Napęd silnika synchronicznego z przełączalnym oporem sterowany wydajnościowo przy użyciu wieloportowego konwertera kaskadowego i zaawansowanej metody bezpośredniego sterowania momentem

Dlaczego gładkość napędów elektrycznych ma znaczenie

W miarę jak pojazdy elektryczne stają się powszechne, oczekuje się od nich nie tylko czystości i wydajności, lecz także cichego, płynnego i niezawodnego działania. Obiecującym typem silnika dla przyszłych EV jest silnik z przełączalnym oporem, który jest wytrzymały, tani i nie wymaga magnesów z pierwiastków ziem rzadkich. Jednak takie silniki mogą generować skokowy moment i dodatkowe drgania, co pogarsza komfort jazdy i obciąża elementy mechaniczne. W artykule przedstawiono nowe rozwiązanie zasilania i sterowania tych silników, dzięki któremu pracują one płynniej, tracą mniej energii i lepiej nadają się do wymagających zadań trakcyjnych w samochodach.

Inny typ silnika elektrycznego

Badanie koncentruje się na silnikach z przełączalnym oporem, które wewnętrznie znacznie różnią się od bardziej znanych maszyn z magnesami trwałymi. Zamiast magnesów na wirniku, te silniki wykorzystują skłonność wirnika do ruchu w kierunku obszarów, gdzie ścieżki magnetyczne są łatwiejsze — obszarów o wyższej indukcyjności. Poprzez sekwencyjne załączanie i wyłączanie prądów w kilku uzwojeniach stojana, sterownik pociąga wirnik i wytwarza moment. Konstrukcja ta jest odporna, prosta i tania w produkcji oraz unika zależności od materiałów rzadkich. Jednak szybkie przełączanie i silnie nieliniowe właściwości magnetyczne silnika mogą powodować duże tętnienia momentu i prądu, wywołując hałas, wibracje i dodatkowe zużycie w pojazdach elektrycznych.

Nowy „mostek” zasilający silnik

Aby okiełznać te problemy, autorzy przeprojektowali etap zasilania elektroniki łączący akumulator z silnikiem. Zamiast konwencjonalnego przetwornika dwupoziomowego, który ostro przyłożuje do każdej fazy pełne napięcie lub zerowe, proponują modułowy wieloportowy konwerter kaskadowy z nałożonymi podmodułami dla każdej fazy. Każda faza może teraz otrzymywać kilka pośrednich poziomów napięcia, nie tylko stan włączony lub wyłączony. Takie wielopoziomowe podejście wygładza przebieg napięcia, zmniejsza obciążenie elektryczne przełączników i izolacji oraz redukuje niepożądane harmoniczne prądu. Modularna struktura ułatwia też skalowanie i jest bardziej tolerancyjna na awarie, co ma znaczenie w krytycznych układach trakcyjnych pod względem bezpieczeństwa.

Inteligentniejsze sterowanie momentem w czasie rzeczywistym

Sprzęt zestawiono z udoskonaloną metodą bezpośredniego sterowania momentem, która działa jak szybkostrzelny dyrygent ruchu dla przełączników mocy. Zamiast powoli kształtować prądy przez tradycyjne pętle sprzężenia zwrotnego, bezpośrednie sterowanie momentem w czasie rzeczywistym estymuje strumień magnetyczny i moment silnika oraz wybiera spośród zestawu wzorców napięciowych w zależności od kierunku i siły żądanej zmiany momentu. W tej pracy autorzy opracowali szczegółowe modele matematyczne nieliniowego zachowania silnika i uporządkowali możliwe wzorce napięciowe w osiem sektorów i osiem wektorów. Niestandardowa tabela przełączania wybiera następnie najlepszy wzorzec z konwertera wielopoziomowego w każdej chwili, utrzymując moment i strumień wewnątrz wąskich pasm przy minimalizacji niepotrzebnego przełączania.

Od modelu komputerowego do rzeczywistego stanowiska badawczego

Zespół weryfikuje podejście na dwóch etapach. Najpierw buduje szczegółową symulację czterofazowego, 8/6 silnika z przełączalnym oporem napędzanego przez nowy konwerter i schemat sterowania w MATLAB/Simulink. Analizują prędkość, moment i prądy fazowe podczas pracy ustalonej i szybkich zmian prędkości oraz porównują wyniki z konwencjonalnym konwerterem. Następnie konstruują laboratoryjny układ o mocy 2,2 kW z przemysłowymi modułami mocy, czujnikami i enkoderem. Eksperymenty obejmują stałą pracę przy 1000 obrotów na minutę, skokowe zmiany między 400, 1400 i 2400 obr./min, a także przyspieszanie, hamowanie i zaburzenia obciążenia. We wszystkich tych testach nowy napęd utrzymuje prędkość z dużą dokładnością, jednocześnie generując wyraźnie czystsze przebiegi prądu i płynniejszy moment.

Co te usprawnienia oznaczają na drodze

W ujęciu ilościowym proponowany konwerter i sterowanie redukują tętnienia momentu do około 41,5 procent w porównaniu z konstrukcją konwencjonalną, obniżając wartości tętnień do mniej więcej 16–25 procent w zależności od prędkości i obciążenia. Równocześnie system wykazuje szybszą reakcję na zmiany żądań kierowcy, ograniczone przeregulowanie przy zmianach prędkości oraz nieco lepszą sprawność, przy pracy z ustaloną i przewidywalną częstotliwością przełączania. W praktyce oznacza to, że pojazd elektryczny z takim napędem mógłby przyspieszać i zwalniać płynniej, generować mniej hałasu i wibracji oraz mniej obciążać swoje komponenty. Chociaż nowe rozwiązanie sprzętowe jest bardziej złożone i droższe niż standardowe konwertery, autorzy argumentują, że połączenie odporności, płynności i precyzji sterowania czyni je silnym kandydatem do przyszłych wysokowydajnych systemów trakcyjnych.

Cytowanie: Deepak, M., Santhakumar, K., Sathiyasekar, K. et al. Performance-driven switched reluctance motor drive using multiport cascaded converter and advanced direct torque control scheme. Sci Rep 16, 12211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45141-9

Słowa kluczowe: silnik z przełączalnym oporem, napędy pojazdów elektrycznych, redukcja tętnień momentu, wielopoziomowy przetwornik mocy, bezpośrednie sterowanie momentem