q Q

28. vzájomná výmena energie zdroj- motor + premena na mechanickú prácu We i1 i 2 2
Q 2 1 1
Q 1

29. energia premenená na mechanickú prácu, keď sa rotor pootočil z bodu A do bodu B pri i= konšt. i1 i 2 2 x2 1 1

30. Rovnica pre okamžitú hodnotu momentu
Pre lineárnu oblasť magnetizačnej charakteristiky platí:

31. Frekvenčná regulácia rýchlosti (klasické striedavé stroje ASM, SM)

32. Momentová charakteristika M = f (n, )
Rýchlosť B (base speed) je maximálna rýchlosť, pri ktorej možno do SRM dodávať menovitý prúd pri menovitom napätí s konštantným uhlom zopnutia tranzistora 0 .Oblasť vysokej rýchlosti (2-3)B.(i)- ak je spínacia frekvencia obmedzená, prúd klesá, moment klesá, (ii)- pri malej rýchlosti, ak sú straty v železe a ventilačné malé, môžu sa zvýšiť straty vo vinutí, potom prúd môže byť väčší a moment tiež

33. Elektromagnetický moment Napäťová rovnica
Vyjadrenie spriahnutého magn. toku
Poloha rotora
Vyjadrenie prúdu
Mechanická rovnica

34. Regulačná schéma SRM
-pozri 27

35. Spínanie napätia pomocou ŠIM- unipolárne spínanie  < B
Konštantná frekvencia spínania
U – len kladné impulzy
Žiadna regulácia prúdu
Malá dynamika spínania
d = tzap / T
Unipolárne spínanie vytvára nižší akustický hluk.
Interval q -  0 sa skladá z troch režimov

36. Meničový obvod SRM Tranzistorový režim –kladné napätie
Tranzistorovo- diódový režim – nulové napätie
Diódový režim- záporné napätie

37. Bipolárne spínanie pomocou ŠIM
-obidve polarity napätia
-tá istá šírka impulzov
lepšia dynamika riadenia
neriadený prúd

38. Bipolárne spínanie s hysteréznou reguláciou prúdu ω < ωB
M=konšt, I=konšt, rôzna šírka impulzov- spínanie podľa požadovaného prúdu

39. Jednoimpulzová prevádzka- regulácia na P = konšt., ω > ωB
0 uhol zopnutia
C uhol vypnutia (komutačný uhol)
Spínacími uhlami 0 a C je možné ovplyvňovať rôzne vlastnosti motora (zvlnenie momentu, účinnosť.....)
D interval, počas ktorého je spínač zopnutý
D = (C - 0)
A uhol predstihu (začína v oblasti znižujúceho sa L),
ω>ωB
DA = (C - A), ω1A je ω1 s predstihom
t.j. pri ω1A sa dosiahne vyšší prúd
ω2> ω1,

40. Momentová charakteristika M = f (n, )
Rýchlosť B (base speed) je maximálna rýchlosť, pri ktorej možno do SRM dodávať menovitý prúd pri menovitom napätí s konštantným uhlom zopnutia tranzistora 0 .

41. Náhradná schéma a matematický model SRM

42. Náplň cvičenia Napäťová rovnica Nesúosová poloha y Súosová poloha Q Wm
max Wm

43. Optimalizácia veľkosti elektromagnetického momentu
Zmenou výšky rotorovej drážky
Zmenou šírky rotorového zuba
Zmenou vrstvenia rotorových plechov z radiálneho na axiálny
Vhodným umiestnením permanentných magnetov vo feromagnetickom obvode stroja

44. Umiestnenie PM vo vybraných častiach jarma statora2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 PM 1

45. MKP analýza statických parametrov súosová poloha
Rozloženie magnetického toku
pre prúd I=10A a vyššie hodnoty
Rozloženie magnetického toku
pre prúdy nižšie ako10A

46. MKP analýza statických parametrov nesúosová poloha
Rozloženie magnetického toku
v SRM bez PM
Rozloženie magnetického toku
V SRM s PM

47. Spriahnutý magnetický tok jednej fázy SRM
SRM s PM
SRM bez PM y
[Wb]
I[A]
Súosová poloha
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6 5 10 15 20 25 30
Nesúosová poloha
poloha rotora  o
ΨWb
Súosová poloha
Nesúosová poloha
I=2A .
I=4A
I=30A

48. Porovnanie stredného momentu SRM
Mav[Nm]
I [A]

49. Stredná hodnota elektromagnetického momentu
Mav Nm
otáčky 1/min

50. Porovnanie účinnosti vs. rýchlosť (vzduchový kompresor 350 W)
Použitie SRM
Z batérii napájané elektrické vozidlá (malé trakčné pohony)
Výskumy konštrukcie a riadenia SRM pre veľké trakčné pohony
Priemyselné aplikácie, kde sa vyžaduje zmena rýchlosti a tam, kde sa vyžadujú vysoké rýchlosti (vysávače, aplikácie v leteckom priemysle a pod.)
Porovnanie účinnosti vs. rýchlosť (vzduchový kompresor 350 W)

51. Moment na jednotku objemu rotora pre rôzne typy strojov [kNm/m3]
malé, celkom uzavreté motory
2,5 ÷ 7
priemyselné motory
7 ÷ 30
vysokovýkonové servomotory (SRM)
15 ÷ 50
motory pre letecký priemysel
30 ÷ 75
veľké, kvapalinou chladené motory
100 ÷ 250
Údaje uvedené na štítku:
3,7 kW, 3000 min-1, 540 V, 0,0039 kgm2, 38 kg.
Ďalšie získané údaje:
počet zubov na statore Ns = 12
počet zubov na rotore Nr = 8
počet fáz m =3
počet cievok zapojených do série tvoriacich jednu fázu 4
menovitý moment na hriadeli MN = 11,8 Nm
Moment na jednotku objemu rotora = 15,094 [kNm/m3]
Moment na jednotku objemu rotora s PM (NdFeB)= 28,3 [kNm/m3]

52. Bodové hodnotenie elektrických motorov z hľadiska použitia v elektrických vozidlách. Maximum je 10 bodov
DC motor IM
SMPM
SRM
Výkonová hustota 5 7 10
Účinnosť
Jednoduchosť riadenia 8
Spoľahlivosť
Vyspelosť technológie
Výhodnosť ceny 6
Celkové hodnotenie 43 51 50 46
Rýchlostný pomer nmax / nN  -
= 4
<= 2
> 6
WEI, X., JIANGUO, Z., YOUGUANG, G. and others. Survey on Electrical Machines in Electrical Vehicles. Proceedings of 2009 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices. Chengdu, China, September 25-27, 2009

53. Využitie SRM v elektromobiloch
Traction motor VUES
Power (rated) 16 kW
Voltage 84 V
Accumulators SAFT NiCd, 180 Ah
Electrodynamic brake Yes, with recuperation
Maximal speed 60 km/h
Drive range 80 km
Asynchronous motor 15/30kW 80V
Bateries LiFeYPO4 300Ah
Maximal speed 90km/h
Drive range (with regenerative braking) 160km

54. SRM pre aplikácie odolné voči poruchám (fault tolerant SRM)
Pre tento motor je typické, že sa radí medzi pohony, ktoré sa dajú prevádzkovať aj v prípade poruchy. Dôvodom je magnetická nezávislosť fáz motora a nezávislosť obvodov meniča pri riadení jednotlivých fáz a teda schopnosť ďalej produkovať elektromagnetický moment aj s menším počtom fáz.
Pri návrhu systému odolného voči poruchám je vo všeobecnosti potrebné brať do úvahy nasledovné procesy:
lokalizácia poruchy – proces vyhľadávania chybného prvku,
diagnóza poruchy – proces odhalenia príčiny vzniknutého nedostatku,
izolácia poruchy – kontrolovanie poruchy, tak aby nezapríčinila poškodzovanie ďalších častí stroja,
kompenzácia poruchy – proces riadenia neporušených častí stroja za účelom pokrytia nedostatkov spôsobených chybnou časťou

55. Poruchy na pohone so SRM
Medzi najfrekventovanejšie patria poruchy na motore a meniči.

56. Zlepšovanie vlastností pohonu so SRM odolného voči poruchám
z konštrukčného hľadiska (týka sa motora a meniča), ide hlavne o zvyšovanie počtu fáz,
z riadiaceho hľadiska (týka sa meniča), snaha je riadiť neporušené časti (fázy) tak, aby sa pokryli nedostatky spôsobené porušenými časťami (zvýšenie prúdu v neporušených fázach)

57. Riadenie SRM za účelom minimalizácie zvlnenia momentu pri normálnom chode a pri výpadku fázy - profilovanie prúdu
V prvom kroku je potrebný ‘offline’ výpočet tvarov prúdov. Cieľom algoritmu
je na základe statických charakteristík momentu určiť také tvary prúdov, aby
sa v ideálnom prípade dosiahlo nulové zvlnenie momentu
Priebehy prúdov v závislosti od polohy pre rôzne hodnoty žiadaného momentu pri normálnej prevádzke 3-fázového 12/8 SRM (DDP Ing. Peter Dúbravka)

58. Riadenie SRM za účelom minimalizácie zvlnenia momentu pri normálnom chode a pri výpadku fázy - profilovanie prúdu
Po výpadku jednej fázy je potrebné upraviť profily prúdov, ktoré sú v
prípade 3-fázového SRM pre zvyšné dve fázy rozdielne.
Priebehy prúdov v závislosti od polohy pre rôzne hodnoty žiadaného momentu pri výpadku jednej fázy 3-fázového 12/8 SRM (DDP Ing. Peter Dúbravka)

59. Riadenie SRM za účelom minimalizácie zvlnenia momentu pri normálnom chode a pri výpadku fázy - profilovanie prúdu
Bloková schéma riadenia SRM s profilovaním prúdu (DDP Ing. Peter Dúbravka)

60. Riadenie SRM za účelom minimalizácie zvlnenia momentu pri normálnom chode a pri výpadku fázy - profilovanie prúdu
a) b)
Experimentálne priebehy prúdu SRM pre n=100 min-1: a) normálny chod b) po výpadku fázy
(DDP Ing. Peter Dúbravka)
a) b)
Experimentálne priebehy momentu SRM pre n=100 min-1: a) normálny chod b) po výpadku fázy
(DDP Ing. Peter Dúbravka)

61. Riadenie SRM za účelom minimalizácie zvlnenia momentu pri normálnom chode a pri výpadku fázy - profilovanie prúdu
a) b)
Porovnanie priebehov momentov bez a po použití profilovania prúdu pre normálny chod SRM:
a) bez použitia profilovania prúdu, b) s použitím profilovania prúdu
(DDP Ing. Peter Dúbravka)
a) b)
Porovnanie priebehov momentov bez a po použití profilovania prúdu po výpadku fázy SRM:
a) bez použitia profilovania prúdu, b) s použitím profilovania prúdu
(DDP Ing. Peter Dúbravka)

62. Literatúra
Pyrhönen, J., Hrabovcová, V., Semken, R.S.:Electrical Machine Drives Control, An Introduction. John Wiley & Sons, Ltd, 2016, ISBN:
Pyrhönen, J., Jokinen, T., Hrabovcová, V.: Design of Rotating Electrical Machines, John Wiley & Sons, Ltd, second edition, 2014, ISBN:
Hrabovcová, V., Rafajdus, P.: Elektrické stroje. Teória a príklady, Žilina: EDIS, Žilinská univerzita v Žiline, 2009, ISBN , + 2. vydanie 2015, ISBN
Hrabovcová, V., Janoušek, L., Rafajdus, P., Ličko, M.: Moderné elektrické stroje, Žilina: EDIS, Žilinská univerzita v Žiline, 2001, 265 s. ISBN
Hrabovcová, V. a kol.: Meranie a modelovanie elektrických strojov. Žilina: EDIS, Žilinská univerzita, s. ISBN , 2. vydanie vydanie 2014, ISBN
Motoki Takeno, Akira Chiba, Nobukazu Hoshi, Satoshi Ogasawara, Masatsugu Takemoto, M. Azizur Rahman: Test Results and Torque Improvement of the 50-kW Switched Reluctance Motor Designed for Hybrid Electric Vehicles, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 48, NO. 4, JULY/AUGUST 2012, 1327
Rafajdus, P., Peniak, A., Diko, M., Makarovič, J., Dúbravka, P., Hrabovcová, V.: Efficiency and Losses Analysis in Switched Reluctance Motors for Electric Vehicles, Aegean Conference Electrical Machines and Power Electronics Optimization of Electrical & Electronic Equipment; International Symposium on Advanced Electromechanical Motion Systems; ACEMP-OPTIM-ELECTROMOTION 2015, Side, Turkey, 2015, 09, , AEC, str.: , ISBN: