Kahden vapausasteen aktiivimagneettilaakerin testilaitteiston kuvaus
Lopperi, Miisa (2021)
Kandidaatintyö
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021100850482
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021100850482
Tiivistelmä
Kandidaatintyön päätavoitteena on tehdä dokumentointi LUT-yliopiston tutkimuskäytössä
olevalle testilaitteistolle, johon kuuluu kahden vapausasteen aktiivinen magneettilaakeri. Lisäksi työssä selvitetään aktiivisen magneettilaakerin ja sen säätölaitteiston osien toiminta yleisellä tasolla aiheeseen liittyvän kirjallisuuden pohjalta.
Aktiivimagneettilaakereissa kappaletta, esimerkiksi roottoria, leijutetaan aktiivisesti säädettyjen sähkömagneettien avulla. Roottori ja laakeri eivät kosketa toisiaan, minkä vuoksi laakerit ovat pitkäikäisiä ja tarvitsevat vähemmän huoltotoimenpiteitä mekaanisiin laakereihin verrattuna. Dokumentoitavalla laitteistolla voidaan tutkia magneettista leijutusta sähkömekaanisen systeemin avulla, jossa roottori on tuettu akselin suunnasta mekaanisesti ja radiaalisuunnassa aktiivimagneettilaakerilla. Sähkömekaanisen systeemin lisäksi testilaitteistoon kuuluu sähkömagneettien säätöön tarvittavat laitteet: paikka-anturit, AD-muuntimet, tiedonsiirtoväylä, teollisuus-PC ja tehovahvistimet. Magneettilaakerissa on mukana lisäkäämitykset, joiden jännitettä mittaamalla voidaan estimoida magneettivuon suuruutta.
Testilaitteisto koostuu pääosin kaupallisesti saatavilla olevista laitteista, jolloin suunnitteluun kuluva aika ja kustannukset ovat pienemmät. Laitteiston säätö voidaan tehdä simulointiohjelmassa lohkokaavioina ja ladata säädön toteuttavalle teollisuus-PC:lle. Tehovahvistukseen käytetään taajuusmuuttajia. Niiden ohjausta on muokattu sellaiseksi, että yhdellä taajuusmuuttajalla voidaan antaa virtaa yhdelle sähkömagneettiparille. In this Bachelor’s thesis documentation is made for the radial two degrees of freedom active magnetic bearing test equipment which is used for research at LUT university. The literature part covers functionality of active magnetic bearings and their control equipment based on the relevant literature.
Active magnetic bearing supported rotor is levitated with actively controlled electric magnets. The rotor and the bearing aren’t touching each other when the bearing is operated. The bearings have long life and they need less maintenance compared to mechanical bearings. The testing equipment has a small-scale model where a rotor is supported axially with a ball bearing and radially with an active magnetic bearing. The testing equipment also includes the devices which are needed to control the electric magnets of the bearing: displacement sensors, analog-to-digital converters, communication bus, industrial PC and power amplifiers. The active magnetic bearing has search coils which can be used to estimate magnetic flux.
The testing equipment consists mainly of commercially available devices. This makes designing the device cost less and it takes less time. The controlling scheme can be created as a block diagram in a simulation program and downloaded to the industrial PC. The industrial PC executes the control program. Variable frequency drives are used as power amplifiers. Their control is modified in a way that one drive can supply current to one pair of electromagnets.
olevalle testilaitteistolle, johon kuuluu kahden vapausasteen aktiivinen magneettilaakeri. Lisäksi työssä selvitetään aktiivisen magneettilaakerin ja sen säätölaitteiston osien toiminta yleisellä tasolla aiheeseen liittyvän kirjallisuuden pohjalta.
Aktiivimagneettilaakereissa kappaletta, esimerkiksi roottoria, leijutetaan aktiivisesti säädettyjen sähkömagneettien avulla. Roottori ja laakeri eivät kosketa toisiaan, minkä vuoksi laakerit ovat pitkäikäisiä ja tarvitsevat vähemmän huoltotoimenpiteitä mekaanisiin laakereihin verrattuna. Dokumentoitavalla laitteistolla voidaan tutkia magneettista leijutusta sähkömekaanisen systeemin avulla, jossa roottori on tuettu akselin suunnasta mekaanisesti ja radiaalisuunnassa aktiivimagneettilaakerilla. Sähkömekaanisen systeemin lisäksi testilaitteistoon kuuluu sähkömagneettien säätöön tarvittavat laitteet: paikka-anturit, AD-muuntimet, tiedonsiirtoväylä, teollisuus-PC ja tehovahvistimet. Magneettilaakerissa on mukana lisäkäämitykset, joiden jännitettä mittaamalla voidaan estimoida magneettivuon suuruutta.
Testilaitteisto koostuu pääosin kaupallisesti saatavilla olevista laitteista, jolloin suunnitteluun kuluva aika ja kustannukset ovat pienemmät. Laitteiston säätö voidaan tehdä simulointiohjelmassa lohkokaavioina ja ladata säädön toteuttavalle teollisuus-PC:lle. Tehovahvistukseen käytetään taajuusmuuttajia. Niiden ohjausta on muokattu sellaiseksi, että yhdellä taajuusmuuttajalla voidaan antaa virtaa yhdelle sähkömagneettiparille.
Active magnetic bearing supported rotor is levitated with actively controlled electric magnets. The rotor and the bearing aren’t touching each other when the bearing is operated. The bearings have long life and they need less maintenance compared to mechanical bearings. The testing equipment has a small-scale model where a rotor is supported axially with a ball bearing and radially with an active magnetic bearing. The testing equipment also includes the devices which are needed to control the electric magnets of the bearing: displacement sensors, analog-to-digital converters, communication bus, industrial PC and power amplifiers. The active magnetic bearing has search coils which can be used to estimate magnetic flux.
The testing equipment consists mainly of commercially available devices. This makes designing the device cost less and it takes less time. The controlling scheme can be created as a block diagram in a simulation program and downloaded to the industrial PC. The industrial PC executes the control program. Variable frequency drives are used as power amplifiers. Their control is modified in a way that one drive can supply current to one pair of electromagnets.