Sturing van een borstelloze PM generator - lib.ugent.be · Brecht Van Colen Sturing van een...

Brecht Van Colen

Sturing van een borstelloze PM generator

Academiejaar 2007-2008Faculteit IngenieurswetenschappenVoorzitter: prof. dr. ir. Jan MelkebeekVakgroep Elektrische energie, systemen en automatisering

Burgerlijk werktuigkundig-elektrotechnisch ingenieurScriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van

Begeleiders: Thomas Vyncke, Steven ThielemansPromotor: prof. dr. ir. Alex Van den Bossche

Voorwoord

Aan het einde van mijn scriptie, kijk ik tevreden terug op de behaalde resultaten. Bij het begin

van het jaar leek het behandelde project een moeilijke opgave, maar gaandeweg heb ik die berg

overwonnen. Het begon bij het helpen uitdenken van de schakeling. Daarna werd een prototype

gebouwd dat, na een intensieve periode van debuggen en aanpassen, operationeel werd.

Het belangrijkste resultaat van deze scriptie is voor mij echter de verworven kennis, zowel theo-

retisch in het ontwerpen van analoge circuits, als praktisch. Daarom wil ik van deze gelegenheid

gebruik maken om enkele mensen te bedanken voor hun steun en goede raad tijdens deze periode.

Als eerste zou ik mijn promotor, Professor Van den Bossche willen bedanken voor zijn onver-

moeibare inzet, zijn goede raad en de motivatie die hij mij gaf tijdens de moeilijkere periodes.

Ook wens ik de vakgroepvoorzitter, Professor Melkebeek, te bedanken voor het ter beschikking

stellen van de middelen en de infrastructuur die nodig waren bij het realiseren van deze scriptie.

Verder verdient dhr. A. Marinov een speciaal dankwoord voor de vele uren van hulp tijdens het

solderen, het debuggen en het testen van de schakeling in het labo. Zonder zijn praktische kennis

zou dit eindwerk niet zo’n goede resultaten behaald hebben. Ook de assistenten, T. Vyncke en

S. Thielemans verdienen een dankwoord voor de praktische raad die ik van hen ontvangen heb.

Als laatste wil ik mijn familie en vrienden bedanken voor de steun tijdens het hele jaar en het

nalezen en verbeteren van deze tekst.

Brecht Van Colen, augustus 2008

Toelating tot bruikleen

“De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van

de scriptie te kopiren voor persoonlijk gebruik.

Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrek-

king tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit

deze scriptie.”

Brecht Van Colen, augustus 2008

Sturing van een borstelloze PM generator.door

Brecht Van Colen

Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad vanBurgerlijk werktuigkundig-elektrotechnisch ingenieur

Academiejaar 2007–2008

Promotor: prof. dr. ir. A. Van den BosscheBegeleiders: T. Vyncke, S. Thielemans

Faculteit IngenieurswetenschappenUniversiteit Gent

Vakgroep Elektrische energie, systemen en automatiseringVoorzitter: Prof. Dr. Ir. Jan Melkebeek

Samenvatting

Deze scriptie behandelt het ontwerp van een sensorloze, gecombineerde motoren generatorstu-ring op een borstelloze permanente-magneet machine voor het gebruik in een micro warmte-kracht koppelingsinstallatie. In hoofdstuk 2 wordt het principe van de warmte-kracht koppelingtoegelicht. Hoofdstuk 3 behandelt de borstelloze machine en enkele basisstuurprincipes die hetmogelijk maken om sensorloos te werken. In hoofdstuk 4 wordt stap voor stap een circuit ont-worpen die, op basis van een bestaande motorcontroller, het doel van deze scriptie realiseert.Proefondervindelijke resultaten van de gebruikte opstelling worden vervolgens in hoofdstuk 5 op-genomen. In hoofdstuk 6 worden kort enkele mogelijke uitbreidingen op het systeem aangehaald.Hoofdstuk 7 besluit de scriptie.

Trefwoorden

micro-WKK, BLDC, sensorloos, tegen EMK, droge biomassa

Sensorless control of a brushless DCgenerator for use in a micro combined heat

& power application

Brecht Van Colen

Supervisor(s): Prof. Dr. Ir. A. Van de Bossche, Ir. T. Vyncke, Ir. S. Thielemans

Abstract- This paper presents the design of a sen-sorless control for a brushless DC (BLDC) gen-erator. The controller is based on an existingIC, which is adapted to meet the requirements.Firstly, the BLDC motor is presented. Then,the specifications and testresults for both motorand generator mode are discussed.Keywords- sensorless, brushless DC, combinedheat and power

I. INTRODUCTION

The price of fossil fuels has risen dramatically overthe past few years. Therefore, fuel economy andsustainable energy have become more important.A combined heat & power (CHP) system based onthe Organic Rankine Cycle (ORC), similar to thesteam cycle in an power plant, can improve the ef-ficiency of a household central heating system. Inthis micro CHP system, the turbine is replaced bya rotary expander. This system can be fuelled by asustainable energy source such as pellets.

In such a system, a high efficiency generator andconverter is paramount. To provide the necessarytorque at start-up, the generator also has to be ableto run as a motor. Hence, a combined motor andgenerator controller is constructed.

II. BRUSHLESS DC MACHINE

A brushless DC machine is a self-synchronous ma-chine with a permanent magnet rotor that uses elec-tronic commutation. This type of motor is knownfor it’s high torque/weight ratio and it’s high effi-ciency in low power applications. Another advan-tage of this type of motor is the high efficiency ingenerator mode at partial load, as opposed to aninduction machine. The motor is fed with a DCsource, connected to an inverter. The controllergenerates the commutation signals for the inverterbased on the back EMF (ElectroMotive Force) that

is generated by the spinning motor. The inverteris built using 3 modular power boards, 1 for eachphase, called Leg Boards. These boards power thephases of the motor, based on the commutation sig-nals that are generated by the controller.

III. MOTOR MODE

For use in a CHP application, sensorless control ofthe BLDC is preferred. This decreases the numberof wires to the motor and eliminates the need to de-sign a specialised sensor, resistant to the harsh en-vironment of the ORC. The ML4425 from FairchildSemiconductor is a dedicated IC that incorporatessensorless control of a BLDC based a phase-lockedloop system that locks on to the back EMF. An ex-tra advantage is that this introduces phase lead athigher speeds, which is advantageous for the com-mutation.

To measure this back EMF, a circuit, based on op-erational amplifiers, was designed to allow the IC tomeasure the voltage directly at the terminals of themotor. Figure 1 shows the waveform in one phaseof the BLDC in motor mode.

Figure 1: Waveform in one phase during motormode

IV. GENERATOR MODE

The main purpose of the BLDC is to generate elec-tricity at a fixed DC voltage, independently of itsspeed. To achieve this goal, a boost principle withcurrent regulation was used. When the current inall phases is below the setpoint, motor terminalsare shortcircuited. This leads to a fast increase inthe current in the BLDC. When the current exceedsthe setpoint, all drivers of the transistors are turnedoff for a fixed time delay (0.1 ms). The converterthen acts as an uncontrolled rectifying bridge. Inthis mode, electricity is produced by the generatorat the fixed bus voltage, regardless of its speed.

The setpoint of maximum current defines the torquethat the generator imposes on the expander of theCHP installation. This, in turn, leads to a fixedpressure difference across the expander, as desiredby the ORC. The maximum current is measuredas the maximum of the moduli of the current inthe three phases. A circuit was designed to achievethis using current transducers in two phases of theBLDC. Figure 3 illustrates the current waveformin one phase of the BLDC during generation modeand the setpoint for the maximum current. Figure2 shows the generated power as a function of thegenerator speed and the current setpoint.

Figure 2: Generated power as a funtion of gen-erator speed and current setpoint

Note that the generated power is higher when thecurrent limit rises. There is however a risk of de-magnetising the permanent magnets in the BLDCmachine when the current gets too high. Hence,the current setpoint is a trade-off between gener-ated power and the motor’s operating lifetime.

Figure 3: Current waveform and setpoint dur-ing generator

V. SWITCH FROM MOTOR TO GENERATORMODE

In the CHP installation, the expander, BLDC andfluid pump will be mounted on the same shaft. Inorder to start this system, it will be necessary forthe BLDC to start in motor mode as the expanderhas low torque at low speeds. When the speed of theexpander is adequately high, the BLDC is switchedto generator mode. Figure 4 shows experimentalresults of this switch.

Figure 4: Current waveform when switchingfrom motor to generator mode

VI. CONCLUSIONS

A combined motor and generator controller was re-alised. Experimental results show that the BLDCmotor is controlled sensorless and that electricity isbeing generated at a fixed voltage, regardless of thespeed of the generator. Finally, it was shown thatthe switch from motor to generator mode poses noproblems for the controller.

Inhoudsopgave

Gebruikte afkortingen iii

1 Inleiding 1

1.1 Situering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Doel van de scriptie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Warmte-kracht koppeling 4

2.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2 Organische Rankine Cyclus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 Het micro-WKK systeem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3 De borstelloze permanent-magneet motor (BLDC) 10

3.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2 Voor- en nadelen van de BLDC motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3 Basisstuurprincipes van de BLDC motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.3.1 Positieschatting op basis van Hall sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3.2 Sensorloze positieschatting op basis van tegen EMK . . . . . . . . . . . . 18

4 Schakeling en PCB ontwerp van de controller 22

4.1 Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.2 Stroomregeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2.1 BLDC in motorwerking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2.2 BLDC in generatorwerking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.3 Spanningsmeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.4 Aansturing van de drivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.5 PCB ontwerp en implementatie in ORCAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

i

Inhoudsopgave ii

4.5.1 Capture CIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.5.2 Layout Plus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.5.3 Aandachtspunten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.5.4 Ontwerpprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.6 Koeling van de transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.7 Overzicht van de volledige convertor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.8 Overzicht van de volledige schakeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5 Testresultaten 42

5.1 Variabele blokgolfgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.2 Testen van de PLL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.3 Testen van de stroommeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.4 BLDC als motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.5 BLDC als generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.6 Overschakeling tussen motoren generatorwerking . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6 Verdere ontwikkelingen 56

7 Besluit 57

A Stirling Principe 58

B Het fasevergrendelingsprincipe (Phase-Locked Loop) 61

C Enkele foto’s van de opstelling 66

Bibliografie 71

Gebruikte afkortingen

WKK Warmte-Kracht Koppeling

ORC Organische Rankine Cyclus

BLDC BrushLess DC (Borstelloze permanent magneet motor)

PM Permanente Magneet

EMK ElektroMotorische Kracht

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

PWM Pulse Width Modulation (Pulsbreedtmodulatie)

ZCP Zero Crossing Point (Nuldoorgang)

PLL Phase-Locked Loop (Fasevergrendeling)

PCB Printed Circuit Board (gedrukte schakeling)

IC Integrated Circuit (geıntegreerde schakeling)

iii

Hoofdstuk 1

Inleiding

1.1 Situering

De energievraag in de wereld blijf jaar na jaar stijgen. Het is algemeen geweten dat de reserves

aan fossiele brandstoffen jaar na jaar slinken en uiteindelijk volledig uitgeput zullen worden

door de mens indien de huidige trend zich verderzet. De zoektocht naar nieuwe, alternatieve

energiebronnen en een manier om de energiebehoefte te milderen blijft voortduren.

De prijs van de fossiele brandstoffen, met in het bijzonder olie, is de laatste jaren sterk gestegen.

Dit is onder andere te wijten aan het feit dat de bekende oliereserves niet alleen schaarser

worden, maar ook de kosten om deze te ontginnen stijgen. Een andere belangrijke factor is dat

de productie van ruwe olie op wereldschaal sinds 2006 in dalende lijn gaat [1]. De daling in

productie zal enkele procenten per jaar bedragen tot de productie rond het jaar 2030 tot op

de helft van de productie in 2006 terug gezakt is. Hierdoor zal een enorm tekort ontstaan in

het aanbod van energie die moeilijk in te vullen zal zijn door andere fossiele brandstoffen, zoals

bitumen of kolen. Om de vraag te milderen zal er zich een prijsstijging, die tot enkele tientallen

procenten per jaar kan bedragen, opdringen.

Een ander belangrijk nadeel bij het van fossiele brandstoffen, is de impact die ze hebben op het

milieu. Bij het verbranden van deze brandstoffen komt namelijk een aanzienlijke hoeveelheid

CO2 (een belangrijke oorzaak van het broeikaseffect) vrij. Er komen ook schadelijke gassen,

zoals SO2, een belangrijke oorzaak van zure regen, en dioxines vrij. De uitstoot van deze gassen

kan echter verminderd worden door de brandstof voldoende te zuiveren.

Een interessant alternatief voor de verwarming van residentiele gebieden, in plaats van aardgas

1

Hoofdstuk 1. Inleiding 2

en stookolie, is de droge biomassa. Een bijzonder voorbeeld hiervan zijn de houtpellets. Pellets

worden gemaakt van geperste blokjes hout, vaak gemaakt van zaagmeel afkomstig van zagerijen.

Hierdoor zijn pellets een hernieuwbare energiebron. Er worden geen lijmen of andere bindmid-

delen gebruikt voor het produceren van deze pellets, waardoor de uitstoot van schadelijke gassen

tot een minimum herleid wordt. De energie-inhoud van deze pellets bedraag ongeveer 18 MJ/kg,

wat ongeveer de helft is van de energie-inhoud van 1 l stookolie of 1 Nm3 aardgas [2].

Het verwarmen op basis van deze pellets heeft een groot aantal voordelen, zowel economisch

als op het vlak van hernieuwbare energie. Het verbranden van deze pellets is “CO2 neutraal”.

Dit wil zeggen dat de CO2 die vrijkomt bij het verbranden, identiek is als deze die vrijkomt bij

het composteren van het hout. Het enige afvalproduct, afkomstig van het verbranden, is de as,

die verder als meststof gebruikt kan worden. Vaak worden de pellets ook in lokale frabrieken

gemaakt, wat de transportkosten ervan verminderd. Ook is de uitstoot aan SO2 en dioxines

lager daar het hout van nature arm is aan zwavel en chloor.

Ook de kostprijs van deze pellets is gunstig: ongeveer 0.20 euro/kg tegenover de prijs van de

stookolie, die 0.81 euro/l bedraagt. Hierdoor kan men, bij het verwarmen op pellets, een aan-

zienlijke besparing doen op brandstofkosten. Er moet echter ook rekening gehouden worden met

de kostprijs van de installatie, die duurder is voor een pelletkachel.

Een bijzondere manier om het rendement te verhogen, is het gebruiken van een warmte-kracht

koppeling [4]. Hierbij wordt de verbrandingswarmte gebruikt om elektriciteit op te wekken.

De restwarmte wordt vervolgens gebruikt voor het verwarmen van het huis. Het is in feite

een vervanging van de normale centrale verwarmingsketel (CV ketel). Het rendement van zulke

installaties kan 90 tot 95 % bedragen. De elektriciteit wordt vooral geproduceerd wanneer er een

hoge vraag naar elektriciteit is (’s ochtends en ’s avonds), wanneer het zogenaamde “dagtarief”

geld. Hierdoor verlaagt de elektriciteitsrekening niet alleen [5]. Het verlaagt ook het gevraagde

vermogen van de elektriciteitscentrales die deze piekbelasting opvangen. Aangezien deze vaak

gestookt worden op fossiele brandstoffen, zoals kolen, vermindert de impact op het milieu. Dit

dient echter genuanceerd te worden, omdat er pas een voelbaar resultaat is wanneer een groot

aantal WKK installaties actief zijn.

Er zijn al enkele fabrikanten die een micro-WKK installatie aanbieden op de Europese markt

[5]. Deze installaties werken echter nog op fossiele brandstoffen en op basis van een Stirling

motor. Een bijkomend nadeel is dat de investeringskosten van deze producten zeer hoog kunnen

Hoofdstuk 1. Inleiding 3

oplopen. Een typische CV ketel met de micro-WKK installatie kost snel 24 000 euro.

De Universiteit Gent is daarom met de ontwikkeling van een micro-WKK installatie gestart.

Deze installatie maakt gebruik van een Organische Rankine Cyclus, een cyclus gelijkaardig aan

de stoomcyclus in elektriciteitscentrales. Het voordeel hiervan is dat de complexiteit en de

afmetingen van de installatie kleiner zijn, waardoor de kosten gedrukt kunnen worden. Ook zal

de installatie gebruik maken van droge biomassa, meerbepaald houtpellets voor de verwarming.

Zo wordt gewerkt met een duurzame en economische verantwoorde energiebron.

1.2 Doel van de scriptie

Het doel van de scriptie situeert zich in het ontwikkelen van een deelaspect van deze micro-

WKK installatie, namelijk de generator en zijn sturing. Enerzijds moet het mogelijk zijn om

de generator als motor te laten werken, indien het startkoppel te laag is. Anderzijds zal de

generator de mechanische energie, komende van de uitgaande as van de expander, omzetten in

elektrische energie. Deze elektrische energie wordt dan verder via een convertor geınjecteerd op

het net. Deze convertor is het onderwerp van het doctoraatsonderzoek van dhr. A. Marinov.

In deze scriptie wordt een gecombineerde motoren generatorsturing opgebouwd. Dit omvat

het opbouwen van deelcircuits voor het meten van de spanning en de stroom in de fasen, het

aansturen van de drivers met behulp van galvanische scheiding en de controller klaarmaken voor

sturing door een superviserende regeling van de micro-WKK installatie.

Hoofdstuk 2

Warmte-kracht koppeling

2.1 Inleiding

In een traditionele elektriciteitscentrale die gebaseerd is op een stoomcyclus wordt slechts 40 tot

45 procent van de energie van de brandstof in nuttige elektriciteit omgezet. Het grootste deel

van de overige energie is nutteloze restwarmte die via het koelwater afgevoerd wordt. In een

centrale die gebruik maakt van warmte-kracht koppeling (WKK), ook wel co-generatie genoemd,

is deze warmte echter niet verloren. Die wordt namelijk gebruikt voor het verwarmen van

o.a. ziekenhuizen, fabriekspanden, flatgebouwen, enz. Hierdoor stijgt het rendement van deze

centrales aanzienlijk. Dit wordt schematisch weergegeven in Figuur 2.1 [6, 7]. De verliezen in het

geval met WKK is vooral te wijten aan het schoorsteenverlies en de verliezen naar de omgeving.

Figuur 2.1: Energiestroom van een normale elektriciteitscentrale (a) en een elektriciteitscentrale

met WKK (b)

Het is ook mogelijk om deze techniek toe te passen op residentiele schaal. Hier is echter de

4

Hoofdstuk 2. Warmte-kracht koppeling 5

warmteproductie het hoofddoel, het genereren van mechanische energie (die later omgezet wordt

naar elektriciteit) is van ondergeschikt belang. Via co-generatie wordt een hoger rendement

bereikt dan dat van een normale centrale verwarmingsketel. Een typisch huishouden heeft 30-

50 kW aan thermische energie nodig. De geproduceerde elektriciteit, aangezien dit maar een

ondergeschikt belang heeft, bedraagt bij de beoogde micro-WKK installatie zo’n 3-5 kW.

Deze elektriciteit kan op verschillende manieren opgewekt worden. Er bestaan al enkele systemen

in de handel die co-generatie toepassen [8]. Deze alternatieven zijn voornamelijk gebaseerd op

het Stirling principe (zie ook Appendix A). Hier wordt de mechanische energie opgewekt door

een Stirling motor. Deze mechanische energie wordt dan verder naar elektrische energie omgezet

door een generator. Via een convertor (die zorgt dat de geproduceerde elektriciteit compatibel

is met het net) wordt de elektrische energie aan het net afgegeven.

Een belangrijk nadeel aan de Stirling motor is zijn grootte. Aangezien de beoogde micro-WKK

installatie bedoeld wordt als een alternatief voor de normale centrale verwarmingsketel dient

de extra ruimte, ingenomen door de WKK eenheid zo klein mogelijk te zijn. Zo kan de CV

ketel met WKK installatie vlot in bestaande branderruimtes geplaatst worden. Dit verhoogt de

toegankelijkheid van het systeem voor de consumenten.

2.2 Organische Rankine Cyclus

Vanwege deze redenen werd in dit eindwerk gekozen om de Organische Rankine Cyclus (ORC)

te gebruiken [9]. Dit is een aangepaste versie van de Rankine cyclus (stoomcyclus) die gebruikt

wordt in traditionele elektriciteitscentrales [10]. In een ORC installatie kunnen ook andere fluıda

gebruikt worden, zoals butaan, pentaan, enz. Een typische installatie is schematisch weergegeven

in Figuur 2.2. Een bijkomend voordeel is dat de afmetingen klein gehouden kunnen worden.

Alle apparaten voor de volledige cyclus zijn niet veel groter dan die van een typische industriele

koelinstallatie van vergelijkbaar vermogen.


Figuur 2.2: Schematische voorstelling van de hoofddelen gebruikt bij een Rankine cyclus

De 4 hoofddelen zijn:

fluıdumpomp: deze pomp zorgt dat het fluıdum van de uitgang van de condensor naar

de verdamper stroomt.

verdamper: hier wordt de warmte, die ontwikkeld werd door de brandstof te verbranden,

aan het fluıdum toegevoerd. Hierdoor verdampt het fluıdum en stijgt de druk.

expander: de druk aan de ingang van de condensor is lager dan de druk aan de uitgang van

de verdamper. De expander zet deze drukval om in mechanische energie. In traditionele

elektriciteitscentrales is de expander een stoomturbine.

condensor: hier koelt het fluıdum terug af en condenseert. De warmte die hier onttrokken

wordt, wordt in WKK installaties gebruikt voor verwarmingsdoeleinden.

Het fluıdum doorloopt deze 4 delen in een cyclus waarbij ingangswarmte omgezet wordt in me-

chanische energie en restwarmte. Het fluıdum doorloopt 4 verschillende toestanden die kunnen

weergegeven worden in een temperatuur-entropie diagramma zoals weergegeven in Figuur 2.3.

Uit dit diagramma kan het rendement van de cyclus geschat worden [10].


Figuur 2.3: Temperatuur-entropie diagramma voor de Rankine cyclus

De basisvergelijkingen om de arbeid te schatten zijn gegeven door:

Qin

m= h3 − h2

Wexpander

m= h2 − h1

Qout

m= h4 − h1

Wpomp

m= h3 − h4

Het theoretisch rendement van een Rankine cyclus zonder co-generatie is dan:

ηtherm =Wexpander − Wpomp

Qin

≈Wexpander

Qin

Wanneer echter cogeneratie toegepast wordt, is ook een belangrijk deel van Qout een nuttige

bron van energie. Hierdoor stijgt het rendement tot:

ηtherm ≈Wexpander + Qout

Qin

In het T-S diagramma is de oppervlakte omsloten door de cyclus een maat voor de verrichte

arbeid. Hieruit blijkt ook duidelijk dat het rendement van de cyclus stijgt bij hogere temperatuur

bij ingang van de expander of wanneer er een hogere druk bereikt wordt voor de expander. De

temperatuur wordt begrensd door de eigenschappen van het gebruikte fluıdum. De druk wordt

echter beperkt door de haalbare drukverhouding tussen de in- en uitlaat van de expander. Deze

drukverhouding kan vergroot worden door een tweetrapsexpander te gebruiken.


2.3 Het micro-WKK systeem

De micro-WKK installatie is schematisch te zien in Figuur 2.4 [2]. Door gebruik te maken

van een goedkope en hernieuwbare energiebron is de micro-WKK installatie zowel economisch

als ecologisch verantwoord [5]. De gebruikte brandstof kan o.a. houtpellets zijn. Dit is een

afvalproduct van de houtverwerkende nijverheid die heden ook gebruikt wordt in grote elektri-

citeitscentrales. De specifieke kost is, in vergelijking met kolen en aardgas, aanzienlijk lager en

ook de emissie van CO2 en andere schadelijke gassen is kleiner.

Figuur 2.4: Schematische voorstelling van de WKK installatie

Hierin zijn:

HE: Warmtewisselaar (Heat exchanger)

OCT: Olie opvangsbuis (Oil Collecting Tube)

OP: Oliepomp (Oil Pump)

FP: Fluıdum pomp (Fluid Pump)

Er werd gekozen voor een schottenexpander in het systeem. Deze heeft echter als nadeel dat het

koppel bij laag toerental bijna onbestaand is omdat de schoepen dan niet tot aan de statorwand

reiken. Hierdoor zal bij het opstarten van het systeem de generator als motor dienen te werken

tot de snelheid hoog genoeg is. Dit maakt het mogelijk om ook de fluıdumpomp en eventueel

de oliepomp op dezelfde as te monteren [9]. Hierdoor kunnen de expander, pompen en de


generator in een gasdicht omhulsel, een zogenaamde hermetiek, te plaatsen, waar geen uitgaande

as aanwezig is. Een bijkomend voordeel is dan dat er geen gasdichte dichting nodig is op een

roterende as, wat vaak een dure en onderhoudsintensieve oplossing is. In de residentiele sector is

de levensduur en het beperken van het onderhoud van de installatie immers een zeer belangrijke

factor. De enige noodzakelijke dichtingen zijn te plaatsen rond de elektrische kabels en de

fluıdumbuizen.

Tijdens de werking van de installatie is de productie van elektriciteit afhankelijk van de vraag

naar warmte. Dit heeft als gevolg dat de expander een variabel toerental heeft en dat de

installatie het grootste deel van de tijd in deellast werkt. Om het rendement van de productie

van elektriciteit zo hoog mogelijk te maken, werd gekozen voor een borstelloze permanente

magneet machine om dienst te doen als generator. Dit type motor heeft een hoger rendement

dan inductiemachines bij vermogens rond de 3-5 kW. Een inductiemachine heeft als bijkomend

nadeel dat het rendement in generatorwerking bij lager toerental sterk daalt.

Hoofdstuk 3

De borstelloze permanent-magneet

motor (BLDC)

3.1 Inleiding

Een borstelloze PM motor, vaak BLDC afgekort (BrushLess DC), is een roterende, synchrone

machine. Zoals de afkorting doet vermoeden, is deze machine gevoed uit een gelijkstroombron.

Een typisch voorbeeld van de constructie van een BLDC motor is te zien in Figuur 3.1. De

stator bestaat uit een driefasige wikkeling verdeeld over drie tandenparen. De rotor bestaat uit

een permanente magneet met een of meerdere poolparen [11, 12].

Tijdens de werking vloeit er stroom in twee fasen, in een fase positief, in de andere negatief.

Doordat er stroom door de windingen van de desbetreffende fasen vloeit, wordt er een magnetisch

veld gecreeerd. Hierdoor wordt een koppel ontwikkeld dat maximaal is als de gleuf onder de

magneet beweegt, en nul als de magneet en statortand gealligneerd zijn. Om een continu koppel

te bereiken wordt die fase ingeschakeld die een maximaal koppel oplevert. Dit principe komt

ook overeen met het injecteren van stroom waar de EMK (Elektro Motorische Kracht, zie ook

paragraaf 3.3.2) maximaal is.

10

Hoofdstuk 3. De borstelloze permanent-magneet motor (BLDC) 11

Figuur 3.1: Schematische opbouw van een typische BLCD motor

De werking is dus duidelijk analoog aan de gelijkstroommachine waarbij de commutatie gebeurt

door middel van koolstofborstels. Door deze koolstofborstels wordt er automatisch gezorgd dat

de stroom in de rotor zich altijd in dezelfde zin onder een magneetpool bevindt en er zo altijd een

koppel op de rotor blijft uitgeoefend worden. De basisvergelijkingen die de motor beschrijven

en de snelheid-koppelkarakteristiek van de gelijkstroommachine en de BLDC zijn dan ook bijna

identiek [13].

3.2 Voor- en nadelen van de BLDC motor

De BLDC motor heeft een aantal inherente voordelen ten opzichte van andere frequent gebruikte

types motoren zoals de gelijkstroommachine en de inductiemachine [14, 15, 16]:

Lagere onderhoudskosten en hogere slijtvastheid: door het ontbreken van de com-

mutator of een sleepring moet de BLDC motor veel minder frequent nagekeken worden.

De levensduur van de machine is slechts bepaald door de isolatie van de windingen, de

lagers en de levensduur van de permanente magneet. De magneten demagnetiseren vrijwel

niet als ze niet corroderen of boven hun werkingstemperatuur of coercitief veld gebruikt

worden


Minder lawaai: Dit is terug een gevolg van het gebrek aan mechanische borstels of een

sleepring. Een deel van het mechanisch lawaai is te wijten aan de lagering, de last en de

koppeling tussen de last en de machine. Als de PWM (Pulse Width Modulation) frequentie

hoog gekozen wordt (> 20kHz), is het geluid vanwege het elektronisch schakelen ultrasoon

zodat het schakelen zelf onhoorbaar is. De commutatie tussen de verschillende fasen blijft

echter nog een bron van geluid.

Hoge efficientie: De BLDC motor heeft samen met de permanent magneet wisselstroom-

motor (PMAC) het hoogste rendement van alle beschikbare elektrische machines tot op

heden. Dit is mede het gevolg van het gebruik van permanente magneten om het rotorveld

te creeren, waardoor dit geen stroom verbruikt. Verder worden de mechanische verliezen

beperkt door het gebrek aan borstels of sleepring.

Snelle dynamica: De rotorinertie is klein, door de afwezigheid van rotorgeleiders. Ook

kan de mechanische constructie als juk voor de magneten dienen, wat het totaal gewicht

van de motor beperkt.

Eenvoudige koppelsturing: Net zoals de gelijkstroommachine is het koppel proportio-

neel met de voedingsstroom.

Goede koppel/gewicht verhouding: De nieuwere types permanente magneten zoals

Neodymium-Ijzer-Boor hebben een zeer hoge energiedichtheid zodat een hoog koppel kan

gecreeerd worden met een laag gewicht. Een nog hogere koppel/gewicht verhouding dan

de gekozen motor wordt bereikt door axiale flux motoren.

Eenvoudig te koelen: Doordat er in de rotor geen stroom vloeit, is er weinig of geen

warmteproductie in de rotor. Praktisch alle warmteproductie zit in de stator, wat de

koeling vereenvoudigt.

Er zijn echter ook specifieke nadelen aan verbonden:

Hogere investeringskosten: De zeldzaam-aarde magneten zijn vele malen duurder dan

andere types magneten, wat de kostprijs van de motor verhoogt. De kostprijs van de

machine is dus hoger dan bijvoorbeeld een inductiemotor van hetzelfde vermogen.

Mogelijkheid tot demagnetiseren van de permanente magneten: Als er hoge

demagnetiserende krachten optreden, kan de permanente magneet zijn magnetische ei-


genschappen verliezen. Ook dient de rotortemperatuur scherp in de gaten gehouden te

worden, daar ook een verhoogde temperatuur kan leiden tot demagnetisatie.

3.3 Basisstuurprincipes van de BLDC motor

De typische onderdelen van een BLDC motor opstelling zijn een controller, een vermogensin-

vertor en de motor zelf. De invertor kan gevoed worden uit een gelijkrichter of eender welke

gelijkspanningsbron. De converter bevat 3 benen met elk 2 transistoren. Een “been” wordt hier

Leg Board genoemd. De schematische opstelling is te zien in Figuur 3.2. De onderdelen genaamd

Leg Board vormen samen de convertor en zorgen voor de aansturing van de motor vertrekkende

uit de door de controller gegenereerde schakelsignalen. Hier wordt ook een galvanische scheiding

voorzien ter bescherming van de controller.

Figuur 3.2: Schematische voorstelling van de BLDC aansturing

Er zijn zes verschillende stappen, die elk 60 elektrische graden duren, in het commutatieschema

waartussen op een elektronische manier geschakeld wordt. In iedere stap loopt er in een winding

positieve stroom, in een winding negatieve en de de derde loopt dan geen stroom. Hierdoor wordt

er een magnetisch veld geınduceerd door de stator, zodat door interactie van dit magnetisch veld

en het veld gecreeerd door de permanente magneten in de rotor er een koppel ontstaat op deze


rotor. Door het opeenvolgend doorlopen van alle stappen ontstaat er een continu draaiende

beweging van de rotor. Na deze 6 stappen is er een elektrische cyclus doorlopen. Dit komt

echter niet altijd overeen met een omwenteling van de motoras. Voor elk poolpaar in de rotor

dient er namelijk een elektrische cyclus doorlopen te worden voordat er een volledige omwenteling

heeft plaatsgevonden. Hoe meer poolparen aanwezig, hoe sneller de schakelfrequentie dient te

zijn om eenzelfde snelheid te bereiken. De frequentie van de koppelpulsatie verhoogt echter met

een toenemend aantal poolparen, zodat een hoger aantal paren kiezen toch voordelen oplevert.

Een voorbeeld van een schakeldiagramma is te zien in Figuur 3.3 [11, 12]. Hier zijn ook de tegen

EMK en de fasestromen weergegeven. Deze tegen EMK kan gebruikt worden om de positie van

de rotor te schatten (zie 3.3.2).

De door de controller gegenereerde schakelsignalen zoals te zien in Figuur 3.3 worden door

de verschillende Leg Boards naar de verschillende transistoren gestuurd. Deze transistoren

kunnen MOSFETs, IGBTs of bipolaire transistoren zijn. Als de volle busspanning aan de motor

aangelegd wordt, dan draait deze tegen de volle referentiesnelheid. Is er een kleinere snelheid

gewenst, dan dient er een lagere gemiddelde spanning aangelegd te worden. Dit gebeurt hier

door een PWM (Pulse Width Modulation) principe toe te passen op de bovenste schakelaars

[17]. Dit is te zien in Figuur 3.4. De transistoren die de PWM realiseren dienen dan aan een

veel hogere frequentie geschakeld te worden. Daarom werd er gekozen voor een MOSFET. Deze

hebben namelijk een lager schakelverlies bij hoge frequenties. De onderste schakelaars selecteren

het kwadrant aan een veel lagere frequentie. De vereiste koeling voor deze componenten is nu

echter een stuk groter. De MOSFETs worden rechtstreeks op de koelplaat gemonteerd waardoor

de drains van de 3 MOSFETs kortgesloten zijn aan elkaar. Daarom dienen de MOSFETs

bovenaan te komen. IGBTs zijn goedkoper dan MOSFETs en hebben minder geleidingsverlies

bij ontwerpen met een hoge tussenkringspanning. Het schakelverlies is hoger dan van MOSFETs,

maar dat is geen bezwaar als ze enkel gebruikt worden om een kwadrant te selecteren.


Figuur 3.3: Controller signalen, fasestromen en tegen EMK in functie van de hoek bij typisch

schakelschema


Figuur 3.4: Controller signalen bij Pulse Width Modulation met duty ratio = 50 %

De controller dient zich ten allen tijd bewust te zijn van de positie van de rotor om het juiste

kwadrant te selecteren en dus de juiste signalen naar de invertor te sturen. De schatting van

deze positie kan op 2 fundamenteel verschillende manieren gebeuren:

met sensoren: een encoder om de absolute positie te bepalen of een Hall sensoren in de

luchtspleet tussen stator en rotor

volledig sensorloos: dit kan gebeuren op basis van de gemeten tegen EMK in de niet-

bekrachtigde fase

De twee meest voorkomende controlestrategieen worden hierna even toegelicht.

3.3.1 Positieschatting op basis van Hall sensoren

Het blokschema, zoals te zien is in Figuur 3.2, wordt hierbij uitgebreid met Hall sensoren die het

magnetisch veld meten in de verschillende fasen. Dit wordt schematisch weergegeven in Figuur

3.6. De uitgang van deze Hall sensoren is te zien in Figuur 3.5. Op basis van deze sensoren kan

de controller de positie van de rotor schatten en het gewenste kwadrant selecteren [18].


Figuur 3.5: Hall sensor uitgang en tegen EMK in functie van de hoek bij typisch schakelschema

Telkens een noord of zuidpool van de rotor een Hall sensor passeert, verandert het uitgangssignaal

van laag naar hoog respectievelijk van hoog naar laag. Als we Figuur 3.5 bekijken, merken we

ook het volgende op: de uitgang van de Hall sensor in fase A verandert van teken wanneer de

tegen EMK in Uc door 0 gaat. Deze opmerking was de basis van de positieschattingsmethode

op basis van de tegen EMK zoals we verder zien in 3.3.2.

Wij gebruiken echter geen positieopnemer. De reden is dat het niet eenvoudig is een positieop-

nemer te vinden die bestand is tegen het medium (pentaan), de olie en de hoge temperatuur

binnen de hermetiek. Vandaar dat een sensorloze oplossing gekozen werd, die beschreven wordt

in volgende paragraaf.


Figuur 3.6: Schematische voorstelling bij positieschatting op basis van Hall sensoren

3.3.2 Sensorloze positieschatting op basis van tegen EMK

Een manier om de positie van de rotor te schatten, zonder sensoren te plaatsen in de motor,

maakt gebruik van de gemeten tegen EMK. Dit is ook de manier die in dit eindwerk gebruikt

wordt. Wanneer de borstelloze PM motor roteert, wordt er in iedere statorwikkeling een spanning

geınduceerd. Deze is gekend onder de naam van tegen EMK (Elektro Motorische Kracht). De

belangrijkste factoren die de tegen EMK bepalen zijn [15]:

rotatiesnelheid van de motor

diameter van de rotor

magnetisch veld gecreeerd door de permanente magneet in de rotor en de stroom in de

statorwikkelingen

aantal windingen in de beschouwde gleuf

EMK = 2× Ω× r ×B × l ×N (3.1)


De parameters in vergelijking 3.1 zijn gegeven door:

N aantal windingen in elke statorwikkeling

l actieve lengte van de statorgeleider

r gemiddelde straal van de rotor

B grootte van het magnetisch veld

Ω rotatiesnelheid van de motor (in rad/s)

De enige parameter die wijzigt bij gebruik van een welbepaalde motor is de rotatiesnelheid. De

andere parameters liggen namelijk vast door constructie. Wanneer de snelheid verhoogt, zal de

tegen EMK ook verhogen. In het technische specificatie document van de motor is een constante

parameter, de tegen EMK constante (back EMF constant), opgenomen die dit uitdrukt. Met

deze parameter kan de tegen EMK geschat worden voor een gegeven snelheid.

De spanning over een wikkeling van de stator kan dan berekend worden als de voedingsspanning,

verminderd met de tegen EMK en de verliezen in de wikkeling. Hoe hoger de snelheid van de

motor, hoe hoger deze tegen EMK en hoe lager de spanning over de wikkeling. Hierdoor zal de

stroomsterkte dalen, en dus ook het koppel. De maximale snelheid van een onbelaste borstelloze

PM motor treed dus op wanneer de voedingsspanning gelijk is aan de som van de tegen EMK

en de verliezen in de motor.

Wanneer de BLDC in regime werkt, is de fasestroom in fase met de tegen EMK. De scha-

kelogenblikken voor de commutatie van de invertor kunnen gehaald worden op basis van het

zogenaamde Zero Crossing Point (nuldoorgang van de tegen EMK) en het tijdsverschil tussen

het commutatietijdstip en deze nuldoorgang. Dit wordt geıllustreerd in Figuur 3.7 [12, 14].


Figuur 3.7: Commutatieogenblik en nuldoorgang

De statorwikkelingen in een BLDC zijn geconcentreerd, waardoor de tegen EMK een trapezo-

idaal uiterlijk heeft. Door de klemspanning te meten in de niet-geschakelde fase kunnen de

nuldoorgangen van de tegen EMK gedetecteerd worden.

Een voorbeeld van deze techniek kan gevonden worden in [19]. Hier worden de klemspanningen

door een laagdoorlaatfilter (een filter per fase) gestuurd om een duidelijk schakelpatroon te

bereiken. Op de hoge zijde van de invertor wordt er een PWM principe toegepast om de

snelheid te regelen. Dit verklaart de vorm van de tegen EMK zoals te zien in Figuur 3.8. De

laagdoorlaatfilters met behulp van fasevergrendeling (Phase-Locked Loop, zie ook Appendix

B) worden gebruikt om de hoogfrequente signalen te elimineren in de klemspanningsuitgangen.

Testresultaten van de opstelling zijn te zien in Figuur 3.8.


Figuur 3.8: Fasespanningen, tegen EMK en nuldoorgangssignaal

Daar de tegen EMK proportioneel is met de snelheid van de motor, kan deze techniek moeilijk

toegepast worden bij lage snelheid. Een oplossing hiervoor is bijvoorbeeld de motor laten aan-

lopen als een stappenmotor tot de snelheid voldoende is om de tegen EMK te herkennen. Deze

strategie wordt gebruikt bij het IC ML4425 van Fairchild Semiconductor [17].

Hoofdstuk 4

Schakeling en PCB ontwerp van de

controller

4.1 Controller

De gebruikte motorcontroller in dit eindwerk is de ML4425CS van Fairchild Semiconductor [17].

Deze controller laat toe om de sensorloze BLDC motor sturing, zoals beschreven in paragraaf

3.3.2, toe te passen. De verschillende functies van de controller zijn o.a.: aanlopen als stappen-

motor, tegen EMK detectie, PWM snelheidsregeling, stroomregeling (zie ook paragraaf 4.2.1)

en onderspanningsbeveiliging. De controller genereert de sequentiele commutatiesignalen naar

de invertor tijdens motorwerking [20].

Er zijn verschillende specifieke IC’s die ontwikkeld zijn om een borstelloze PM machine sensorloos

aan te sturen [14]. Een andere mogelijkheid is het gebruiken van microcontrollers of DSP’s

(Digital Signal Processor). Het nadeel van het werken met programmeerbare logica is dat het

herkennen van de nuldoorgang zeer rekenintensief is. Dit komt door de grillige spanningsvorm

in de motor (o.a. door PWM sturing van de spanning om de snelheid te regelen). De IC’s

werken echter op het principe van een fasevergrendeling (zie ook Appendix B) waardoor dit

geen probleem meer is. De ML4425CS werd gekozen voor zijn functies en beschikbaarheid.

22

Hoofdstuk 4. Schakeling en PCB ontwerp van de controller 23

Een overzicht van de belangrijkste pinnen van de ML4425 en hun werking is hieronder te vinden:

pin 1 Isense: ingang voor de interne stroomregeling (zie ook paragraaf 4.2.1)

pin 2, 3 en 4: actief lage uitgangssignalen. Deze worden gebruikt om de IGBTs aan te

sturen bij de convertor (zie ook: 3.3)

pin 7 Vref : de referentiespanning van de IC (6.9 V)

pin 8: wenswaarde van de snelheid in motorwerking

pin 9, 10 en 11: actief hoge uitgangssignalen. Deze worden gebruikt om de MOSFETs van

de convertor aan te sturen

pin 12 ILIMIT : wenswaarde van de interne stroomregeling

pin 14 VDD: ingangsspanning van de IC

pin 22, 23 en 24: hier wordt de tegen EMK gemeten om tot positieschatting te komen (zie

ook paragraaf 4.3)

pin 25: als deze ingang laag getrokken wordt, schakelt de IC over naar remwerking. Dit

wordt gebruikt wanneer de motor als generator optreedt.

De sturing van de tijdstippen van de schakelsignalen naar de convertor worden op basis van de

tegen EMK gegenereerd. De positie van de motor wordt geschat door middel van een phase-

lockedloop (PLL) principe (zie ook B). Het blokschema van het phase-locked loop circuit op basis

van de tegen EMK is gegeven in Figuur 4.1. Bij de ML4425CS is de PLL opgebouwd uit de tegen

EMK meting, de VCO (voltage controlled oscillator), lusfilter en het commutatietoestandsmodel

(commutation state machine). De motorspanningen worden door operationele versterkers tot op

het gewenste niveau gebracht (meer informatie in paragraaf 4.3) en als ingang gebruikt voor de

IC. Via deze PLL worden commutatiesignalen naar de convertor gestuurd. Een groot deel van de

specifieke functies van de PLL wordt inwendig in de IC gerealiseerd. Slechts enkele uitwendige

circuits dienen ontworpen te worden.


Figuur 4.1: Blokschema van de PLL op basis van meting van de tegen EMK

De gemeten tegen EMK (ten opzichte van een fictief sterpunt) die tijdens de niet geleidende

periode van een motorfase optreedt, wordt geıntegreerd over 60 elektrische graden en door het

lusfilter geleid. De uitgang van dit filter wordt verbonden met de VCO die een frequentie pro-

portioneel met de ingangsspanning genereert. Deze frequentie wordt verder gebruikt om het

commutatietoestandsmodel te te timen. Dit toestandsmodel genereert dan de commutatiesigna-

len naar de converter en een signaal naar de multiplexer zodat de tegen EMK van de volgende

fase wordt bemonsterd. Als de commutatie perfect is, dan is er geen spanningsverschil aan het

lusfilter. Als de commutatie te vroeg of te laat was, dan gaat de spanning respectievelijk omhoog

of omlaag zodat de uitgangsfrequentie van de VCO varieert. Zo wordt de volgende commutatie

dichter naar de ideale positie geleid bij de volgende commutatie.


4.2 Stroomregeling

De koeling van transistoren is beperkt. Dit vertaalt zich naar een maximum stroom of stroom-

beveiliging. Anderszijds heeft het systeem behoefte aan een werkingspunt dat door een koppel

bepaald wordt. Dit kunnen we vertalen door een stroomregeling. Er kunnen 2 verschillende

stadia onderscheiden worden in het gebruik van de BLDC in dit eindwerk:

de BLDC werkt als motor

de BLDC werkt als generator

4.2.1 BLDC in motorwerking

Tijdens de opstart van de micro-WKK installatie kan het nodig zijn dat de BLDC ook kop-

pel levert daar het startkoppel van de expander te laag kan zijn om de installatie in gang te

brengen. De BLDC wordt dan aangestuurd door de ML4425CS motor controller van Fairchild

Semiconductor, waar ook een stroomregeling in verwerkt zit.

Het blokschema van de stroommeting is te zien in Figuur 4.2. Aangezien de motor verondersteld

wordt van driefasig symmetrisch te zijn, gebeurt de stroommeting slechts in twee van de drie

fasen. Hiervoor worden twee stroomtransducers gebruikt (LA 55-P [21]) die een stroom evenredig

met de stroom door de motor afgeeft. De derde fase wordt geconstrueerd als volgt:

I3 = −(I1 + I2)

I3 wordt gegenereerd door een inverterende schakeling op basis van een operationele versterker

U1C (TL084). Door de uitgangen van de operationele versterkers (U1A t.e.m. U1D) en de

2 ingangssignalen aan elkaar te verbinden via diodes, wordt het maximum van de moduli van

de 3 stromen geselecteerd (zoals te zien op de figuur met aanduiding Imax). Via een RC-filter

wordt deze stroom dan gebruikt als ingang voor Isense (zie ook 4.1). Deze filter is ontwor-

pen om hoogfrequente pieken in het meetsignaal te onderdrukken en zo een betere meting te

verwezenlijken.


Figuur 4.2: Blokschema van de stroomregeling

Wanneer de stroom op de ingang Isense de ingestelde maximale waarde overschrijdt, worden

de bovenste schakelaars (de MOSFETs) een tijdlang uitgeschakeld. Hierdoor zal de stroom in

de wikkelingen van de motor terug zakken. Deze uittijd wordt ingesteld door een condensator


tussen de pin CIOS en de nulreferentie. De inwendige structuur van deze stroomregeling is te

zien in Figuur 4.3.

Figuur 4.3: Inwendige structuur van de stroombeveiliging bij motorwerking

De maximale waarde voor de stroom wordt in dit eindwerk handmatig ingesteld door een po-

tentiometer tussen de referentiespanning van de ML4425CS en de nulreferentie zodat deze ge-

makkelijk uitwendig regelbaar is tussen 0 en 19 A.

Deze uiterste waarden volgen uit de werking van de ML4425CS: De ingang op Isense wordt 5

maal versterkt en vergeleken met de waarde van ILIMIT . Is de waarde hoger dan de ingestelde

waarde van ILIMIT , dan worden de MOSFETS een tijdlang uitgeschakeld. De maximale instel-

spanning op ILIMIT is 6.9 V (dit is de referentiespanning van de ML4425CS). De hoogste waarde

die dus kan aangelegd worden aan de ingang van Isense, voordat de stroomregeling activeert,

bedraagt: 6.9V5 = 1.38 V. De spanning aan de gemeenschappelijke zijde van de diodes wordt via

een spanningsdeler naar de ingang van Isense geleid. Een spanning van 1.38 V aan de ingang

van Isense betekent een spanning van 1.38 × 37k10k = 5.1 V aan de gemeenschappelijke zijdes van

de 6 diodes. Hierbij dient nog een diode spanningsval van 0.6 V opgeteld te worden, dus de

maximale spanning over de weerstand van 150 Ω, zonder dat de stroomregeling aangesproken

wordt, bedraagt 5.7 V. Dit stemt overeen met een stroom van 38 mA door de 150 Ω weerstand

(zie ook Figuur 4.2). Tenslotte heeft de stroomtransducer (LA-55P [21]) een 1:1000 verhouding

van ingangsstroom ten opzichte van uitgangsstroom en wordt de uitgang 2 maal door de stroom-

transducer geleidt (de transducer meet dan een stroom die twee maal zo groot is). Dit stemt

uiteindelijk overeen met een stroomwaarde van ongeveer 19 A in de wikkelingen van de motor.


4.2.2 BLDC in generatorwerking

Wanneer de BLDC als generator moet werken, dan wordt de motorcontroller in remmodus

geschakeld door de ingang op pin 25 laag te maken [17, 22]. De stroomregeling, zoals beschreven

in de voorgaande paragraaf, is dan uitgeschakeld. In de remmodus zijn alle MOSFETs gesloten

en alle IGBTs open. De motor is dan kortgesloten, wat tot te hoge stromen zou leiden. De

stroomregeling gebeurt door middel van de schakeling zoals te zien in Figuur 4.2 in het gebied

omringd door streepjeslijn. Het maximum van de moduli van alle stromen wordt gemeten en de

MOSFETs worden uitgeschakeld bij het overschrijden van de instelwaarde.

De wenswaarde voor de maximale stroom wordt opnieuw ingesteld door een potentiometer tussen

de referentiespanning van de ML4425CS en de nulreferentie. Wanneer het maximum van moduli

van de 3 stromen deze wenswaarde overschrijdt, dan wordt de uitgang van de comparator U7

(LM393) laag en wordt het signaal genaamd “Enable signaal remwerking” laag. Hierdoor worden

de drivers van alle MOSFETs en IGBTs een tijdlang uitgeschakeld. Deze uittijd wordt ingesteld

door een condensator (C10). De maximale instelwaarde voor de stroom in generatorwerking

wordt als volgt bepaald: de maximale spanning aan de niet-inverterende klem van de LM393

bedraagt 6.9 V. Wanneer de spanning aan de gemeenschappelijke zijde van de diodes deze waarde

overschrijdt wordt de stroomregeling geactiveerd. De maximale spanning die over de weerstand

van 150 Ω mag staan, voor deze waarde bereikt wordt is dus 6.9 V + 0.6 V = 7.5 V. Dit stemt

overeen met een stroom van 25 A in de windingen van de motor.

Wanneer alle transistoren uitgeschakeld worden, dan geleiden enkel de vrijloopdiodes van de

IGBTs en de MOSFETs. Dit resulteert in een ongestuurde gelijkrichterbrug. Daar de eindtrap

een generatie bij een constante DC-spanning vereist, onafhankelijk van het toerental van de

generator, kan er niet enkel met deze vrijloopdiodes gewerkt worden. De resulterende DC-

spanning zou dan immers te laag worden.

De busspanning wordt vast ingesteld (bijvoorbeeld op 400 V) door de eindtrap. Om te genereren

bij deze spanning bij laag toerental van de generator wordt een boostprincipe toegepast. Dit

bestaat uit 2 verschillende stappen. Tijdens de eerste fase wordt er stroom opgebouwd in de

kortgesloten wikkelingen (zie figuur 4.4). Wanneer de stroom de ingestelde stroomlimiet over-

schrijdt, worden de MOSFETs geopend en worden de vrijloopdiodes van de MOSFETs gebruikt

en start de tweede fase (zie figuur 4.5). De stroom in de wikkelingen blijft dan continu en

kan enkel naar de DC-bus lopen. Hierdoor loopt er stroom naar de eindtrap aan de ingestelde


busspanning, onafhankelijk van het toerental van de generator, en neemt de stroom in de ge-

neratorwikkelingen af. Na een vaste uittijd worden MOSFETs terug ingeschakeld en neemt de

stroom terug toe. De condensator zorgt voor een beperkte spanningsrimpel in de tussenkring.

Figuur 4.4: Stap 1: stroomopbouw in de generator door kortgesloten MOSFETs

Figuur 4.5: Stap 2: stroom loopt naar eindtrappen via ongestuurde gelijkrichterbrug

4.3 Spanningsmeting

De ML4425 schat de positie van de rotor op basis van de gemeten tegen EMK. Daarvoor heeft

het een signaal nodig, komende van de verbindingen met de motor op pinnen 23, 24 en 25. Hier

wordt een signaal verwacht dat tussen 0 en 12 V ligt. Aangezien de motor op een hoge spanning


werkt en er een virtuele galvanische scheiding beoogd wordt, dient er een circuit ontworpen

te worden die dit kan verwezenlijken. Het gebruikte schema is te vinden in Figuur 4.6. De

aangeduide spanning Vbus+ is de positieve DC-busspanning. Dit is de spanning waarmee de

motor gevoed wordt.

Figuur 4.6: Structuur van de spanningsmeting op de motor


Op deze wijze wordt er een signaal tussen de 0 en 12 V bereikt aan de ingang van FB A, FB B

en FB C. Wegens de hoge weerstanden die gebruikt worden is er tevens een virtuele galvanische

scheiding bereikt tussen het controlegedeelte van de motor en het vermogensdeel. Merk hier

echter op dat de signalen die doorgegeven worden naar de ML4425 evenredig zijn met het

inverse van de spanningen in de motor wegens de gebruikte inverterende versterkers. Door deze

negatieve spanningen lijkt het alsof de motor al 3 stappen verder is in het commutatieschema.

Dit wordt opgevangen door de uitgangssignalen van de ML4425, die bedoeld zijn om de hoge

zijde van de convertor aan te sturen, met de lage zijde te verbinden, en vice versa.

Op basis van deze ingangssignalen wordt de potentiaal van het sterpunt van de motor berekend

door de ML4425 als volgt:

Sterpunt =UA + UB + UC

3

Hierdoor dient er geen extra geleider naar buiten gebracht te worden bij in ster geschakelde

motoren. Bij motoren die in driehoek geschakeld zijn, is er geen sterpunt, dus daar moet

dit referentiepunt toch berekend worden. De tegen EMK bemonsteraar bekijkt de fase die

niet aangedreven is (als LA en HB aangedreven zijn, dan wordt fase C bemonsterd). Deze

bemonsterde tegen EMK wordt dan vergeleken met het berekende sterpunt door middel van een

foutversterker (zie ook Figuur 4.1). De uitgang hiervan wordt naar een lusfilter verbonden met

pin 20 (SPEEDFB) die de ingangsspanning voor de VCO vormt (zie ook appendix B).

Merk echter op dat het IChet bemonsteren maar actief maakt na een blanking time omdat juist

na het geleiden van een fase de stroom nog aanwezig is en de vrijloopdiode geleidt. In die

periode is de spanning in die fase geen maat voor de tegen EMK. Een bijkomend voordeel van

dit principe is dat er ook de nodige voorijling gegeven wordt aan de signalen. De onsteekhoek

wordt dan wat vervroegt bij hoger toerental, wat de commutatie ten goede komt.

4.4 Aansturing van de drivers

De aansturing van de MOSFETs en IGBTs kan niet rechstreeks met de uitgang van de ML4425

gebeuren omdat de maximale stroom die dit IC kan leveren beperkt is tot een stroom van

50 mA. Het snel genoeg schakelen van deze componenten bij hoog vermogen vereist immers

soms enkele ampere. In dit eindwerk werd gebruik gemaakt van aparte, modulair opgebouwde

vermogensborden genaamd Leg Boards [23]. Om de controller tegen stroompieken, die kunnen


optreden als gevolgen van een kortsluiting e.d., te beschermen werd er ook een galvanische

scheiding voorzien tussen de controller en het vermogensgedeelte. Een schematische voorstelling

is te zien in Figuur 4.7.

Deze Leg Boards zorgen voor een galvanische scheiding door middel van een driver met opto-

coupler. Vertrekkende van de, door de controller gegenereerde, schakelsignalen wordt de desbe-

treffende fase aan de positieve of de negatieve busspanning verbonden. Deze modulaire vermo-

gensborden bevatten ook een desaturatiebeveiliging die de IGBT zal uitschakelen wanneer de

stroom in die fase te hoog wordt. Deze desaturatiebeveiliging is onderhevig aan de toleranties

van de gebruikte componenten en schakelen uit wanneer de stroom tussen de 15 en 20 A bereikt.

Dit schema werkt als volgt. Als het “ enable signaal remwerking” enerzijds of het “Manueel

enable signaal” anderzijds laag valt, dan worden alle drivers uitgeschakeld aangezien de uitgang

van U5A dan hoog en de uitgang van U5B laag. Hierdoor worden Q2 en Q7 gesloten zodat er

door beide optocouplers geen stroom kan lopen. Dit wordt gebruikt als stroombeveiliging bij

generatorwerking (zie ook paragraaf 4.2.2). Ook kan het systeem zo op een eenvoudige manier

handmatig uitgeschakeld worden.


Figuur 4.7: Sturing van de MOSFETs en IGBTs in een fase

De werking van de bovenste en onderste schakelaar is lichtjes verschillend. De ML4425 geeft

namelijk op pin 9, 10 en 11 een actief hoog signaal en op pin 2,3 en 4 een actief laag. Wanneer

beide enable signalen hoog zijn, dan is Q6 gesloten en staat HA- ongeveer op nulpotentiaal.

Wanneer de ML4425 nu een hoog signaal geeft op pin 9, dan loopt er stroom vanuit pin 9, door

de optocoupler en dan door Q6 naar de aarding. Hierdoor krijgt HA een puls en wordt deze

gesloten.

De werking voor de onderste schakelaar is ongeveer gelijkaardig, maar het vereist een extra

p-type transistor. De stroom nodig om de optocoupler aan te drijven, is namelijk groter dan

de stroom die de ML4425 kan opnemen door de actief laag uitgangen. Deze extra transistor is

gesloten als er een laag signaal aanwezig is op pin 2. Is er echter een hoog signaal aanwezig, dan

is deze transistor open en kan er geen stroom vloeien door de optocoupler.


4.5 PCB ontwerp en implementatie in ORCAD

De printplaat (Printed Circuit Board, PCB) voor deze schakeling werd ontwikkeld gebruik ma-

kend van de softwaresuite ORCAD. Er werden twee specifieke programma’s in deze suite ge-

bruikt, namelijk Orcad Capture CIS en Orcad Layout Plus.

4.5.1 Capture CIS

Eerst werd de schakeling in Capture ontworpen. Hier worden alle componenten en IC’s inge-

bracht en onderling verbonden. Het programma beschikt over een ruime database van beschik-

bare componenten. Indien er echter een component gebruikt wordt dat niet in de bibliotheek

te vinden is, kan er een eigen bibliotheek aangemaakt worden. Hierin kunnen zelf componenten

ontworpen worden om in schakelingen te gebruiken. Iedere gebruikte component dient zo goed

mogelijk gespecifieerd te worden, bvb. de weerstandswaarde van een weerstand of capaciteit van

een condensator. Ook moet er aan elke component een specifiek footprint geassocieerd worden.

Dit is in essentie de plaats die op de printplaat vrijgehouden dient te worden voor het component

en de plaats waar zich de pootjes van het component bevinden. Deze footprints kunnen gekozen

worden uit speciale bibliotheken of zelf ontworpen worden in het programma Layout Plus (zie

verder).

Via Capture wordt er, wanneer de schakeling volledig ontworpen is, een zogenaamd netlist

bestand gegenereerd. Dit bestand bevat de informatie van elk component (referentienaam,

grootte, type component, footprint, ...) en tevens informatie over alle verbindingen tussen de

verschillende componenten. Dit bestand wordt later gebruikt door Layout Plus om het PCB te

ontwerpen.

4.5.2 Layout Plus

Een eerste functie die dit programma heeft is het beheren en ontwerpen van de afdruk (footprint)

van een component. Dit gebeurt in de library manager. Het programma beschikt over een

uitgebreide bibliotheek van standaardafmetingen van IC’s en componenten. Er kunnen ook

echter bestaande ontwerpen aangepast worden of nieuwe afdrukken ontwikkeld worden. In dit

eindwerk worden bvb. de afmetingen van alle eilanden (het deel waar bvb. een poot van een IC

of een uiteinde van een weerstand aan gesoldeerd wordt) iets vergroot. Dit zorgt ervoor dat het

solderen iets gemakkelijker gaat.


Een tweede gebruikte functie is het ontwerpen van het PCB. Alle componenten die vermeld staan

op de netlist worden weergegeven door hun geassocieerde afdruk. Ook worden alle te realiseren

verbindingen tussen de verschillende pootjes van de componenten aangeduid door gele lijnen. Nu

is het de taak van de gebruiker om alle componenten te plaatsen op het PCB en de verschillende

verbindingen te maken door geleidingsbanen te tekenen (dit proces wordt routing genoemd).

4.5.3 Aandachtspunten

Bij het ontwerpen van de PCB dienen een aantal punten in acht genomen te worden [14, 24, 25,

26].

Eigenschappen van baantjes

Elke geleider op het PCB kan een bron zijn van of gevoelig zijn aan elektromagnetische storing.

Door een signaalgeleider dicht bij een geleider te plaatsen waar zich een snelle variatie van stroom

of spanning bevindt, kan dit signaal verstoord worden. Ook dient er rekening gehouden worden

dat elk baantje een bepaalde weerstand, inductantie en capaciteit met de nulreferentie heeft.

Lange baantjes dienen dus vermeden te worden.

Eilanden

De eilanden die in de standaard footprints van Layout zitten zijn eerder klein. Er wordt immers

nog een gat in het eiland geboord om het pootje van de component in te kunnen plaatsen. De

eilandjes worden hier vergroot zodat het resterende stuk voldoende groot is om de component

vlot te solderen.

Vias

Vias dienen verbindingen tussen de boven- en onderzijde van het PCB en bestaan uit twee eilan-

den: een op de bovenzijde van het PCB en de andere op de onderzijde. Bij PCB’s geproduceerd

in het labo zijn deze niet doorverbonden en moet de verbinding met de hand tot stand komen

door een ijzerdraadje boven en onder op het eiland van de via te solderen. Het valt aan te raden

vias zoveel mogelijk te vermijden door een goede plaatsing van de componenten.


Plaatsing van de componenten

Er is een oud gezegde dat tijdens het ontwerp van een PCB de plaatsing van de componenten

voor 90 % telt en het leggen van de baantjes voor 10 %. Dit geeft aan dat een goede plaatsing

van de componenten het ontwerp van de PCB vereenvoudigt. Men begint dus best aan het

ontwerp met een basisidee van de grootte van het PCB en door de componenten in te delen in

functionele blokken.

4.5.4 Ontwerpprocedure

Plaatsing

Een goed stappenplan voor het ontwerp van een PCB luidt als volgt [14]:

Stel de rasterlijnen en basisgrootte voor de baantjes en eilanden in

Plaats alle componenten in een willekeurige plaats op het bord

Deel de componenten op in functionele “bouwstenen” waar mogelijk en plaats ze buiten

het PCB

Detecteer kritisch zones en verbindt deze eerst met baantjes

Plaats en verbindt de bouwstenen apart, buiten het bord

Plaats de voltooide bouwstenen op het PCB in de gewenste positie

Verbindt de overige connecties met baantjes

Verzorg het resultaat en zorg voor een mooi uiterlijk van het PCB

Voer een “Design Rule Check” uit (is er voldoende afstand tussen de baantjes, tussen

baantjes en eiland, enz.)

Laat het PCB ontwerp door iemand controleren

De plaatsing van de componenten en het ontwerp van het PCB is te zien in Figuren 4.8, 4.9 en

4.10


Figuur 4.8: Plaatsing van alle componenten in Layout Plus

Figuur 4.9: Bovenzijde van het PCB


Figuur 4.10: Onderzijde van het PCB

Merk op dat gedurende het gebruik van dit PCB de schakeling op enkele punten veranderd

is. Hierdoor is dit PCB ontwerp niet meer accuraat en is het bestaande PCB aangepast op

enkele punten. Er dient in het verdere verloop van dit project nog een nieuw PCB ontwerp te

worden gemaakt. Dit zal gebeuren door dhr. A. Marinov in het kader van zijn doctoraat op de

elektrische aspecten van de micro-WKK.

4.6 Koeling van de transistoren

De transistoren hebben, afgezien van schakelverliezen, ook geleidingsverliezen. Tijdens het gene-

reren van elektriciteit door de BLDC, lopen er piekstromen tot meer dan 10 A in deze transistoren

of hun vrijloopdiodes. De warmte die hierdoor ontwikkeld wordt kan de temperatuur van de

transistor flink doen oplopenwaardoor de levensduur van de componenten afneemt. Voldoende

koelen is dus noodzakelijk.

In dit eindwerk werd gekozen om deze transistoren te koelen door middel van waterkoeling.

Hierdoor wordt ook tijdens het genereren van hoog vermogen een voldoende koeling bereikt.

Een bijkomend voordeel is dat deze warmte gebruikt kan worden in de kringloop van de WKK

installatie. Het water dat afgekoeld is na gebruik, in bvb. een radiator, kan deze warmte opnemen

voordat het terugvloeit naar de warmtewisselaar. Hierdoor is het geleidings- en schakelverlies

van de transistoren nuttige warmte en stijgt het rendement van de installatie.


De waterkoeling bestaat uit een, aan twee kanten vlakgemaakte, koperen buis, omsloten door

2 aluminium platen. Op deze platen worden de transistoren bevestigd. Hierdoor ontstaat een

goed contactoppervlak met de koelplaten en is er een goede warmteoverdracht naar het water,

dat in de koperen buis stroomt. Enkele foto’s van de opstelling zijn te zien in Appendix C.

4.7 Overzicht van de volledige convertor

De ontwikkelde controller is echter slechts een deel van de elektrische kant van de micro-WKK in-

stallatie. De gegenereerde DC-spanning wordt verder nog via een invertor op het net aangesloten

[23]. Deze invertor zorgt ervoor dat de specificaties in verband met de vermogenskwaliteit, opge-

legd door de netbeheerder, gehaald worden. Ook is er een dissipator aanwezig die de opgewekte

energie kan opnemen indien er iets fout gaat met de netverbinding.

Een schematische voorstelling van de volledige elektrische kant is te zien in Figuur 4.11.

Figuur 4.11: Schematische voorstelling van de elektrische zijde van de micro-WKK installatie

Op deze figuur is te zien dat de schakelaars kunnen opgedeeld worden in zogenaamde “benen”

van de convertor. Deze vaststelling leidde tot het ontwikkelen van een modulair vermogensbord,


genaamd “Leg Board”. Deze vermogensborden kunnen zowel gebruikt worden in de convertor,

die de elektriciteit van de BLDC naar gelijkspanning omzet, als in de invertor, die hiervan

wisselspanning maakt om te injecteren op het net. Hierdoor verkleint de complexiteit van de

vermogenskant. Deze vermogensborden zijn een onderdeel van het doctoraatsonderzoek van dhr.

A. Marinov [23].

4.8 Overzicht van de volledige schakeling

Een overzicht van de volledige schakeling is te zien op de volgende pagina.

Figuur 4.12: Volledige schakeling in Orcad

Hoofdstuk 5

Testresultaten

5.1 Variabele blokgolfgenerator

Om de controller op een eenvoudige en veilige manier te testen werd er een blokgolfgenerator

geconstrueerd die de tegen EMK van de BLDC simuleert. Op deze manier kon het PLL circuit

getuned worden zonder dat de motor aangesloten was. Een schematische voorstelling van deze

blokgolfgenerator is te zien in Figuur 5.1. De 2 IC’s die schematisch voorgesteld zijn, zijn een

555-timer (TLC 555) en een Johnson counter (CD 4017).

De 555-timer wordt zo geschakeld dat de frequentie van de blokgolf aan zijn uitgang regelbaar

is door enerzijds de potentiometer en anderzijds de condensator [27]. De condensator is een

ontwerpparameter en bepaald de maximale frequentie van de blokgolf. Met de potentiometer

kan tijdens de werking van de schakeling de frequentie gevarieerd worden. De uitgang van de

555-timer wordt vervolgens verbonden met de klok ingang van de Johnson counter.

De werking van deze Johnson counter [28] is als volgt. Tijdens iedere werkingstoestand heeft

slechts 1 van de uitgangen (genaamd Q0 t.e.m. Q9) een logisch hoog signaal. Bij iedere klokpuls

wordt dee uitgang welke hoog is terug laag en wordt de volgende uitang hoog. Het hoog signaal

schuift dus als het ware op doorheen de genummerde uitgangen. Wanneer er een stijgende flank

aan de RESET ingang van de Johnson counter gedetecteerd wordt, dan wordt terug Q0 hoog

en alle andere uitgangen laag. Dit wordt verduidelijkt in Figuur 5.2.

42

Hoofdstuk 5. Testresultaten 43

Figuur 5.1: Blokschema van de variable blokgolfgenerator

Figuur 5.2: Werkingsprincipe van de Johnson counter in de blokgolfgenerator

Door deze uitgangen te schakelen zoals te zien in Figuur 5.1 worden er aan de uitgangen ge-

naamd U, V en W blokgolven gegenereert met een breedte van 180 die 120 ten opzichte van


elkaar verschoven zijn. Zo wordt er een goede overeenkomst met een draaiende BLDC machine

bekomen. De gemeten uitgangen van deze schakeling zijn te zien in Figuur 5.3. De kleine span-

ningsval die te zien is aan het begin en het einde van iedere blokgolf is te wijten aan het feit

dat de uitgangen Q0, Q2 en Q4 gebruikt worden door 2 fasen op hetzelfde ogenblik. Hierdoor is

er een groter stroomverbruik en een iets lagere spanning. Dit kan verminderd worden door de

weerstanden naar nulpotentiaal te verhogen. Het heeft echter geen effect op de detectie van de

EMK door de ML4425.

Figuur 5.3: Uitgang van de 555 timer (onder) en de 3 faseuitgangen van de blokgolfgenerator

Om deze blokgolfgenerator als een waardig alternatief voor de werkelijke BLDC te gebruiken,

dienen er echter enkele lichte (tijdelijke) aanpassingen gedaan te worden aan het circuit dat de

tegen EMK meet. Deze blokgolgenerator genereert slechts ongeveer 15 V, waar de motorspanning

kan oplopen tot 400 V. Om een voldoend hoog signaal te verkrijgen aan de ingang van de ML4425

wordt de verzwakkingsfactor, die gerealiseerd is door de opamp-schakeling te zien in Figuur 4.6,

aangepast naar een lagere waarde. Dit wordt gerealiseerd door een weerstand van 820 kΩ in


parallel over de 2 in serie geschakelde weerstanden van 10 MΩ en dit voor iedere fase.

5.2 Testen van de PLL

Met de blokgolfgenerator aangesloten op de controller, werd het PLL circuit getuned zodat een

goede prestatie bereikt werd voor een breed bereik aan frequenties. Het gewenste resultaat is dat

de controller de frequentie van de blokgolfgenerator correct vast heeft gesteld en dat de pulsen

die de controller naar de uitgangsdrivers stuurt mooi gecentreerd zijn op de virtuele tegen EMK,

geproduceerd door de blokgolfgenerator. Het is echter ook belangrijk dat wanneer de frequentie

van de blokgolfgenerator verandert, de controller snel reageert. De opgemeten resultaten zijn te

zien in Figuur 5.4.

Figuur 5.4: Eerste testen VCO

Zoals op de figuur te zien is, zijn de pulsen die naar de uitgangsdrivers gestuurd worden mooi

gecentreerd op de virtuele tegen EMK, geproduceerd door de blokgolfgenerator. Dit werd met

succes getest met frequenties van de blokgolfgenerator tot boven 700 Hz, wat ruim aan de

verwachtingen voldeed.

Na de testen met de blokgolfgenerator, werden er ook testen met de BLDC motor gevoerd. De


BLDC werd aangedreven door een andere motor en de 3 fase uitgangen werden aangesloten aan

de spanningmeting van de controller. De extra weerstanden die toegevoegd werden in de vorige

paragraaf werden hiervoor verwijderd. De openklemspanning van de BLDC en het actief laag

signaal naar een van de uitgangsdrivers zijn te zien in Figuur 5.5. Opnieuw is te zien dat deze

pulsen naar de drivers mooi gecentreerd staan op de gemeten tegen EMK.

Figuur 5.5: Openklemspanning van een motorfase en actief laag controllersignaal naar een uit-

gangsdriver

5.3 Testen van de stroommeting

De stroomregeling gebeurt op basis van het maximum van de moduli van de 3 fasestromen.

Daar de motor verondersteld wordt van driefasig symmetrisch te zijn volstaat het in principe

om slechts in 2 fasen de stroom te meten. De resterende fase wordt dan gegeven door het

inverse van de som van de andere 2 stromen: I3 = −(I1 + I2) (zie ook paragraaf 4.2.1). Om deze

schakeling te testen werd een opstelling zoals te zien is in Figuur 5.6 gebruikt. Aan 1 fase werd

een sinusoıdale stroom aangelegd (op punt met cijfer 1). Vervolgens werden de uitgangen van

de operationele versterker in fase 3 gemeten (aangeduid met cijfer 4). De uitgang op punt 4 zou

het tegengestelde van de aangelegde spanning op punt 1 moeten zijn. Het signaal dat aankomt


bij de ingang Isense van de controller is evenredig met het maximum van de moduli van de 3

stromen (in dit geval is de stroom in fase 2 gelijk aan 0).

Figuur 5.6: Meetpunten bij het testen van de stroommeting

De resultaten van deze meting zijn te zien in Figuur 5.7. Hier is duidelijk te zien dat de derde

fase het inverse is van de som van de eerste en tweede fase (de tweede fase is hier echter 0).

De spanning op punt 2 is het maximum van de moduli van de 3 stromen, verminderd met een

diodespanningsval en tevens de ingang van Isense, op een verzwakking door de spanningsdeler

na.


Figuur 5.7: Resultaat van de stroommetingstest

Wanneer de stroom in een fase een ingestelde waarde overschrijdt, dienen alle drivers uitge-

schakeld te worden. Met behulp van een potentiometer (zie ook Figuur 5.6, weerstand R10)

kan deze makkelijk ingesteld worden op de gewenste waarde. Wanneer deze ingestelde waarde

overschreden wordt, dan valt de enable voor de drivers weg (voor meer info zie paragraaf 4.4).

De gemeten resultaten zijn te zien in Figuur 5.8. Uit de grafieken blijkt duidelijk dat het ge-

wenste gedrag van de stroommeting bereikt wordt. Wanneer de gemeten stroom de streepjeslijn

overschrijdt, dan valt het enable signaal op een lage waarde. Hierdoor schakelen alle drivers een

tijdlang uit.


Figuur 5.8: Uitschakeling van enable signaal bij stroom die de instelwaarde overschrijdt

5.4 BLDC als motor

Nu de afzonderlijke delen van de controller getest zijn kunnen de eerste testen met de BLDC

als motor gestart worden. Wanneer de ML4425 stroom aangeboden krijgt op pin 14 (VDD),

dan wordt er eerst in allign mode gegaan. Hierbij wordt de bovenste schakelaar van fase B

gesloten en de onderste van fase A en C. Hierdoor wordt de rotor 30 elektrische graden voor de

eerste commutatiestap gealligneerd. De duur van deze fase wordt ingesteld door een condensator

naar de nulpotentiaal, verbonden aan pin 17 van de ML4425. Deze condensator werd in eerste

instantie groot gekozen, zodat de overgang tussen de verschillende stadia van motorwerking

duidelijk was. Deze kan echter gevoelig verkleind worden, aangezien bij hoge spanningen de

stroom in de motor sterk oploopt tijdens deze alligneringsfase. De ingebouwde stroomregeling

in het controller bord beperkt echter de maximale stroom.Dit is dus geen gevaarlijke situatie.

Het volgend stadium in motorwerking is de zogenaamde ramp mode. Tijdens dit stadium wordt

de BLDC als stappenmotor aangedreven en wordt de snelheid opgedreven. De ML4425 laat

toe zowel de duur van dit stadium, als de gebruikte versnelling in te stellen door condensatoren


verbonden aan respectievelijk pin 19 en pin 21. Wederom werd de duur van dit stadium groot

genomen zodat de motor zeker aangelopen was. Het doel van deze ramp mode is de motor snel

genoeg te laten draaien zodat de tegen EMK voldoende groot is om de positie van de rotor te

kunnen schatten via het PLL circuit.

De stroomvorm in een fase, samen met de aangelegde gatesignalen, is te zien in Figuur 5.9.

Merk hier echter op dat een deel van de pieken die te zien zijn, een artefact zijn van de digitale

oscilloscoop met galvanisch gescheiden kanalen.

Figuur 5.9: Stroomvorm in een fase tijdens motorwerking

De opstelling werd gebruikt om enkele karakteristieken van de BLDC op te meten. De motor

werd eerst in nullast getest, daarna werd een gelijkstroommachine aangekoppeld die een constan-


te laststroom leverde. Zo werd een constant lastkoppel op de BLDC opgedrongen, onafhankelijk

van de snelheid. Het resultaat is te zien in Figuur 5.10.

Figuur 5.10: Spanning-snelheidsgrafiek van de BLDC als motor

5.5 BLDC als generator

Het hoofddoel van dit eindwerk is de BLDC als generator te laten werken. In eerste instan-

tie werd de BLDC getest met een variabele weerstandslast. Alle drivers van de transistoren

werden uitgeschakeld, zodat enkel de vrijloopdiodes geleidden. De converter werkt dan als een

ongestuurde gelijkrichterbrug zoals weergegeven in Figuur 5.11. De opgemeten waarden van de

spanning-snelheidskarakteristiek zijn weergegeven in Figuur 5.12.


Figuur 5.11: Schematische voorstelling van generatortest met enkel de vrijloopdiodes

Figuur 5.12: Spanning-snelheidsgrafiek van de BLDC als generator waarbij enkel vrijloopdiodes

gebruikt worden

Er blijkt duidelijk uit de spanning-snelheidskarakteristiek dat de gegenereerde spanning bij lage

snelheden niet voldoet aan onze wensen. We willen immers dat de motor genereert bij een DC-

busspanning van ongeveer 350 V, ongeacht de generatorsnelheid. Daarom wordt de spanning

waarbij de motor genereert verhoogt d.m.v. een boostprincipe (zie ook Paragraaf 4.2.2). De


opstelling wordt gewijzigd zoals te zien in Figuur 5.13. Hierbij wordt de driefasige voeding zo

ingesteld dat de spanning na de converter vast ligt op 350 V. De stroom die de generator levert

wordt gemeten door de spanningsval over een shunt van 0.2 Ω te meten.

Figuur 5.13: Schematische voorstelling van generatortest bij vaste generatorspanning

Tijdens de werking wordt eerst stroom opgebouwd in de generator door alle MOSFETs te sluiten

en zo de fasen kort te sluiten. Wanneer de stroom in de fase de ingestelde wenswaarde bereikt,

openen de MOSFETs terug zodat de vrijloopdiodes een ongestuurde driefasige gelijkrichterbrug

vormen en er stroom naar de last loopt. Deze wenswaarde bepaalt ook het lastkoppel die op de

aandrijvende motor aangelegd wordt en bepaald het vermogen dat gegenereert wordt. Dit is hoe

de expander dient te werken. De drukverhouding wordt namelijk bepaalt door het lastkoppel.

Aangezien we deze drukverhouding constant willen houden, dient ook het lastkoppel constant

gehouden worden.


Figuur 5.14: snelheid-spanningskarakteristiek bij vaste generatorspanning

De stroomvorm tijdens werking in deze modus is te zien in Figuur 5.15. Hier is duidelijk te zien

dat de controller de stroom begrenst op de ingestelde waarde van 10 A, wat overeen komt met

een spanning van 3 V. Een deel van de pieken in deze stroomvorm zijn terug te wijten aan de

gebruikte oscilloscoop.

Figuur 5.15: Stroomvorm tijdens generatorwerking bij vaste spanning


5.6 Overschakeling tussen motoren generatorwerking

Tijdens het normale gebruik van de installatie dient de BLDC het systeem als motor aan te

drijven tot de snelheid hoog genoeg voor de expander. Daarna wordt de controller in genera-

tormodus geschakeld. Dit gebeurt in dit eindwerk manueel. In een verdere uitwerking van dit

project kan dit signaal van een centrale controller komen. Deze omschakeling werd getest met

de converter als ongestuurde brug geschakeld. De resulterende stroomvorm is te zien in Figuur

5.16. Hier is duidelijk te zien dat de huidige controller moeiteloos overschakelt en er enkel een

grotere stroom in de BLDC loopt. De stroom is evenredig met de spanning die gemeten werd

over de weerstand R1 (zie Figuur 5.6).

Figuur 5.16: Opgemeten stroomvorm bij omschakeling tussen motoren generatorwerking

Hoofdstuk 6

Verdere ontwikkelingen

In dit hoofdstuk worden enkele toekomstperspectieven van het ontwikkelde systeem in de micro-

WKK installatie onder de loep genomen.

Om de installatie operationeel te maken dient er nog een superviserende regeling ontwik-

keld te worden. Deze regeling zal aan de hand van de warmtevraag van de gebruiker,

de pelletbrander sturen. Door de brander te moduleren zal er een andere drukval in de

expander bekomen worden, zodat ook het tegenkoppel, geproduceerd door de werkende ge-

nerator, aangepast dient te worden. De huidige controller zou zo aangepast kunnen worden

dat de potentiometer, die nu de maximale stroomwaarde instelt tijdens generatorwerking,

vervangen wordt door een ingangssignaal gegenereerd door deze superviserende control-

ler. Ook de beslissing om de generatorwerking te activeren, de snelheidswenswaarde en

de stroomlimiet in motorwerking kunnen overgenomen worden door deze superviserende

controller.

De generator zou, samen met de expander, de fluıdumpomp en eventueel de oliepomp, sa-

men in een hermetiek geplaatst kunnen worden. Hierdoor is een standaard BLDC machine

niet geschikt als generator en moet er dus een op maat gemaakte generator ontwikkeld

worden. Er wordt gekozen voor een axiale-flux PM machine. Dit type machine heeft na-

melijk een nog hogere koppel/gewicht verhouding dan de gebruikte BLDC machine. Dit

ontwerp moet echter kunnen weerstaan aan de olie, het fluıdum en de hoge temperatuur

die in deze hermetiek heersen. Dit is het onderwerp van de scriptie van Bart Wymeersch

in het academiejaar 2008-2009.

56

Hoofdstuk 7

Besluit

Het doel van dit eindwerk was het ontwikkelen van een gecombineerde motoren generatorsturing

voor een BLDC in het kader van een micro-WKK installatie. Naast het helpen ontwikkelen

van de schakeling heb ik ook een werkend prototype van deze sturing ontwikkeld, gedebugged

en uitgetest. De sturing werd gebouwd rond een bestaande motorcontroller, de ML4425 van

Fairchild Semiconductor, waarrond een circuit opgebouwd werd die aan de gestelde eisen voldeed.

De controller werd getest op een BLDC machine bij volle werkingsspanning en voldeed aan alle

eisen.

Het belangrijkste aspect aan dit eindwerk is voor mij echter de opgedane kennis en praktische

vaardigheden. Door de doorgedreven technische aard van dit project heb ik de horizon van

mijn opleiding kunnen verbreden. Ik leerde niet alleen een meer gedetailleerde werking van

vermogenselektronische componenten, ook heb ik leren werken met gespecialiseerde software,

nodig voor het ontwerp en het realiseren van PCB’s. Een ander leerrijk facet van dit eindwerk

was de praktijkervaring in het overwinnen van de vele moeilijkheden tijdens het debuggen van

elektrische schakelingen. Hierdoor is mijn kennis in analoge schakeling gegroeid gedurende dit

thesisjaar.

Na deze boeiende scriptie kan ik, gewapend met de opgedane kennis en vaardigheden, een suc-

cesvolle studietijd afronden.

57

Bijlage A

Stirling Principe

Een Stirling motor is een motor, aangedreven door een externe warmtebron, waarbij een gas-

vormig fluıdum een gesloten cyclus maakt. Deze gesloten cyclus betekent dat het fluıdum zich

continu binnen het systeem bevindt. De motor werkt met iedere externe warmtebron om een

koppel op een uitgaande as te realiseren. Via het gebruik van een zogenaamde “regenerator”

kan de thermische efficientie van het systeem verhoogd worden [29].

De Stirling motor is al bijna twee eeuwen in gebruik in toepassingen van laag vermogen. Een

van de belangrijkste voordelen van deze motor is de hoge theoretische efficientie van het sys-

teem, maar dit theoretische maximum is moeilijk haalbaar in werkelijke motoren. Wanneer het

gebruikte fluıdum lucht is wordt deze motor ook wel “warmelucht motor” (“hot air engine”) ge-

noemd. Echter ook motoren op basis van andere principes, zoals de Brayton of Ericsson cyclus,

krijgen ook wel deze naam.

Een typische Stirling motor bestaat uit 2 luchtdichte cilinders waarvan er een verwarmd is door

een externe warmtebron en de ander gekoeld (d.m.v. water of een andere koelvloeistof). In beide

cilinders bevindt er zich een zuiger waarvan de zuigerstangen aan elkaar verbonden zijn met een

faseverschil van 90. De twee cilinders hebben 1 inlaat/uitlaat voor het werkingsfluıdum die aan

elkaar verbonden is zodat het fluıdum binnen de motor opgesloten is.

Het principe van de Stirling motor is te zien in Figuur A.1

58

Bijlage A. Stirling Principe 59

Figuur A.1: Werkingsprincipe van een Stirling motor

De Stirling cyclus bestaat uit 4 stappen [10]:

het fluıdum is opgewarmd in de warme cilinder en is hierdoor uitgezet. Deze expansie gaat

verder in de koude cilinder (stap a). Hierdoor wordt arbeid verricht op de uitgaande as

het fluıdum is op zijn maximaal volume. De zuiger in de warme cilinder begint het flu-

idum naar de koude cilinder te verplaatsen (stap b). Hierdoor koelt het fluıdum en daalt

de druk.

het grootste deel van het fluıdum bevindt zich in de koude cilinder. De temperatuur van

het fluıdum daalt verder. De zuiger in de koude cilinder, aangedreven door de kinetische

energie opgeslagen in het vliegwiel op de uitgaande as, drukt het gas samen (stap c).

het fluıdum is op zijn minimaal volume. Het fluıdum wordt terug opgewarmd in de warme

cilinder en zal expanderen in de volgende arbeidsslag (stap d).

De cyclus kan ook voorgesteld worden in een druk-volume diagramma en in een temperatuur-

entropie diagramma. Dit is weergegeven in Figuur A.2 [29].

Bijlage A. Stirling Principe 60

Figuur A.2: De Stirlingcyclus in een druk-volume en temperatuur-entropie diagramma

Het thermisch rendement kan nog verhoogd worden door het toevoegen van een zogenaamde

“regenerator” tussen de warme en de koude cilinder (zie Figuur A.3) [30]. De werking van dit

element is als volgt: wanneer het warme fluıdum door de regenerator vloeit, warmt deze op.

Het is als het ware een opslag van thermische energie. Hierdoor koelt het fluıdum af en dient er

minder warmte verwijdert te worden in de koude cilinder. Wanneer het fluıdum van de koude

naar de warme cilinder terug stroomt, wordt de opgeslagen thermische energie terug afgegeven

aan het fluıdum. Hierdoor verwarmt het fluıdum en koelt de regenerator terug af.

Figuur A.3: Stirling motor voorzien van een regenerator

Bijlage B

Het fasevergrendelingsprincipe

(Phase-Locked Loop)

Het doel van een PLL is het genereren van een welbepaalde frequentie in een oscillerend netwerk

die gelijk is aan de frequentie van het ingangssignaal [31]. Wanneer de PLL de juiste frequentie

bereikt heeft, dan zal elke verandering van de frequentie van het ingangssignaal te zien zijn als

een verandering in de fase tussen de frequentie van het oscillerende netwerk en de frequentie

van het ingangssignaal. Deze faseverschuiving wordt als foutsignaal gebruikt om de frequentie

van het oscillerende netwerk van de PLL te veranderen om terug de frequentie van het ingangs-

signaal te bereiken. Dit streven naar een vast faseverschil tussen de oscillator van de PLL en

het ingangssignaal heeft dit circuit de naam fasevergrendeling opgeleverd. Een schematische

voorstelling van een PLL systeem is te zien in Figuur B.1.

61

Bijlage B. Het fasevergrendelingsprincipe (Phase-Locked Loop) 62

Figuur B.1: Blokschema van een PLL

Een typisch PLL systeem bestaat uit 4 delen:

Een fase detector: dit is een niet-lineair onderdeel met als uitgang een signaal pro-

portioneel met het faseverschil tussen de 2 oscillerende ingangssignalen. De ingang is het

referentiesignaal en de uitgang van de VCO. De fasefout wordt gebruikt als de regelende

spanning voor de VCO.

Een spanningsgestuurde oscillator (VCO): dit is een niet-lineair onderdeel die een

uitgangsfrequentie genereert op basis van een laagfrequent spanningssignaal aan de ingang.

Een lusfilter: dit is niet strikt noodzakelijk (indien dit niet aanwezig is spreekt men van

een eerste-orde PLL). Vaak wordt het echter wel toegepast aangezien de motorsturing een

laagdoorlaatkarakteristiek nodig heeft om goed te kunnen functioneren. De “speed FB”

heeft reeds een stroombronkarakter als uitgang. Het filter mag geen zuivere integrator zijn

omdat dan geen fasemarge overblijft. De overgangs van frequentie naar fase is immers

reeds een integratie. RspeedFB en CspeedFB zorgen voor de nodige voorijling in het gebied

waar de kringversterking gelijk aan 1 wordt (fasemarge).

Terugkoppeling: De fase detector heeft de uitgang van de VCO nodig als ingangssignaal


Figuur B.2: detail van de lusfilters gebruikt bij het PLL principe in de ML4425

Figuur B.3: Toepassing van het PLL principe op basis van de tegen EMK in de ML4425

Dit algemeen PLL principe wordt toegepast door de ML4425CS zoals te zien is in Figuur B.3.


Het lusfilter is van tweede orde. Dit is de minst complexe vorm van het lusfilter en laat toe om

de waarden voor de componenten expliciet op te lossen op basis van de verwachte prestatie van

de PLL. In [17] en [22] worden ze berekend als volgt:

C1 = 0.25× K01√M×

(N2

S

ln( d100)2 × f2

V CO

)

R2 = 2×M × ln(

d

100

)× fV CO

NS ×KO1 × (1−M)

C2 = C1 ∗ (M − 1)

met:

fV CO: VCO frequentie voor gemiddelde motor snelheid

M: spreiding tussen de pool en de nul in het lusfilter

NS: aantal PLL cycli nodig om tot op d procent van de gewenste frequentie terug te keren

na een stap in het faseverschil

d: de PLL zal tot op d procent gesettled zijn na NS cycli

KO1: een constante afhankelijk van de motor en de toepassing

Om een goede efficientie van het PLL system te verkrijgen, moeten niet enkel de lusfilter compo-

nenten aangepast worden, ook de componenten van de VCO moeten aangepast worden. De VCO

genereert een TTL compatibele klok uitgang op de VCO/TACH pin van de ML4425 proporti-

oneel aan de VCO ingangsspanning. De versterking van spanning naar frequentie (Kv, VCO

constante) wordt bepaald door een 80.6 kΩ weerstand op de RV CO pin (pin 16 op de ML4425)

en een condensator op de CV CO pin (pin 15). Door de weerstand wordt een bepaalde stroom

ingesteld. Via een stroomspiegel wordt deze stroom dan naar condensator geleid die hierdoor

open ontlaadt tussen de grenzen van 2.3 V en 4.3 V. De resulterende driehoeksgolf op CV CO

correspondeert met de klok van de VCO. Kv dient zo ingesteld te worden dat de VCO uit-

gangsfrequentie overeen komt met de maximale commutatiefrequentie of met andere woorden,

de maximale motorsnelheid wanneer de ingangsspanning van de VCO gelijk is aan VREF . CV CO

wordt dan berekend als:


CV CO =6.5 V × 3.101.10−6

0.05×N × SPEEDMAX

Met N het aantal polen van de BLDC motor.

Als SPEEDMAX=2500 rpm en de motor 10 polen heeft dan is

CV CO =6.5× 3.101.10−6

0.05× 10× 2500= 16.1 nF

In [14] werden volgende waarden gebruikt

C1 = 1 µF C2 = 2 µF R2 = 3.7 kΩ CV CO = 5.6 nF

De waarden voor deze componenten werden op basis van trail and error vanaf dit startpunt

bepaald. Wanneer de waarde voor CV CO daalde, verhoogde de maximale frequentie van de VCO

en verminderde de gevoeligheid. Wanneer C1 verminderd werd, verminderde de variatie van de

spanning in het uitgangsfilter waardoor de lus trager werd. C2 had invloed op de gevoeligheid

om de tegen EMK te detecteren. De uiteindelijk gekozen waarden zijn:

C1 = 470 nF C2 = 2.2 µF R2 = 3.9 kΩ CV CO = 6.8 nF

Bijlage C

Enkele foto’s van de opstelling

Figuur C.1: De driefasige blokgolfgenerator

66

Bijlage C. Enkele foto’s van de opstelling 67

Figuur C.2: Het volledig aangesloten systeem

Figuur C.3: Bovenzijde van de controller


Figuur C.4: Onderzijde van de controller

Figuur C.5: Detailbeeld van de watergekoeld convertor


Figuur C.6: Detailbeeld van de waterkoeling voor de convertor


Figuur C.7: De BLDC (rechts) gekoppeld aan de gelijkstroommachine via een riemkoppeling

Bibliografie

[1] W.Zittel, J. Schindler (2007) “Crude Oil: The supply outlook”

http://www.energywatchgroup.org

[2] A. Van den Bossche, J. Pieters (2007) “Micro Dry-Bio CHP” artikel in opbouw

[3] N. Devriendt, M. Geurds, G. Vanuytsel (2005) “Mogelijkheden en potentieel van pellets in

Vlaanderen” Eindrapport, ANRE

[4] J. Harrison (2004) “Micro Combined Heat & Power (CHP) for housing 3rd International

Conference on Sustainable Energie Technologies, Nottingham, UK

[5] B. Van Colen, R. Meysman, M. Vanalderweireldt (2007) “Businessplan NanoPellet” op-

dracht voor de cursus “Inleiding tot bedrijfs- en productiebeheer”, docent Prof. dr. ir.

Hendrik Van Landeghem, Universiteit Gent

[6] “Combined Heat and Power” (2008) The Institution of Engineering and Technology

http://www.theiet.org/factfiles

[7] M.T. Hansen “Combined Heat and Power”

[8] Dr. Eleni Konstantinidou “Micro Combined Heat and Power Systems with combustion

engines for singlefamily and multi-family houses State of the art, R&D, Market” VDI-

GET, D”usseldorf

[9] A. Van den Bossche, B. Meersman (2007) “An improved combined heat power system”

European patent Oganisation EPO op 9 July 2007 Submission number 413219 PCT appli-

cation number PCT/EP2008/058950 Date of receipt 09 July 2008

[10] M.J. Moran, H.N. Shapiro (1998) “Fundamentals of engineering thermodynamics” John

Wiley & Sons

71

Bibliografie 72

[11] R. Condit “Sensorless BLDC Control With Back-EMF Filtering” Microchip Technology

Inc.

[12] W. Brown (1994) “Brushless DC Motor Control Made Easy” Microchip Technology Inc.

[13] J.R. Hendershot and T.J.E.Miller (1994) “Design of brushless permanent-magnet motor”

Oxford University Press Inc., New York

[14] E. Ozkop (2006) “Sensorless BLDC Control of Permanent Magnet Axial Flux Motor”

Afstudeerwerk, faculteit toegepaste wetenschappen, EELAB

[15] P. Yedamale (2004) “Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals” Microchip Technology

Inc.

[16] K.Y. Cheng and Y.Y. Tzou (2003) “Design of a sensorless commutation IC for BLDC

motors” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 18, no.6

[17] “ML4425 sensorless BLDC motor controller datasheet” Fairchild Semiconductor Corpora-

tion (2001)

[18] A. Van den Bossche (2008) “Electric drives: DC + Special” IVPV Energie-efficientie in de

industrie: Module 3: Aandrijving en regeling Universiteit Gent, EELAB, EESA, IR08

[19] J. Shao (2003) “Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC (BLDC)

Motor Drives” Thesis, Virginia Polytechnic Institute and the State University

[20] M. Naidu, T. W. Nehl, S. Gopalakrishnan and L. Wurth (2005) “Electric Compressor

Drive with Integrated Electronics for 42 V Automotive HVAC Systems” 2005 SAE World

Congress Detroit, Michigan

[21] “Current Transducer LA 55-P” LEM components

[22] J. DeFiore (1996) “Using the ML4425/ML4426 BLDC Motor Controllers” Application

Note 42004

[23] A. S. Marinov (2008) “Power electronic converters for Combined Heat and Power” Thesis,

Technical University of Varna

[24] D.L. Jones (2004) “PCB design tutorial” http://www.alternatezone.com

[25] A. Van den Bossche “Vermogenselektronica” cursus gedoceerd aan de Universiteit Gent

Bibliografie 73

[26] K. Mitzner (2007) “Complete PCB design using OrCAD Capture and Layout” Newnes

[27] TLC555 datasheet (2001) Texas Instruments

[28] CD4017BC datasheet (1997) Fairchild Semiconductor

[29] “Stirling engines function principle” http://engine.stirling.cz

[30] “Stirling engine (or hot air engine)” http://library.thinkquest.org/C006011...

.../english/sites/stirling.php3?v=2

[31] J. A. Connelly (1988) “An overview of the phase-locked loop (PLL)” Philips Semiconductors

Sturing van een borstelloze PM generator - lib.ugent.be · Brecht Van Colen Sturing van een...

Documents

Transcript of Sturing van een borstelloze PM generator - lib.ugent.be · Brecht Van Colen Sturing van een...