Bezszczotkowy silnik prądu stałego i układ sterowania do napędu rogatkowego EEG-3

Zbigniew Goryca, Paweł Strączyński, Piotr Cygoń

Streszczenie: W pracy przedstawiono konstrukcję oraz wybrane wyniki badań bezszczotkowego silnika prądu stałego i układu sterowania przeznaczonego do kolejowego napędu rogatkowego EEG-3. Obliczenia obwodu magnetycznego silnika przeprowadzono w programie wykorzystującym elementy skończone – FEMM 4.2. Blachy stojana i wirnika silnika wykonano metodą cięcia laserowego. Taka technologia umożliwia umieszczenie magnesów wewnątrz wirnika, co w znaczący sposób upraszcza technologię wykonania wirnika i zapewnia pewność mocowania magnesów. Do kontroli położenia wirnika względem stojana wykorzystano trzy transoptory szczelinowe współpracujące z układem sterowania silnika. Układ sterowania wykorzystuje niskonapięciowy falownik, którego tranzystory sterowane są z mikroprocesora współpracującego z zewnętrznymi sygnałami „góra”, „dół” otwierającymi lub zamykającymi przejazd kolejowy oraz wyłącznikami krańcowymi, które wyłączają napęd po osiągnięciu krańcowego położenia: górnego lub dolnego.

1. Wstęp

W ramach krajowej sieci kolejowej zarządzanej przez PKP znajduje się około 5700 przejazdów kolejowych chronionych napędami rogatkowym i sygnalizacją świetlną. Na każdym z nich znajduje się dwa lub cztery napędy rogatkowe, poruszające drągami. W napędach umieszczone są komutatorowe silniki prądu stałego zasilane napięciem 24 V DC, gdyż w systemach przejazdowych podstawowym źródłem napięcia zasilania są 24 V DC baterie akumulatorowe buforowo doładowywane z sieci 230V poprzez odpowiednie zasilacze. Pojemność akumulatorów dobierana jest w ten sposób, aby zapewnić odpowiedni czas pracy w przypadku awarii sieci energetycznej 230 V AC. Czas zasilania z akumulatorów zależny jest od kategorii przejazdu [1]. Około 50 % napędów rogatkowych to napędy typu EEG wyposażone w silniki komutatorowe z magnesami trwałymi (silnik PRMOa90-90) o mocy 170 W. Podstawową wadą tego silnika jest konieczność okresowej wymiany szczotek i konieczność okresowego czyszczenia wnętrza silnika z pyłów powstających w wyniku ich ścieraniu. Z tego powodu podjęto prace nad opracowaniem nowego silnika i układu sterowania do obecnie produkowanego napędu rogatkowego typu EEG-3. Pierwszą wersję tego silnika prezentowano w numerze 6 czasopisma „Napędy i Sterowanie” w 2023 roku. Poniżej przedstawiona jest ulepszona wersja tego silnika. Opracowany silnik wyposażony jest w nowoczesne magnesy neodymowe i dzięki temu jego masa i wymiary są mniejsze w porównaniu z dotychczasowym silnikiem PRMOa90-90. Jedyną wadą takiego silnika jest konieczność stosowania elektronicznego układu sterowania, ale wada ta jest rekompensowana brakiem dużych prądów rozruchowych (występujących w silnikach komutatorowych) co dodatkowo zwiększa trwałość i poprawia sprawność silnika. Zaletą jest także możliwość regulacji prędkości obrotowej silnika w szerokim zakresie [4, 5] co może być przydatne przy rozpoczęciu i zakończeniu ruchu drąga zamykającego przejazd kolejowy.

2. Założenia konstrukcyjne nowego silnika

Przy projektowaniu silnika kierowano się głównie czasem zamykania i otwierania napędu, wynoszącym 10 s i wymaganym momentem mechanicznym około 1,5 N·m. Założono prędkość obrotową na poziomie 1000 obr./min., moc na dotychczasowym poziomie 170 W i napięcie zasilania 24 V DC.

Napęd rogatkowy ma specyficzny rodzaj pracy:

• zamykanie – 10 s,
• przerwa na czas przejazdu pociągu – minimum 36 s (przerwa obejmuje minimalny czas ostrzegania 30 s oraz czas zamknięcia przejazdu po przejeździe pociągu 6 s),
• otwieranie – 10 s,
• przerwa w zależności od natężenia ruchu kolejowego minimum 13 s.

Taki cykl pracy skłania do założenia wysokiej gęstości prądu w uzwojeniu silnika i skupieniu się na pewności działania, a mniejsza sprawność silnika, ze względu na wysoką gęstość prądu, może być pomijana – silnik pracuje bardzo krótko i w związku z tym zużywa mało energii. Podstawowymi wymaganiami są pewność działania, bezobsługowość i niska cena silnika. Ze względu na pracę w terenie określono zakres temperatur pracy od –40°C do +70°C. Założono wykorzystanie dotychczasowych, krańcowych czujników położenia występujących w napędzie EEG oraz nie zmieniony układ podłączenia napędu do napięcia zasilania i do sygnałów „góra”, „dół”.

3. Budowa i działanie silnika

Punktem wyjścia do obliczeń silnika [2] były: moc, prędkość obrotowa oraz napięcie zasilania silnika. Przyjęto wzbudzenie silnika magnesami neodymowymi typu N38 o kształcie prostopadłościennym gdyż magnesy takie są ponad dwukrotnie tańsze od magnesów o kształcie wycinka pierścienia naklejanych na wirnik w większości silników BLDC (ang. Brushless Direct Current – bezszczotkowy silnik prądu stałego). Sprawdzony przez jednego z autorów, w innych konstrukcjach [6], układ liczby żłobków stojana i liczby magnesów wirnika zapewnia minimalny moment zaczepowy przy prostych zębach stojana – 12 żłobków stojana i 10 magnesów na wirniku. Aby wyeliminować nasycenia obwodu magnetycznego i zminimalizować jego masę przeprowadzono obliczenia obwodu magnetycznego metodą elementów skończonych z wykorzystaniem programu FEMM 4.2. Na rysunkach 1, 2 i 3 pokazane są wybrane wyniki tych obliczeń.

Jak widać, na rys. 1, w wirniku jest 10 zagłębionych, prostopadłościennych magnesów. Takie rozwiązanie konstrukcyjne sprzyja szybkiemu i pewnemu montażowi wirnika – magnesy wsuwa się w gniazda wirnika. Przy wirniku o większej długości można zastosować dwa lub więcej magnesów, ale wówczas należy zabezpieczyć magnesy przed wypadnięciem spowodowanym odpychaniem jednoimiennych magnesów. W opracowanym silniku zastosowano dwa magnesy na długości wirnika i zabezpieczenie w postaci niemagnetycznych blach krańcowych. Przy takim umieszczeniu magnesów mamy pewność, że magnesy nie odkleją się jak może się to zdarzyć przy magnesach przyklejanych do zewnętrznej powierzchni wirnika. Średnica zewnętrzna blach stojana wynosi 90 mm, a szczelina powietrzna ma szerokość 1,0 mm. Założono zastosowanie tanich, prostopadłościennych magnesów neodymowych o symbolu N38 o wysokości 5 mm. Obliczenia wykazały niską wartość indukcji w szczelinie związaną z umieszczeniem magnesów wewnątrz wirnika. Przy takiej konstrukcji wirnika wartość indukcji w szczelinie można zwiększyć przez zwiększenie wysokości magnesów lub przez zmniejszenie wymiaru blach z bocznych ścian magnesu (w miejscach nasycania się blach). Ze względów technologicznych i ze względu na wytrzymałość mechaniczną zdecydowano się zachować ten wymiar na poziomie 1 mm. Jak widać z obliczeń, rys. 3, przy powyższych założeniach, maksymalna wartość momentu zaczepowego wynosi 40 mN·m i jest pomijalna w stosunku do momentu znamionowego silnika wynoszącego 1,5 N·m.

Do poprawnej pracy silnika BLDC niezbędna jest znajomość aktualnego położenia wirnika względem stojana [12]. Istnieją wprawdzie bezczujnikowe metody sterowania [4, 5, 13] ale dotychczas ograniczają się one najczęściej do przypadków pomp i wentylatorów, to jest napędów, w których występuje mały moment oporowy przy starcie napędu. W omawianym przypadku moment oporowy przy starcie jest większy od momentu w trakcie pracy i dlatego niezbędne jest sprzętowe określenie pozycji wirnika. Najtańszym obecnie rozwiązaniem jest zastosowanie enkodera magnetycznego, ale w tym przypadku nie jest to możliwe ze względu na konieczność zastosowania w silniku hamulca postojowego montowanego na wale silnika od strony przeciwnapędowej. Hamulec taki blokuje możliwość przestawienia drąga w przypadku, gdy nie ma, ani sygnału sterującego podnoszeniem draga (góra), ani sygnału sterującego opadaniem draga (dół). Jednocześnie przy braku zasilania hamulca, drąg samoistnie opada (pod własnym ciężarem), zamyka przejazd kolejowy, powodując bezpieczniejszy (od otwartego) stan przejazdu. Dlatego, w tym przypadku, do określenia położenia wirnika względem stojana zastosowano trzy transoptory szczelinowe przysłaniane metalową przesłoną – przesłona ma na obwodzie 5 wycięć i 5 występów co odpowiada biegunom magnesów umieszczonych w wirniku. Informacja o położeniu wirnika względem stojana przekazywana jest do układu sterowania, który dzięki tej informacji zapewnia poprawną pracę silnika. Rys. 4 pokazuje układ kontroli położenia z transoptorami a rys. 5 wykonany prototyp silnika poddany badaniom i zastosowany w testowanym napędzie rogatkowym.

Układ sterowania silnika powinien zapewniać dwukierunkową pracę odpowiadającą podnoszeniu i opuszczaniu drąga. Układ działa następująco: gdy na jednym z sygnałów „góra” lub „dół” pojawi się napięcie +24 V wówczas na wejściu „enable” falownika pojawia się sygnał logiczny zero, który uruchamia falownik i rozpoczyna się ruch silnika. Gdy napęd rogatkowy dochodzi do jednego z dwóch skrajnych położeń działają wyłączniki krańcowe, zmienia się sygnał „enable” na logiczną jedynkę i ruch silnika zostaje przerwany. Przy budowaniu układu założono, że działanie wyłącznika krańcowego odpowiada sygnałowi 0 V, zaś poza strefą działania wyłącznika sygnał ma wartość +24 V. Z uwagi na możliwość stosowania w napędzie rogatkowym wyłączników krańcowych mechanicznych, optycznych lub magnetycznych sygnały przychodzące z nich oznaczono odpowiednio „cz.góra” i „cz.dół” (rys. 6).

W układzie znajduje się zabezpieczenie logiczne unieruchamiające silnik w przypadku niewłaściwej obsługi napędu – w przypadku jednoczesnego podania sygnałów „góra” i „dół”. Uproszczony schemat sterowania silnika pokazano na rys. 6.

4. Badania silnika

Badania silnika, obejmowały wyznaczenie jego charakterystyki mechanicznej, sprawdzenie zakresu regulacji prędkości obrotowej oraz sprawdzenie funkcji falownika – zmiany kierunku wirowania silnika i zatrzymywania silnika. Badany silnik obciążony był generatorem, który zasilał układ żarówek. Układ żarówek miał 18-stopniową regulację mocy co pozwalało na obciążenie silnika pełną mocą. Moment wytwarzany przez silnik wyznaczany był przez pomiar nacisku na precyzyjną wagę i wielkość ramienia dźwigni. W tym celu badany silnik umieszczony był w łożyskach pozwalających na ruch obudowy silnika, a do tarczy kołnierzowej silnika przykręcona była zrównoważona dźwignia o ramieniu 0,3 m naciskająca na wagę. Prędkość obrotowa silnika mierzona była na podstawie liczenia impulsów pochodzących z czujnika Halla wzbudzanego magnesem umieszczonym na wale silnika.

Prędkość obrotową silnika można regulować w zakresie od 50 do 1000 obr./min. Przy odpowiednio wydajnym źródle zasilania (powyżej 12 A) możliwy jest nawrót silnika przy znamionowej prędkości obrotowej. Po włączeniu sygnału zatrzymania silnik zatrzymuje się w czasie poniżej 0,1 s.

Następnym etapem badań było umieszczenie silnika w napędzie rogatkowym i testowanie go w rzeczywistym napędzie EEG-3. W układzie zasilania silnika zastosowano superkondensatory o pojemności 36F (na napięcie 30 V) umieszczone w napędzie rogatkowym. Takie rozwiązanie pozwala na bardzo wydatne zmniejszenie prądu zasilania czerpanego z zasilacza i akumulatorów umieszczonych w szafie sterowniczej, a to pozwala na ponad dwukrotne zmniejszenie przekrojów żył kabla zasilającego (zmniejsza cenę kabla).

5. Wnioski

Opracowany silnik BLDC ma parametry zbliżone do parametrów silnika stosowanego dotychczas i dlatego można go stosować zamiennie (ma również identyczne mocowanie). Nowy silnik BLDC jest lżejszy, tańszy i trwalszy od dotychczas stosowanych silników komutatorowych, zapewnia znacznie dłuższy okres bezserwisowej pracy oraz mniejsze zużycie energii. Układ sterowania silnika zapewnia szeroki zakres regulacji prędkości obrotowej, pozwala płynnie ruszać i zatrzymywać drąg rogatki bez drgań i uderzeń, a niskie napięcie zasilania umożliwia pracę napędu w przypadku awarii sieci energetycznej i zasilanie z akumulatorów lub tylko z baterii superkondensatorów. Dodatkową zaletą tego silnika jest brak udarowego prądu rozruchowego i związanego z tym prądem nagrzewania uzwojeń silnika. Zastosowanie superkondensatorów zmniejsza wydatnie wartość prądu pobieranego z akumulatorów i przyczynia się do zmniejszenia przekroju żył kabla zasilającego co zmniejsza cenę napędu. Przedstawiony silnik może zastąpić silniki komutatorowe w produkowanych i eksploatowanych napędach rogatkowych. Silnik przeszedł badania laboratoryjne z napędem EEG-3 i obecnie jest testowany w warunkach terenowych.

Literatura

1. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.: Wymagania na systemy zabezpieczenia ruchu na przejazdach kolejowo-drogowych i przejściach Ie-119,” PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa, 2022.
2. T. Glinka: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Warszawa, Wydawnictwo WNT, 2018.
3. I. Dudzikowski and M. Ciurys: Komutatorowe i bezszczotkowe maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2011.
4. M. Deepak et al.: A Review of BLDC Motor: State of Art, Advanced Control Techniques, and Applications, IEEE Access, vol. 10, pp. 1–1, Jan. 2022.
5. L.H. Chen Wei: A Position Sensorless Control Strategy for Brushless DC Motor Based on the Back-Electromotive Force Function, Transactions of China Electrotechnical Society, vol. 34, no. 22, 2019.
6. Z. Goryca, S. Różowicz, A. Różowicz, A. Pakosz, M. Leśko, and H. Wachta: Impact of Selected Methods of Cogging Torque Reduction in Multipolar Permanent-Magnet Machines, Energies, vol. 13, Nov. 2020.
7. A. Krawczyk: Podstawy elektromagnetyzmu matematycznego. Warszawa, Instytut Naukowo-Badawczy ZTUREK, 2001.
8. E. Łada-Tondyra and A. Krawczyk: 80 lat Metody Elementów Skończonych, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 1, no. 12, Dec. 2023.
9. P. Straczynski, Z. Goryca, S. Różowicz, and M. Leśko: Wpływ złożoności modelu MES w obliczaniu wybranych parametrów elektromagnetycznych maszyny PMDC na zgodność z pomiarami na modelu fizycznym.
10. D. Mazur, M. Gołębiowski, and M. Rudy: Modelowanie i analiza układów elektromechanicznych metodą elementów skończonych. Rzeszów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, 2016.
11. M. Mach: MODELING OF PERMANENT MAGNET DIRECT-CURRENT MOTOR IN FEMM, Accessed: Jun. 14, 2024. [Online]. Available: https://www.eeict.cz/eeict_download/archiv/sborniky/EEICT_2011_sbornik/03-Doktorske%20projekty/04-Silnoprouda%20elektrotechnika%20a%20elektroenergetika/12-xmachm02.pdf
12. K. Kolano: Zastosowanie czujników fotooptycznych w torze pomiaru prędkości i położenia wirnika silnika BLDC, Przeglad Elektrotechniczny, no. 04/2014, 2014.
13. Z. Goryca and M. Ziółek: ”Metody bezczujnikowego sterowania silników BLDC, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 89, no. 2b, 2013.

dr hab. inż. Zbigniew Goryca, e-mail: zgoryca@tu.kielce.pl, Politechnika Świętokrzyska (emeryt)
dr inż. Paweł Strączyński, e-mail: pstraczynski@tu.kielce.pl, Politechnika Świętokrzyska
mgr inż. Piotr Cygoń, piotr.cygon@alstomgroup.com, ALSTOM