Бесконтактные двигатели постоянного тока

Содержание

Конструктивные особенности

Этот тип электромотора имеет стандартную конструкцию. Она состоит из ротора, роль которого выполняет магнитный диск, статоров и подшипников. Все детали заключены в прочный корпус. Статор ВД аналогичен тому, что используется в асинхронных приборах. Основным его элементом выступает стальной сердечник, по периметру которого располагается обмотка из меди. От количества обмоток зависит, к какому типу будет относиться вентильный электродвигатель (однофазному, двухфазному, трёхфазному).

В зависимости от того, как витки обмотки располагаются в статоре, форма его электродвижущей силы может быть:

  1. Трапецеидальной (BLDC).
  2. Синусоидальной (PMSM).

Форма обмотки оказывает прямое влияние на способ питания двигателей. Изменение электрического тока также может происходить синусоидально либо трапецеидально.

Ротор представляет собой несколько магнитов с постоянным полем. Ранее для его производства применялись магниты из феррита. Но уровень их магнитной индукции достаточно мал, поэтому они были заменены на изделия из сплавов редкоземельных элементов, позволяющих достичь необходимого уровня индукции и одновременно сделать ротор более компактным.

Неотъемлемой частью любого вентильного двигателя является датчик положения ротора. В основе его работы может быть заложен:

  1. фотоэлектрический принцип;
  2. индуктивный принцип;
  3. эффект Холла и другие явления.

Фотоэлектрический датчик положения состоит из трёх стационарных фотоприемников, которые поочерёдно закрываются вращающейся шторкой. Её движение синхронно движению ротора. Благодаря двоичному коду, поступающему с датчика, ротор может фиксироваться в шести разных положениях. Преобразуясь в комбинацию управляющих напряжений, сигналы регулируют силовые ключи по особой схеме. Каждая фаза работы электродвигателя задействует два ключа, а подключёнными к сети являются две из трёх обмоток.

Датчик положения фотоэлектрического типа относится к категории самых распространённых, поскольку является практически безынерционным. Также он позволяет исключить запаздывание в канале обратной связи.

Принцип действия

В зависимости от особенностей конструкции и технических характеристик выделяют асинхронный, синхронный и индуктивный вентильный двигатель. Принцип работы каждого из них основывается на индуцировании непостоянных магнитных полюсов на роторе. При подаче напряжения начинается его вращение в соответствии с полюсами статора, вследствие чего сопротивление магнитного поля сводится к минимуму.

Сведения о состоянии ротора используются в качестве инструмента управления фазой подачи напряжения. Наложение сигналов на угловую ненасыщенную фазу индуктивности осуществляется таким образом, что её максимальное значение совпадает с минимальным сопротивлением полюса.

Чтобы высокие вольт-секунды не оказывали негативного действия на работающую электронику, следует предусмотреть ограничение фазного тока на невысоких скоростях двигателя. Роль ограничителей в этом случае выполняют датчики. При высоких скоростях необходимость в ограничении тока отпадает.

Выровненный угол управляющего напряжения одиночного импульса позволяет оптимизировать производительность оборудования. Процесс её преобразования наглядно демонстрируется в виде траектории реактивной энергии. Преобразованное в механическую энергию питание отвечает за мощностную область. Отключение электроэнергии приводит к тому, что избыточная либо остаточная энергия переходит к статору. Влияние магнитного поля на работающий вентильный электродвигатель является минимальным. Это отличает ВД от других аналогичных устройств.

Количество фаз

Вентильный электродвигатель, как и другие виды устройств, может функционировать от постоянного и переменного тока. Встречаются двигатели, рассчитанные на разное число фаз.

Однофазный относится к категории самых простых, имеющих минимальное количество связей с электроникой. Характеризуется наличием пульсаций, высоким крутящим моментом. Однофазный прибор не может запускаться на всех угловых позициях, используется в установках, где важна высокая скорость.

Двухфазный мотор активирует воздушный зазор, а при дополнительном настраивании в полюсах ротора создаётся асимметрия. Имеет высокий крутящий момент, который может спровоцировать негативные последствия во время эксплуатации.

Трехфазное устройство показывает эффективность при запуске и создании крутящего момента без задействования большого числа фаз. При наличии чётного количества полюсов оптимально подходит для техники, в которой важную роль играет высокая мощность при небольшой скорости работы (к примеру, для насосов). В процессе работы создаётся высокий крутящий момент и большой уровень шума.

Четырехфазный двигатель лишён недостатков из-за завышенного крутящего момента и наличия пульсаций. Однако характерная для него высокая мощность и стоимость не позволяет широко использовать такой мотор в различном оборудовании.

Быстродействующий вентильный двигатель с постоянными магнитами Текст научной статьи по специальности «Машиностроение»

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ. ПРИНЦИП ПРОЕКТИРОВАНИЯ

И.Е. Овчинников, Д.С. Анахин

В статье рассматриваются некоторые аспекты проектирования быстродействующих вентильных двигателей, даются результаты моделирования конкретного образца.

Вентильные двигатели (ВД) находят все более широкое применение в различных областях современной техники благодаря своей надежности, обусловленной отсутствием скользящих электрических контактов и хорошим регулировочным характеристикам, не уступающим характеристикам традиционных коллекторных машин постоянного тока .

Многими зарубежными и российскими фирмами созданы серии таких двигателей, предназначенные для привода подач металлорежущих станков, систем робототехники, автоматических технологических линий и других применений. Между тем, создание двигателей повышенного быстродействия все еще остается актуальным и имеет свою специфику.

В практике проектирования ВД обычно используется привязка стандартного ряда длительных моментов Мао к диаметру окружностей центров отверстий крепежного фланца, именуемого условно «диаметром фланца». Приблизительный характер привязки момента Мао к «диаметру фланца» БГ для двигателей с редкоземельными (РЗ) постоянными магнитами на роторе показан в табл. 1.

Таблица 1_

(мм) 63 75 100 115 130 165 215

МС0 Н*м 0,5 1,0 1,5 1,7 2,4 3,1 3,2 7,0 10,0 13,0 17,0 23,0 35,0 47,0 70,0

Улучшение динамических характеристик управляемого ВД возможно, главным образом, за счет уменьшения механической постоянной времени Тм= (JQо)/Mп, где J -момент инерции ротора (кгм2), йо — скорость идеального холостого хода (1/с), Мп — пусковой момент (Н*м). Ясно, что при заданной максимальной скорости йтах (а, следовательно, и скорости йо ~ 1,2-1,4йтах) и ограниченных возможностях по увеличению пускового момента Мп единственным рациональным средством является уменьшение момента инерции ротора ^ Это означает, во-первых, применение в роторе высокоэнергетических и достаточно дорогих РЗ магнитов, обеспечивающих максимальный поток возбуждения при минимальной массе магнитов, а во-вторых, необходимость уменьшения диаметра ротора при сохранении, как будет показано далее, его объема. Последнее условие предопределяет и особенность конструкции быстродействующих двигателей -это длинные машины с большим отношением активной длины ротора 1а к его диаметру А:

_ К

£макс_ ^ ‘ г

Учитывая сказанное, можно заметить, что создание быстродействующих двигателей должно предполагать смещение шкалы моментов в табл. 1 в сторону меньших диаметров фланца, а, значит, и меньших диаметров роторов.

Практика проектирования ВД выработала привязку не только ряда моментов к диаметру фланца, но и привязку размеров поперечной геометрии двигателя к данному диаметру фланца. Эта привязка, конечно, не является абсолютно четкой, однако дает хороший ориентир при выборе соответствующих размеров. Пример привязки диаметра ротора Бг и наружного диаметра пакета статора Ба к диаметру фланца Б1 приведен в табл. 2.

_Таблица 2

Диаметр фланца D, мм 63 75 100 115 130 165 215

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Диаметр пакета Da, мм 48 62 80 97 110 130 172

Диаметр ротора Dr, мм 26 33 43 52 60 70 93

При проектировании ВД повышенного быстродействия, учитывая сказанное, необходимо по заданному длительному моменту двигателя М^0 выбрать диаметр фланца Б/ из табл. 1, смещая Б/ на один столбец влево. Например, если задан Мм = 1,7 Н*м, то из табл. 1 следует выбрать Б/ = 75 мм, а не Б/ = 100 мм, как это было бы для ВД «нормального» быстродействия. Далее для выбранного диаметра фланца Б/ из табл. 2 следует выбрать диаметр ротора Бг и диаметр пакета Ба. На этом заканчивается первый этап проектирования.

На втором этапе следует определить объем магнитов ротора, который был бы устойчив против размагничивающего действия потоков реакции якоря при любых переходных режимах, в том числе при авариях. Минимально допустимый объем магнитов по условиям устойчивости против размагничивающего действия реакций якоря определяется по формуле

М ■ (а + к ■ ^ ■ ^ ■ От )

тах I» ~ ^ ц Т гл

у =_ц0 Ьт (1)

т з ‘ ^ ‘

— Р • k01 • Br ‘ Hc • hp

<-01′ r ‘ c ‘ ря

П

Здесь Mmax — максимальный момент двигателя, отвечающий максимальному току реакции якоря. Обычно Mmax ~ (4-6) Md0; Br, Hc — остаточная индукция (Т) и коэрцитивная сила магнита (А/м) с линейным участком кривой размагничивания; цг= Br/Hc — внутренняя проницаемость магнита, Г/м; ц0= 4лх10-7 — проницаемость вакуума, Г/м; кц — коэффициент насыщения магнитной цепи, принимаемый на исходном этапе 1,1-1,15; о -коэффициент рассеивания потока, принимаемый на уровне 1,1-1,2; Ls= 25к8 — эквивалентная длина двух зазоров 5 с учетом коэффициента Картера к5~1,3-1,35; Lm — средняя длина магнитов на пару полюсов; Q5, Qm — площадь зазора и площадь поперечного сечения магнита, через которую проходит поток на пару полюсов (в формуле (1) принимается Qm/Q5~0.8-0.9; L5/Lm~0,05-0,07); р — число пар полюсов ротора, выбираемые для нашего случая р=3 или р=4; ко1 — обмоточный коэффициент фазы (ко1~ 0,91-0,95); Иря -относительная величина, характеризующая реакцию якоря и вычисляемая по формуле F

h =_Р^-

ря Н т ‘ п с’ m

где F^= к IaWa — магнитодвижущая сила (МДС) реакции якоря, Ia — ток обмотки, wa -число витков обмотки. Как правило, можно принять h^= (0,6-0,8) о.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Определив объем магнита Км, можно найти относительную длину ротора:

8 =

Для магнитов дугообразной формы или в форме плашек, чаще всего применяемых для РЗ материалов, находим:

2 • Ут

Ж • Б3 • Си • Г1 — и

(2)

ъп

где коэффициент полюсной дуги, Сп — ——, Ьп — длина дуги магнита по окружно-

т

сти ротора, т — полюсное деление. Для числа зубцов г = 36 £п- 0,7 или =0,833; для г = 27 Сп -0,728.

Далее, зная Вг, р, £п, можно определить все геометрические размеры ротора (рис.1) и размеры плашек магнитов, образующих полюсную систему.

Рис.1. Ротор вентильного двигателя: 1г- длина ротора, йг — диаметр ротора,

Имг — высота плашки магнита

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Найденный объем магнита, а также основные геометрические размеры (В, /а= £Шт Вг), определяющие габариты двигателя, не гарантируют выполнения еще одного важного условия — рабочей температуры элементов конструкции (корпус, обмотка, магниты), не выходящей за пределы допустимых норм. Проверка выполнения этого условия составляет содержание третьего этапа проектирования.

ВД рассматриваемого применения предполагает только естественное охлаждение путем теплоотдачи выделяемого тепла с поверхности корпуса. Тепловой баланс двигателя определяется уравнением

Р — ао • % ^

(3)

Здесь Р( — мощность тепловых потерь, выделяемых в двигателе, Вт; ^ — суммарная поверхность охлаждения, м2; Д4 — превышение температуры корпуса над температурой окружающей среды, °С; а0- коэффициент теплоотдачи с поверхности двигателя, Вт/°С-м2. В практике проектирования ВД принята эмпирическая зависимость а0-0,067Д4+9. Обычно для класса изоляции Г принимается Д4 — 80-85°С .

В качестве потерь Р( в (3) учитываются только потери в меди, поскольку рассматривается наиболее тяжелый режим работы двигателя вблизи нуля скорости, когда остальные потери (в стали, на трение и др.) пренебрежимо малы.

Расшифровка левой части уравнения (3) позволяет свести ее к функции ( £ + / \

р — р •|£±/1 , (4)

где £ — относительная длина ротора, /1 — относительная (безразмерная) длина, зависящая от длины витка обмотки, отнесенной к диаметру ротора, Р0 — некоторая величина,

е

£

имеющая размерность мощности и зависящая от величины момента Мм, параметров магнита и геометрических размеров.

Анализ формулы показывает, что мощность потерь Р1: уменьшается с увеличением относительной длины ротора в. Это имеет простое физическое объяснение: с ростом в увеличивается поток двигателя, а, значит, уменьшается необходимое число витков обмотки для создания заданного момента М^0: М^0 = С^рФн1/ (ток I практически значительно изменен быть не может, так как он определяется мощностью двигателя Рдв= М’сюОмах, М’м обычно несколько меньше Мл с учетом потерь, возникающих при

скоростях, больших 0,250мах). Уменьшение числа витков приводит к возрастанию площади сечения каждого проводника в предположении постоянства коэффициента заполнения паза медью. Таким образом, увеличение в (увеличение потока Ф) приводит к уменьшению требуемого числа витков w, увеличению их сечения и уменьшению суммарного активного сопротивления обмотки Я0. Последнее приводит к уменьшению тепловых потерь

РТ = к ■ 12 • Я0,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где к=1.1—1.15 — коэффициент пульсационных потерь, учитывающих «негладкость» кривой тока двигателя.

Расшифровка правой части уравнения (3) также приводит к функции, зависящей от относительной длины в, поскольку площадь поверхности охлаждения зависит от длины корпуса 4, а, значит, и от параметра в. Таким образом, удается получить мощность потерь, рассеиваемых с поверхности корпуса, в виде

Ра = аД^в+В)+Во]. (5)

Приравнивая (4) и (5), получаем уравнение теплового баланса ‘ в + 11 >

Р о

в 2

= аД гк , (6)

которое следует разрешить относительно в. Полученное решение и определит ту относительную длину ротора или равную ей относительную длину пакета статора, которая обеспечит допустимый перегрев Atk, заданный нами в зависимости от класса изоляции двигателя (обычно К). Заметим, что величины к1, В\, Во зависят от известных или вычисленных ранее геометрических размеров корпуса и его ребер.

Рис. 2. Кривая потерь (1) и кривая рассеиваемой мощности (2)

Кривая 1 на рис. 2 показывает изменение потерь Р в зависимости от е, а кривая 2 — изменение мощности Ра, рассеиваемой с поверхности путем теплоотдачи (правая часть уравнения (6)). Пересечение кривых 1 и 2 определит требуемый минимальный параметр е»ш;п, обеспечивающий отсутствие перегрева двигателя. Сравнивая полученное значение с ранее определенным параметром е’ш;п, следует выбрать наибольшее из этих значений. Такой выбор одновременно удовлетворит двум условиям: устойчивость магнита против размагничивания током реакции якоря и обеспечение допустимого перегрева элементов конструкции двигателя.

После выбора параметра относительной длины е можем определить следующее расчетные величины: поток в зазоре на пару полюсов

ф5 —_В^_; (7)

5 „+* • ^• ^

ц ^0 (V )ср в 3

5э = к55 — эквивалентный воздушный зазор под полюсом; площадь сечения магнита

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

вт — -—С,пеВ2 ; длительный номинальный ток двигателя, соответствующий заданА А/ О А А А

^ Р

ному моменту Ый0,

1 — Ый0 Нср Ст ■ Р • ка1ф8 ■ V

В последней формуле Ст= зVз/тс — конструкционный коэффициент, а — число витков фазы, определяемое выражением

л., ^й )ш1п • шшах — —

ч —-‘

1 Ст • к01 • Р • ф5 • Чпах где (ий)ш;п — минимальное напряжение постоянного тока, подводимое непосредственное к обмотке двигателя на межкоммутационном периоде ик= тс/3, юшах = йшах/й0, й0 -скорость идеального холостого хода. В диапазоне моментов Ый0=1,0-13,0 Нм можно принять юшах = 0,75-0,83.

Далее следует выбрать сечение и диаметр провода, которые при найденном ранее числе витков обмотки 3. могут быть размещены в пазах статора при коэффициенте заполнения по меди в пределах не более кз = 0,35-0,4.

Четвертый этап предполагает уточненный расчет магнитной цепи машины с учетом ее насыщения и рассеивания потока. В результате расчета уточняется величина рабочего потока двигателя и, в случае необходимости, проводится корректировка обмоточных данных. Результаты расчета представлены в виде графиков на рис. 3. На этом рисунке Фм= /Гм) — кривая размагничивания магнита (для РЗ магнитов — прямая линия) в координатах «поток Фм — МДС Г». Ф5 — полезный поток в зазоре, сцепленный с обмоткой, Фб — поток рассеивания магнита. Ф^= Ф5 + Фб — суммарный поток с учетом рассеивания. Пересечение кривых Фм= /(Г и Фе=/2(Г) дает рабочую точку Ао, характеризующую поток на пару полюсов в нейтральном сечении магнита. Отрезок А0А1 характеризует полезный поток Ф5 в зазоре машины.

Если уточненная величина Ф5 будет отличаться более чем на 5-8% от расчетной величины потока Ф5, определенной ранее по формуле (7), то следует провести корректировку обмоточных данных с тем, чтобы выдержать соотношение

(Ф5^1)ет= (Ф5^1)нов,

где (Ф5.1)ст — расчетный поток и число витков фазы по старым данным, (Ф5.1)нов -уточненный поток и новое значение числа витков, соответственно.

На пятом этапе проводится уточненный расчет потерь двигателя, строятся, в случае необходимости, зоны работы в режимах 51, 52, 53.

На шестом этапе проводится расчет масс, моментов инерции и габаритов двигателя, определяются механические и электромагнитные постоянные времени.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 3. Определение рабочей точки с учетом насыщения магнитной цепи двигателя

На заключительном, седьмом этапе проводится построение механической характеристики двигателя. Механическая характеристика вентильного двигателя строятся на основе следующих безразмерных зависимостей момента и угла коммутации (эл. град.)

ц =1 ф(и — фю) г

(

(

и + фю у

Л

У = з х0ю1п г

1 —

у и — фю п) (

(8)

1 + 3 2

и -фю 1-е

— пг 3 х0ю

и + фЮ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

— пг

1 — 1е3 *0Ю 2

))

Здесь д — относительный момент, вычисляемый по формуле М М

Ц =

3л/3

п

■• Р •ко1 • ф5Н • Wl • 1п

(Мп )н

где (Мп)н — номинальный пусковой момент при нормальной температуре, Фбн — номинальный поток в зазоре при нормальной температуре, ф = Ф/ Фбн — относительный поток (ф ~ 1 — 0,00045*(^м г — 20°) — для материала БшСо ф ~ 1 — 0,00089*(Гм г -20°) — для материала ШБеВ).

При расчете характеристик по формулам (8) используются следующие безразмерные величины: ш=0/(00н) — относительная скорость, и = и /ин — относительное напряжение, г = Я^ / ^129 — относительное активное сопротивление фазы при температуре

I, отличной от нормальной температуры (20°С), Х0 — относительное индуктивное сопротивление фазы. При этом

(Ц))н =

3,13

Р^о1Ф5н Щ1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

— скорость идеального холостого хода при номинальном напряжении ин и нормальной температуре,

3 ¿1Р о)н

Х0 =

*1н

На основании выражений (8) строятся механические характеристики, отвечающие следующим условиям:

1. номинальное напряжение и нормальная температура двигателя («холодный» двигатель), й=1 , г = 1, р = 1;

2. номинальное напряжение и максимально допустимая температура двигателя («горячий» двигатель, температура обмотки I обм = 140°С, температура магнитов ¿мг= 110-120°С), й=1 , Г~ 1.48, р~ 0.92;

3. пониженное напряжение (определяется заданием), максимально допустимая температура двигателя, й <1 , г ~ 1.48, р ~ 0.92.

На рис. 4 показаны механические характеристики, построенные по формулам (8), для рассмотренных трех случаев состояния двигателя.

об Д

п, -1 V 1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

—о

горячим, и= игпп.п

М-

— И, Н ■ м

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

п

Рис. 4. Механические характеристики двигателя

В результате построения характеристик следует убедиться, что, по крайней мере, кривая режима продолжительной работы лежит внутри области, ограниченной механической характеристикой для наиболее тяжелых условий: и= ит{п и I = I тах.

Изложенный в статье подход был использован при проектировании быстродействующего ВД с длительным моментом Md0 = 1.7 Нм, допускающего максимальную рабочую скорость птах = 4000 об/мин.

В двигателе с числом фаз т=3 и числом 2р = 6 были использованы редкоземельные постоянные магниты из материала КёБеБ. Результаты проектирования в виде основных параметров двигателя и их сравнение с параметрами зарубежных аналогов представлены в табл. 3. Из приведенной таблицы можно видеть, что спроектированный двигатель по таким показателям, как удельный момент (момент на единицу массы) и момент инерции, превосходит зарубежные образцы. В значительной степени это объясняется тем, что изначально при проектировании двигателя был использован подход, обеспечи-

вающий уменьшение габарита по диаметру за счет увеличения осевого размера, а также увеличения соответствующих электромагнитных нагрузок.

Таблица 3

Параметр Ед., изм. Разработка ВоБсИ, Германия, ЯБ-В Я1ешеш, Германия, 1БТ5 Ваиши11ег, Германия, 1п^аша1, Германия, МАС-63

Длительный момент, Мм Нм 1,7 2,0 2,0 1,7 1,5

Диаметр фланца, Бг мм 75 115 115 115 115

Сторона квадрата фланца, аку мм 70 100 105 105 100

Момент инерции ротора, ^ Кгм2 10-4 4,3х10-4 4,5х10-4 2,1х10-4 3,2х10-4

Максимальная скорость, Пшах об/мин 4000 4000-5000 6000 6000 6000

Масса, Одв кг 3,3 6,5 6,4 5,9 3,9

Удельный момент на единицу массы, туд Нм/кг 0,51 0,31 0,31 0,29 0,39

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Принципиальная конструкционная схема двигателя показана на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная конструкционная схема двигателя: 1 — статор с обмоткой, 2 — тахогенератор и датчик положения ротора, 3 — ротор с постоянными магнитами,

4 — передний подшипниковый щит

Литература

1. Адволоткин Н.П., Овчинников И.Е. Вентильные двигатели с постоянными магнитами (электромеханическая часть). / Серия 01 «Электрические машины». М.: Инфор-мэлектро, 1986.

2. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. Л.: Наука, 1979.

3. Овчинников И.Е. Теория вентильных двигателей. Л.: Наука, 1985.

При выборе бесщеточного электродвигателя для своих разработок инженеры имеют несколько вариантов. Неправильный выбор может привести к провалу проекта не только на этапе разработки – испытания, но и после выхода на рынок, что крайне не желательно. Для облегчения работы инженеров мы сделаем краткое описание преимуществ и недостатков четырех наиболее популярных видов бесщеточных электрических машин: асинхронный электродвигатель (АД), двигатель с постоянными магнитами (ПМ), синхронные реактивные электродвигатели (СРД), вентильные реактивные электродвигатели (ВРД).

Содержание:

  • Асинхронные электродвигатели
  • Двигатели с постоянными магнитами
  • Реактивные синхронные двигатели
  • Вентильные реактивные электродвигатели

Асинхронные электродвигатели

Асинхронные электрические машины смело можно назвать костяком современной промышленности. Благодаря своей простоте, относительно низкой стоимости, минимальным затратам на обслуживание, а также возможности работать напрямую от промышленных сетей переменного тока, они прочно въелись в современные производственные процессы.

Сегодня существует множество различных преобразователей частоты с самыми различными алгоритмами управления, которые позволяют регулировать скорость и момент асинхронной машины в большом диапазоне с хорошей точностью. Все эти свойства позволили асинхронной машине значительно потеснить с рынка традиционные коллекторные двигатели. Вот почему регулируемые асинхронные электродвигатели (АД) легко встретить в самых различных устройствах и механизмах, таких как тяговый асинхронный электропривод, электроприводы стиральных машин, вентиляторов, компрессоров, воздуходувок, кранов, лифтов и многом другом электрооборудовании.

АД создает вращающий момент за счет взаимодействия тока статора с индуцированным током ротора. Но токи ротора нагревают его, что приводит к нагреванию подшипников и снижению их срока службы. Замена традиционной алюминиевой обмотки на медную не устраняет проблему, а приводит к удорожанию электрической машины и может накладывать ограничения на прямой ее пуск.

Статор асинхронной машины имеет довольно большую постоянную времени, что негативно сказывается на реагировании системы управления при изменении скорости или нагрузки. К сожалению, потери связанные с намагничиванием не зависят от нагрузки машины, что снижает КПД АД при работе с малыми нагрузками. Автоматическое уменьшение потока статора возможно использовать для решения данной проблемы — для этого необходим быстрый отклик системы управления на изменения нагрузки, но как показывает практика, такая коррекция не существенно увеличивает КПД.

На скоростях превышающих номинальную поле статора ослабевает из-за ограниченного напряжения питания. Вращающий момент начинает падать, так как для его поддержания будет требоваться больший ток ротора. Следовательно, управляемые АД ограничиваются диапазоном скорости для поддержания постоянной мощности примерно 2:1.

Механизмы, которые требуют более широкого диапазона регулирования, такие как: станки с ЧПУ, тяговый электропривод, могут снабжаться асинхронными электродвигателями специального исполнения, где для увеличения диапазона регулирования могут уменьшать количество витков обмотки, снижая при этом значения крутящего момента на низких скоростях. Также возможен вариант с использованием более высоких токов статора, что требует установки более дорогих и менее эффективных инверторов.

Немаловажным фактором при работе АД является качество питающего напряжения, ведь максимальный КПД электродвигатель имеет при синусоидальной форме питающего напряжения. В реальности преобразователь частоты обеспечивает импульсное напряжение и ток, похожий на синусоидальный. Проектировщикам стоит иметь ввиду, что КПД системы ПЧ-АД будет меньше, чем сумма КПД преобразователя и двигателя в отдельности. Улучшения качества выходного тока и напряжения повышают увеличением несущей частоты преобразователя, это приводит к снижению потерь в двигателе, но при этом возрастают потери в самом инверторе. Одним из популярных решений, особенно для промышленных мощных электроприводов, является установка фильтров между преобразователем частоты и асинхронной машиной. Однако это приводит к увеличению стоимости, габаритов установки, а также к дополнительным потерям мощности.

Еще одним недостатком асинхронных машин переменного тока является то, что их обмотки распределены на протяжении многих пазов в сердечнике статора. Это приводит к появлению длинных концевых поворотов, которые увеличивают габариты и потери энергии в машине. Эти вопросы исключены в стандартах IE4 или классах IE4. В настоящее время европейский стандарт (IEC60034) специально исключает любые двигатели, требующие электронного управления.

Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами (английский PMMS) создают крутящий момент благодаря взаимодействию токов статора с постоянными магнитами внутри или снаружи ротора. Электродвигатели с поверхностным расположением магнитов являются маломощными и используются в IT оборудовании, офисной технике, автомобильном транспорте. Электродвигатели со встроенными магнитами (IPM) распространены в мощных машинах, используемых в промышленности.

Двигатели с постоянными магнитами (ПМ) могут использовать концентрированные (с коротким шагом) обмотки, если пульсации вращающего момента не являются критичными, но распределенные обмотки являются нормой в ПМ.

Поскольку PMMS не имеют механических коммутаторов, то преобразователи играют важную роль в процессе контроля тока обмотки.

В отличии от других видов бесщеточных электродвигателей, PMMS не требуют тока возбуждения, необходимого для поддерживания магнитного потока ротора. Следовательно, они способны обеспечить максимальный крутящий момент на единицу объема и могут быть лучшим выбором, если требования к массо-габаритным показателям выходят на первый план.

К наибольшим недостаткам таких машин можно отнести их очень высокую стоимость. Высокопроизводительные электрические машины с постоянными магнитами используют такие материалы как неодим и диспрозий. Данные материалы относятся к редкоземельным и добываются в геополитически нестабильных странах, что приводит к высоким и нестабильным ценам.

Также постоянные магниты добавляют производительности при работе на низких скоростях, но являются «Ахиллесовой пятой» при работе на высоких. Например, при увеличении скорости машины с постоянными магнитами возрастет и ее ЭДС, постепенно приближаясь к напряжению питания инвертора, при этом снизить поток машины не представляется возможным. Как правило, номинальная скорость является максимальной для ПМ с поверхностно-магнитной конструкцией при номинальном напряжении питания.

На скоростях больше номинальной, для электродвигателей с постоянными магнитами типа IPM, используют подавление активного поля, что достигается путем манипуляций с током статора при помощи преобразователя. Диапазон скорости, в котором двигатель может надежно работать, ограничен примерно 4:1.

Необходимость ослабления поля в зависимости от скорости приводит к потерям независящим от вращающего момента. Это снижает КПД на высоких скоростях, и особенно при малых нагрузках. Этот эффект наиболее актуален при использовании ПМ в качестве тягового автомобильного электропривода, где высокая скорость на автостраде неизбежно влечет за собой необходимость ослабления магнитного поля. Часто разработчики выступают за применение двигателей с постоянными магнитами в качестве тяговых электроприводов электромобилей, однако их эффективность при работе в данной системе довольно сомнительна, особенно после вычислений связанных с реальными циклами вождения. Некоторые производители электромобилей сделали переход от ПМ к асинхронным электродвигателям в качестве тяговых.

Также к существенным недостаткам электродвигателей с постоянными магнитами можно отнести их трудно управляемость в условиях неисправности из-за присущей им противо-ЭДС. Ток будет протекать в обмотках, даже при выключенном преобразователе, пока вращается машина. Это может приводить к перегреву и другим неприятным последствиям. Потеря контроля над ослабленным магнитным полем, например при аварийном отключении источника питания, может привести к неподконтрольной генерации электрической энергии и, как следствие, к опасному возрастанию напряжения.

Рабочие температуры – это еще одна не самая сильная сторона ПМ, кроме машин, изготовленных из самарий-кобальта. Также большие броски тока инвертора могут привести к размагничиванию.

Максимальная скорость PMMS ограничивается механической прочностью крепления магнитов. В случае повреждения ПМ его ремонт, как правило, осуществляется на заводе изготовителе, так как извлечение и безопасная обработка ротора практически невозможна в обычных условиях. И, наконец, утилизация. Да это тоже доставляет немного хлопот после окончания срока службы машины, но наличие редкоземельных материалов в этой машине должно упростить этот процесс в ближайшем будущем.

Несмотря на перечисленные выше недостатки, электродвигатели с постоянными магнитами являются непревзойденными с точки зрения низкоскоростных мелкогабаритных механизмов и устройств.

Реактивные синхронные двигатели

Синхронные реактивные электродвигатели всегда работают только в паре с преобразователем частоты и используют тот же тип управления потоком статора, что и обычный АД. Роторы данных машин изготавливают из тонколистной электротехнической стали с пробитыми пазами таким образом, что бы они намагничивались с одной стороны меньше, чем с другой. Стремление магнитного поля ротора «соединится» с вращающимся магнитным потоком статора и создает вращающий момент.

Основным плюсом реактивных синхронных электродвигателей являются незначительные потери в роторе. Таким образом, хорошо спроектированная и работающая с правильно подобранным алгоритмом управления синхронная реактивная машина вполне способна соответствовать европейским стандартам премиум класса IE4 и NEMA, не используя при этом постоянных магнитов. Снижения тепловых потерь в роторе повышает крутящий момент и увеличивает плотность мощности, по сравнению с асинхронными машинами. Эти двигатели имеют низкий уровень шума благодаря низкому уровню пульсаций момента и вибраций.

Основным недостатком является низкий коэффициент мощности по сравнению с асинхронной машиной, что приводит к большей потребляемой мощности из сети. Это увеличивает затраты и ставит перед инженером сложную задачу, стоит ли применять реактивную машину или нет для конкретной системы?

Сложность в изготовлении ротора и его хрупкость делает невозможным применение реактивных электродвигателей для высокоскоростных операций.

Синхронные реактивные машины хорошо подходят для широкого спектра промышленных применений, которые не требуют больших перегрузок или высоких скоростей вращения, а также все чаще применяются для частотно-регулируемых насосов из-за повышенной их эффективности.

Вентильные реактивные электродвигатели

Вентильный реактивный двигатель (с английского SRM) создает вращающий момент за счет притягивания магнитных полей зубцов ротора к магнитному полю статора. Вентильные реактивные двигатели (ВРД) имеют относительно небольшое количество полюсов обмотки статора. Ротор имеет зубчатый профиль, что упрощает его конструкцию и улучшает создаваемое магнитное поле, в отличии от реактивных синхронных машин. В отличии от синхронных реактивных двигателей (СРД), ВРД используют импульсное возбуждение постоянного тока, что требует обязательное наличие специального преобразователя для их работы.

Для поддержания магнитного поля в ВРД необходимы токи возбуждения, что уменьшает плотность мощности по сравнению с электрическими машинами с постоянными магнитами (ПМ). Однако они все же имеют габаритные размеры меньшие, чем обычные АД.

Основным преимуществом вентильных реактивных машин является то, что ослабления магнитного поля происходит естественным образом при снижении тока возбуждения. Это свойство дает им большое преимущество в диапазоне регулирования при скоростях выше номинальной (диапазон устойчивой работы может достигать 10:1). Высокая эффективность присутствует у таких машин при работе на высоких скоростях и с малыми нагрузками. Также ВРД способны обеспечить удивительно постоянную эффективность в довольно широком диапазоне регулирования.

Вентильные реактивные машины обладают также довольно хорошей отказоустойчивостью. Без постоянных магнитов эти машины не генерируют неуправляемый ток и момент при неисправностях, а независимость фаз ВРД позволяет им работать с уменьшенной нагрузкой, но с повышенными пульсациями момента при выходе из строя какой-то из фаз. Это свойство может быть полезно, если проектировщики хотят повышенной надежности разрабатываемой системы.

Простая конструкция ВРД делает его прочным и недорогим в изготовлении. При его сборке не используются дорогие материалы, а ротор из нелегированной стали отлично подходит для суровых климатических условий и высоких скоростей вращения.

ВРД имеет коэффициент мощности меньший, чем ПМ или АД, но его преобразователю не нужно создавать выходное напряжение синусоидальной формы для эффективной работы машины, соответственно такие инверторы имеют меньшие частоты коммутации. Как следствие – меньшие потери в инверторе.

Основными недостатками вентильных реактивных машин являются наличие акустических шумов и вибрации. Но с этими недостатками довольно хорошо борются путем более тщательного проектирования механической части машины, улучшения электронного управления, а также механическое объединение двигатель – рабочий орган.

ВРД хорошо подходят для широкого спектра применения и их все чаще используют для обработки сверхпрочных материалов из-за большой перегрузочной способности и большого диапазона регулирования скоростей. Большая перегрузочная способность делает их все более привлекательными для использования в качестве тяговых электроприводов современных электромобилей. Также ВРД получили широкое распространение и в электробытовой технике.

Вентильный реактивный электродвигатель

Вентильный реактивный электродвигатель перед сборкой

Вентильный реактивный электродвигатель питается от преобразователя, который позволяет протекать току в обмотку двигателя через полупроводниковые ключи (вентили). Регулирующая система, которая регистрирует ток и положение ротора соответствующими датчиками, управляет полупроводниковыми ключами. Статор явнополюсный. Противоположные катушки питаются вместе и образуют фазу с северным и южным полюсами. Ротор представляет собой простую похожую на шестерню конструкцию без магнитов и щеток.

Магнитная конфигурация ВРДПринципиальная схема питания

При включении соответствующей полуобмотки на статоре крутящий момент действует на ротор и между обмотками статора и ротором образуется магнитная сила притяжения. Возбуждение катушки в нужный момент времени для создания крутящего момента наиболее эффективным способом обеспечивается системой управления по данным датчика положения ротора. При низком числе оборотов система управления работает в режиме «Choppermodus». При более высоком – управление работает в » режиме пульса «: при соответствующем положении ротора напряжение подается к катушкам на определенный промежуток времени.

Эта гибкость возбуждения двигателя позволяет улучшить качество управления и обеспечить высокую степень эффективности в области большого числа оборотов и крутящего момента. Датчик положения ротора служит также тахометром. Крутящий момент и число оборотов полностью регулируемы, что позволяет оптимально программировать их характеристики в пределах номинальной мощности. До сих пор системы возбуждения вентильного двигателя, из-за отсутствия достаточной стандартизации, могли применяться только в заказных, а не в массовых продуктах.

Достоинства

Вентильные реактивные электродвигатели/генераторы имеют следующие достоинства:

Простая конструкция

Ротор и статор выполнены в виде пакетов листового магнитомягкого материала. На роторе ВРД отсутствуют обмотки и постоянные магниты. Фазные обмотки находятся только на статоре. Для уменьшения трудоемкости катушки обмотки якоря могут изготавливаться отдельно, а затем надеваться на полюсы статора.

Высокая ремонтопригодность

Простота обмотки якоря повышает ремонтопригодность ВРД/ВРГ, т.к. для ремонта достаточно сменить вышедшую из строя катушку.

Отсутствие механического коммутатора

Управление электромеханическим преобразователем электропривода/генератора осуществляется с помощью высокоэффективных силовых полупроводниковых элементов — IGBT или MOSFET (HEXFET) транзисторов, надежность которых существенно превышает надежность любых механических деталей, например: коллекторов, щеток, подшипников.

Отсутствие постоянных магнитов

ВРД/ВРГ не содержит постоянных магнитов ни на роторе, ни на статоре, при этом он успешно конкурирует по характеристикам с вентильными электрическими двигателями с постоянными магнитами (ВЭДПМ). В среднем, при одинаковых электрических и весогабаритных характеристиках ВРД/ВРГ имеет в 4 раза меньшую стоимость, значительно большую надежность, более широкий диапазон частот вращения, более широкий диапазон рабочих температур. Конструктивно, по сравнению с ВЭДПМ, ВРД/ВРГ не имеет ограничения по мощности (практически, мощность ВЭДПМ ограничивается пределом около 20-40 кВТ). ВЭДПМ требуют защиты от металлической пыли, боятся перегрева и сильных электромагнитных полей, в случае короткого замыкания обмотки превращаются в самовозгорающуюся систему. Вентильные реактивные электродвигатели/генераторы свободны от всех этих недостатков.

Малое количество меди

На изготовление ВРД/ВРГ требуется в среднем 2-3 раза меньше меди, чем для коллекторного электродвигателя такой же мощности, и в 1,3 раза меньше меди, чем для асинхронного электродвигателя. Tепловыделение происходит в основном только на статоре, при этом легко обеспечивается герметичная конструкция, воздушное или водяное охлаждение

В рабочем режиме не требуется охлаждение ротора. Для охлаждения ВРД/ВРГ достаточно использовать наружную поверхность статора.

Высокие массогабаритные характеристики

В большинстве случаев ВРД/ВРГ может быть выполнен с полым ротором. Толщина спинки ротора при этом должна быть не менее половины ширины полюса. Подбором количества полюсов статора и ротора могут быть оптимизированы массогабаритные характеристики электродвигателя/генератора, его мощность при заданном моменте и диапазоне частоты вращения.

Низкая трудоемкость

Простота конструкции ВРД/ВРГ снижает трудоемкость его изготовления. В сущности, его можно изготовить даже на не специализирующемся в области электромашиностроения промышленном предприятии. Для серийного производства ВРД/ВРГ требуется обычное механическое оборудование — штампы для изготовления шихтованных сердечников статора и ротора, токарные и фрезерные станки для обработки валов и корпусных деталей. Трудоемкие и сложные в технологическом отношении операции, например изготовление коллектора и щеток коллекторного электродвигателя или заливка клетки ротора асинхронного двигателя, здесь отсутствуют. По предварительным оценкам трудоемкость изготовления ЭМП вентильного реактивного электродвигателя составляет на 70% меньше трудоемкости изготовления коллекторного и на 40% меньше трудоемкости изготовления асинхронного электродвигателя.

Гибкость компоновки

Простота обмотки якоря и отсутствие обмотки и магнитов на роторе обеспечивает ВРД/ВРГ высокую гибкость компоновки. Конструкция электродвигателя/генератора может быть плоской, вытянутой, обращенной, секторной, линейной. Для выпуска целого типоряда электродвигателей/генераторов с различной мощностью можно использовать один и тот же комплект штампов для вырубки ротора и статора, поскольку для увеличения мощности достаточно увеличить соответственно длину набора ротора и статора. Не составляет труда изготовление машины с расположением статора как снаружи ротора, так и наоборот, а также встраивание электроники в корпус машины. Изменение коэффициента электромагнитной редукции позволяет создавать машины для облегченных и, напротив, тяжелых условий работы, включая моментные двигатели. Для привода некоторых рабочих машин выгоднее иметь линейные электродвигатели с возвратно-поступательным перемещением зубцового штока (аналога ротора). В ряде случаев может быть использована давно известная, но неэффективная в случае асинхронного электродвигателя конструкция дугостаторной машины, статор которой охватывает доступную для размещения дугу окружности ротора, в качестве которого может использоваться вал с зубчатым колесом.

Высокая надежность

Простота конструкции обеспечивает ВРД/ВРГ более высокую безотказность, чем безотказность других типов электрических машин. Конструктивная и электрическая независимость фазных обмоток обеспечивает работоспособность ВРД даже в случае полного замыкания полюсной катушки одной из фаз. ВРГ остается работоспособным даже после выхода из строя одной или двух фаз.

Широкий диапазон частот вращения

(от единиц до сотен тысяч об/мин)

Электромагнитная редукция позволяет создавать малогабаритные “моментные” электродвигатели для приводов роботов, манипуляторов и других низкооборотных механизмов или низкооборотные высокоэффективные генераторы для ветровых или волновых электростанций. В то же время частота вращения быстроходных ВРД/ВРГ может превышать 100000 об/мин.

Высокий КПД в широком диапазоне частот вращения

Практически достижимый КПД вентильного реактивного электродвигателя/генератора мощностью 1 КВт может доходить до 90 % в диапазоне 5-10-кратной перестройки частоты вращения. КПД более мощных электрических машин может достигать 95-98 %.

ВРД часто путают с синхронным реактивным электродвигателем (СРД), обмотки якоря которого питаются синусоидально изменяющимися напряжениями без обратной связи по положению ротора. СРД имеет низкий КПД, который не превышает 50 % для маломощных электродвигателей и до 70 % для мощных электрических машин.

Импульсный характер питания ЭМП обеспечивает удобную стыковку с современной цифровой электроникой

Поскольку ВРД/ВРГ питается (возбуждается) однополярными импульсами, для управления ЭМП требуется простой электронный коммутатор. Управляя скважностью импульсов силовых транзисторов электронного коммутатора можно плавно изменять форму импульсов тока фазных обмоток электродвигателя или генератора.

Электронное управление электрическими и механическими характеристиками, режимом работы

Естественная механическая характеристика ВРД/ВРГ определяется реактивным принципом действия электрической машины и близка к гиперболической форме. Основное свойство такой характеристики — постоянство мощности на валу машины — оказывается чрезвычайно полезным для электроприводов с ограниченной мощностью источника, так как при этом легко реализуется условие его неперегружаемости. Применение замкнутой системы управления с обратными связями по скорости и нагрузке позволяет получить механические характеристики любой заданной формы, включая абсолютно жесткие (астатические), и не ведет к какому либо усложнению системы управления, так как ее процессор обладает большой избыточностью по числу входов и выходов, быстродействию и памяти. Фактически поле доступных механических характеристик непрерывным образом покрывает все четыре квадранта плоскости момент-скорость в пределах области ограничений конкретного электропривода.

Низкая стоимость электромеханического преобразователя

Стоимость ВРД оказывается самой низкой из всех известных конструкций электрических машин. Дорогостоящим в рассматриваемой системе электропривода можно считать электронный преобразователь, который является обязательным элементом всех современных регулируемых электроприводов. Однако, цены на изделия силовой электроники по мере развития масштабов производства имеют устойчивую тенденцию к снижению. Исключение из состава ВРД/ВРГ коммутационных аппаратов, для изготовления которых необходима непрерывно дорожающая медь, также способствует уменьшению стоимости.

Наконец, экономическая эффективность ВРД повышается также в результате существенно меньшего расхода электроэнергии, обусловленного высоким КПД электродвигателя и применением наиболее экономичных стратегий управления в динамических режимах работы.

Использование в гибридных силовых приводах автомобилей

Исследователи из Токийского университета заявили, что им удалось сократить размеры вентильных реактивных электродвигателей (ВРД, switched reluctance motor, SR) до масштабов, позволяющих включать их в состав гибридных силовых приводов автомобилей. Действующий прототип устройства представил профессор Акиро Чиба (Akira Chiba), руководивший изысканиями.

Представленный прототип усовершенствованного ВРД имеет те же размеры, что и синхронный электродвигатель мощностью 50 кВт, применяемый в Toyota Prius второго поколения. Максимальный момент вращения данного ВРД (403 Нм) и КПД (86%) сопоставимы с характеристиками электродвигателя Prius (400 Нм и 83%, соответственно). Плотность момента вращения на объем, занимаемый ВРД – 45 Нм/л. Сообщается, что улучшить характеристики альтернативного электродвигателя удалось за счет того, что Чиба вывел зависимость момента вращения от количества обмоток ротора и статора, и довел его, соответственно, до 12 и 18. Кроме того, увеличению момента вращения способствовало смещение обмоток статора в конструкции.

Вентильные реактивные электродвигатели / генераторы (Switched Reluctance Motors / Generators)

Современный уровень развития регулируемых электроприводов в значительной степени определяется достижениями в области силовой полупроводниковой техники: созданием IGBT и MOSFET транзисторов для коммутации силовых электрических цепей. Это позволило специально для систем электропривода создать электрическую машину нового типа c электронной коммутацией фазных обмоток якоря и получившую название SRM (ближайший перевод на русский язык — машина с модуляцией магнитной проводимости). В качестве рабочего термина нами используется вентильный реактивный электродвигатель (ВРД) / генератор (ВРГ) или вентильный реактивный индукторный электродвигатель / генератор.

ВРД следует отличать от синхронного реактивного электродвигателя (СРД), который работает при синусоидально изменяющихся напряжениях, подаваемых на фазы его обмотки якоря без обратной связи по положению ротора, при этом СРД обладает низким КПД.

Электрическая машина типа ВРД устроена проще, чем традиционные машины переменного тока — синхронная и асинхронная, она более технологична и менее материалоемка, что создает предпосылки для достижения высоких показателей надежности, экономичности, низкой стоимости и стойкости ее к воздействиям окружающей среды. Впервые в системе управляемого электропривода удается сбалансировать показатели эффективности электронной управляющей части и электромеханического преобразователя машины.

Появление и развитие электроприводов нового типа означает конец эры коллекторных электрических машин, применение которых в разрабатываемых системах электропривода становится анахронизмом. Даже асинхронная машина, повсеместное распространение которой было обусловлено простотой конструкции и надежностью, уступает по этим параметрам ВРД.

Рис. 1. Структурная схема управлением

Конструктивно электропривод состоит из микропроцессорного блока управления, электронного коммутатора и электромеханического преобразователя (ЭМП). Электромеханический преобразователь обеспечивает преобразование электрической энергии, поступающей от электронного коммутатора, в механическую или осуществляет обратное преобразование механической энергии в электрическую. Микропроцессорный блок управления формирует сигналы коммутатора, который генерирует импульсное напряжение питания ЭМП в зависимости от сигналов, поступающих от датчика положения ротора ЭМП. Возможен вариант без датчика положения ротора, в этом случае положение ротора определяется по величине индуктивности обмоток статора.

Отличительную основу ЭМП составляют магнитопроводы статора и ротора с явно выраженными полюсами, выполненные в виде пакетов из листового магнитомягкого материала. Катушки обмотки якоря расположены на полюсах магнитопровода статора. Катушки, находящиеся на противоположных полюсах, соединены попарно последовательно и образуют фазные секции обмотки якоря. На рис. 2 в качестве примеров показаны ЭМП с шестью (рис. 2а) и восемью (рис. 2б) полюсами на статоре и четырьмя и шестью полюсами на роторе соответственно.

В зависимости от назначения электродвигателя / генератора и предъявляемых к нему в связи с этим требований, количество полюсов на статоре и на роторе может изменяться. В некоторых случаях на полюсах магнитопровода статора могут быть сделаны дополнительные зубцы. Обмотка якоря, в приведенных на рисунке примерах ЭМП, трехфазная (рис.2а) и четырехфазная (рис.2б). Количество полюсов статора и ротора, число фаз обмотки якоря может изменяться в зависимости от назначения электродвигателя / генератора. Подбором чисел полюсов статора и ротора может быть получен вращающий момент существенно больший по сравнению с электрическими машинами других типов.

Рис. 2а
Рис. 2б
Рис. 2. Обмотка якоря трехфазная и четырехфазная

Очевидная конструктивная простота является основным достоинством электромеханического преобразователя ВРД, что позволяет существенно снизить затраты при его изготовлении и обеспечить очень высокую надежность работы электродвигателя / генератора. В качестве примера на рисунках 3, 4, 5 показаны основные части нескольких вариантов ЭМП вентильных реактивных электродвигателей и генераторов.

Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Основные части нескольких вариантов ЭМП вентильных реактивных электродвигателей и генераторов

На рис.6 приведена механическая характеристика ЭМП в режиме с ограничением тока. Естественная механическая характеристика ЭМП при постоянном питающем напряжении аналогична такой же характеристике коллекторного электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Рис. 6. Механическая характеристика ЭМП в режиме с ограничением тока

Особенности электромеханического преобразования энергии в вентильном электродвигателе с переключаемой магнитной проводимостью заключаются в несинусоидальности токов и магнитных потоков в ЭМП и нелинейной зависимости между ними. Эти особенности не позволяют использовать методы, широко применяемые для анализа и синтеза электрических машин переменного тока традиционного конструктивного исполнения. Анализ и синтез ЭМП необходимо осуществлять с непременным учетом дискретности цикла электромеханического преобразования энергии и существенной нелинейной зависимости между токами в фазах и создаваемыми ими магнитными потоками в комплексе «электронный коммутатор — ЭМП».

Для проектирования ЭМП используется современный подход, включающий расчет магнитного поля в нелинейной постановке задачи. При этом учитываются реальные параметры материалов и особенности геометрии устройства. На рис. 7 показаны результаты расчета магнитного поля, представляющие зависимость потокосцепления фазной обмотки от угла поворота ротора и протекающего в ней тока.

Рис. 7. Результаты расчета магнитного поля

Электронный блок управления электродвигателя / генератора представляет собой цифровую систему управления на базе нового поколения 16-разрядных микроконтроллеров производительностью до 40 млн. операций в секунду. Цифровая система управления позволяет резко сократить количество используемых компонентов, увеличить надежность и функциональность системы, уменьшить габаритные размеры электронного блока и его стоимость.

На рис. 8 показан блок электроники для электродвигателей / генераторов мощностью до 8 кВт. (Габариты 170х125х30 мм.)

Рис. 8. Блок электроники для электродвигателей / генераторов мощностью до 8 кВт

Цифровой синтез сигналов, поступающих с электронного коммутатора на ЭМП, осуществляется программно с помощью микропроцессорного блока управления. Программный синтез сигналов позволяет оперативно изменять частоту, форму и амплитуду выходных импульсов в зависимости от состояния датчиков электропривода / генератора, а также обеспечивает оперативное управление режимами его работы.

Микроконтроллер формирует основные управляющие сигналы, которые поступают на 3- или 4-фазный драйвер, обеспечивающий управление силовыми транзисторами электронного коммутатора. Конфигурация блока питания может быть изменена в зависимости от типа и величины напряжения питания, что позволяет на базе одного блока создавать электроприводы и генераторы различного назначения. При низковольтном напряжении питания (5 — 200 В) в блоке коммутатора используются MOSFET-транзисторы, а при высоковольтном (200 В и более) — IGBT-транзисторы. Применение современных мощных IGBT-транзисторов позволяет создавать электронные коммутаторы мощностью 5000 кВт и более, обеспечивая высокие энергетические и весогабаритные характеристики вентильным реактивным электроприводам / генераторам.

Основная управляющая программа контроллера хранится во Flash-памяти объемом до 256 Кбайт и может быть легко изменена через последовательный интерфейс RS232, что позволяет оперативно изменять основные характеристики и алгоритм работы стартера / генератора в процессе настройки или во время его эксплуатации.

Наличие микропроцессора в системе управления ВРД обеспечивает следующие режимы его работы:

  • регулирование оборотов в широких пределах и стабилизацию их на заданном уровне;
  • коррекцию естественно падающей механической характеристики ВРД для оптимизации параметров электропривода с тяговой, вентиляторной, крановой, экскаваторной и другими типами нагрузок;
  • разгон и торможение с необходимым ускорением;
  • пуск электропривода без превышения пусковых токов над номинальными, с предварительным выбором люфта редуктора;
  • рекуперацию энергии при торможении;
  • реверсирование;
  • самоторможение для исключения вращения нагруженного электропривода;
  • шаговый режим работы;
  • питание от сетей постоянного и переменного (однофазного и 3 фазного) напряжения; для генератора — стабилизацию и формирование выходного напряжения;
  • выдачу на дисплей текущих параметров электродвигателя / генератора и любой информации, поступающей с периферийных датчиков;
  • прием и выдачу команд и информации как в аналоговом, так и в цифровом виде;
  • дистанционное изменение параметров электропривода / генератора и алгоритма его работы;

Для связи с внешними компьютерными системами, активными пультами управления или для обеспечения параллельной работы и синхронизации нескольких электроприводов / генераторов в блоке управления может использоваться сетевой CAN-интерфейс (международный стандарт CAN 2.0 CiA-301). CAN (Controller Area Network) — сетевой интерфейс разработан фирмами «BOSСH» и «INTEL» для построения распределенных встраиваемых мультипроцессорных систем реального времени бортового и промышленного назначения. CAN обеспечивает надежную работу системы даже в условиях сильных электромагнитных помех. На рисунке 9 показано подключение нескольких электродвигателей к CAN-сети.

Рис. 9. Подключение нескольких электродвигателей к CAN-сети

CAN сеть обеспечивает эффективный обмен информацией между электронными блоками электродвигателей, а также обмен между пультом или несколькими пультами и каждым электродвигателем. Высокая скорость передачи (до 1Мбит/сек), гибкая система задания приоритетов CAN устройств позволяет передавать по сети синхросигналы или команды с критическим временем выполнения. На рис. 10 приведен пример организации следящей системы с использованием CAN-сети.

Рис. 10. Организации следящей системы с использованием CAN-сети

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *