Вентильный двигатель: конструктивные особенности и принцип действия, преимущества и недостатки, количество фаз

Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификация

Постоянное совершенствование технологий и развитие точного электрооборудования приводит к созданию новых и преобразованию старых устройств. Такому совершенствованию подвергаются и электрические машины, которые неоднократно преобразовывались для получения точного позиционирования. При массовом внедрении полупроводниковых приборов появилась возможность заменить классические щетки на p-n переходы, в результате чего был создан вентильный двигатель.

Конструктивно вентильный агрегат представляет собой разновидность синхронного двигателя.

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.


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.

Конструкция и устройство двигателя

Техническая инфраструктура формируется двумя сегментами – непосредственно механикой и управляющим комплексом. С точки зрения конструкционного устройства агрегат во многом похож на традиционное наполнение электромеханических роторных двигателей. Соответственно, в состав электромотора входят ротор, статор и обмотка. Причем статор представляет собой набор из отдельных изолированных листов, выполненных из стального сплава. В процессе работы они способствуют понижению вихревых токов. В нем как раз и находится обмотка, которая может иметь разное количество фаз. Начинка элемента образована стальным сердечником, а обмотка представляет собой медные волокна. Для защиты применяется корпус, на поверхности которого также предусматриваются средства физического крепления.

Что касается ротора, то он сформирован постоянными магнитами. В зависимости от модификации, он может иметь до шестнадцати пар чередующихся полюсов. Прежде для изготовления роторов применялись ферритовые магниты, что было обусловлено их ценовой доступностью. Сегодня же на первый план выходят эксплуатационные характеристики вентильного двигателя – в частности крутящий момент, который варьируется от 1 до 70 Нм. Пропускная же частота в среднем находится в пределах 2-4 тыс. оборотов. Для достижения таких показателей требуется магнит с высокой степенью индукции, поэтому производители перешли на использование редкоземельных сплавов. Такие магниты не просто дают более высокую производительность, но и обладают меньшими размерами. Отчасти и этот переход способствовал оптимизации габаритов вентильного электродвигателя. Отдельно стоит рассмотреть компоненты управляющего сегмента.

Что касается ротора, то он сформирован постоянными магнитами. В зависимости от модификации, он может иметь до шестнадцати пар чередующихся полюсов. Прежде для изготовления роторов применялись ферритовые магниты, что было обусловлено их ценовой доступностью. Сегодня же на первый план выходят эксплуатационные характеристики вентильного двигателя – в частности крутящий момент, который варьируется от 1 до 70 Нм. Пропускная же частота в среднем находится в пределах 2-4 тыс. оборотов. Для достижения таких показателей требуется магнит с высокой степенью индукции, поэтому производители перешли на использование редкоземельных сплавов. Такие магниты не просто дают более высокую производительность, но и обладают меньшими размерами. Отчасти и этот переход способствовал оптимизации габаритов вентильного электродвигателя. Отдельно стоит рассмотреть компоненты управляющего сегмента.

3. Способы коммутации с применением датчика положения ротора

Способы коммутации вентильного двигателя различаются по типу датчика положения ротора и особенностям регулирования тока в фазах обмоток статора.

3.1. Трапецеидальная или шестишаговая (sixstep) коммутация вентильного двигателя осуществляется по цифровым датчикам Холла. Для 3х датчиков Холла, являющихся «грубым» датчиком положения ротора, возможных состояний на полный электрический оборот будет шесть, каждое из которых соответствует 60 электрическим градусам. При каждом постоянном состоянии датчиков Холла подключаются только две обмотки двигателя, а третья отключена от источника напряжения. Постоянство вектора тока в пределах ±30 электрических градусов от оптимального (создающего максимальный момент) приводит к 17% пульсациям тока.

Преимущества:

  • готовность к работе при включении питания;
  • дешевый усилитель тока;
  • управление током (моментом) аналоговым сигналом ±10В.

Недостатки:

  • пульсации тока;
  • средние показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Область применения: регулирование скорости при невысоких требованиях к эффективности и равномерности перемещения на низких скоростях.

3.2. Синусоидальная коммутация лишена недостатков трапецеидальной коммутации за счет непрерывной и плавной коммутации вектора тока. Это достигается благодаря более высокому разрешению датчика положения ротора (обычно инкрементального энкодера) по сравнению с цифровыми датчиками Холла, имеющими разрешение только 60 электрических градусов. Для стандартного двигателя с соединением фаз в «звезду» достаточно контролировать ток в двух обмотках с помощью двух регуляторов на базе ПИрегуляторов. Такой способ коммутации очень эффективен на малых и средних скоростях, но имеет ошибки на высоких скоростях. В этом случае изза ограниченного усиления ПИрегулятора при заданном напряжении постоянного напряжения (DC bus) мах скорость ограничена. Несколько повысить скорость позволяет метод сдвиг фазы (phase advance).

Преимущества:

  • минимальные пульсации тока;
  • высокие показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Недостатки:

ограничение мах скорости при заданном напряжении постоянного напряжения;

управление током (моментом/силой) при помощи двух аналоговых сигналов ±10В.

Область применения: прецизионные механизмы.

3.3. Непосредственно векторный контроль тока в координатах DQ использует преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока, известными как преобразования ПаркаКларка. В отличие от синусоидальной такой способ коммутации предполагает работу ПИрегулятора с напряжениями постоянного тока, а не синусоидальными напряжениями. Это и обеспечивает качество управления током, независимое от скорости вращения двигателя.

Векторный контроль предполагает регулирование квадратичной (D) и прямой (Q) составляющих тока. Т.к. только прямая (Q) составляющая тока, перпендикулярная к полю ротора, создает момент двигателя, то задание тока подается на вход прямой (Q) составляющей тока. На вход квадратичной (D) составляющей тока подается «0» сигнал.

Преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока производятся с учетом токов фаз и положения ротора.

Векторный контроль при наличии преимуществ синусоидальной коммутации позволяет расширить диапазон скоростей вентильного двигателя за счет более полного использования напряжения постоянного тока.

Следует отметить, что для синусоидальной или векторной коммутации тока при использовании инкрементального (относительного) датчика положения ротора необходимо первоначально (т.е. при каждом включении питания) сфазировать положение ротора относительно фаз статора. Алгоритм такой начальной фазировки обычно является «встроенным».

Трапецеидальная коммутация вентильного двигателя не требует начальной фазировки благодаря использованию датчиков Холла, являющихся абсолютными датчиками положения ротора. Поэтому их иногда применяют вместе с инкрементальным датчиком положения для реализации синусоидальной или векторной коммутации тока без необходимости производить начальную фазировку. Такая конфигурация рекомендуется для механизмов, где реализация процедуры начальной фазировки затруднена, например, механизмов вертикального перемещения.

Следует отметить, что для синусоидальной или векторной коммутации тока при использовании инкрементального (относительного) датчика положения ротора необходимо первоначально (т.е. при каждом включении питания) сфазировать положение ротора относительно фаз статора. Алгоритм такой начальной фазировки обычно является «встроенным».

Вентильные двигатели. Виды и устройство. Работа и применение

Электродвигатели, работающие от постоянного тока, обычно обладают более высокими экономическими и техническими характеристиками, по сравнению с двигателями переменного тока. Единственным серьезным недостатком является наличие щеточного механизма, существенно понижающего надежность всей конструкции, повышающего инерционность ротора, взрывоопасность двигателя, а также создает радиопомехи.

Поэтому были созданы бесконтактные двигатели, работающие от постоянного тока, которые получили название вентильные двигатели. Создание такого нового устройства стало возможным, благодаря появлению полупроводников. Щеточный механизм в этой конструкции заменен коммутатором на основе полупроводниковых элементов. Якорь является неподвижным элементом, а на роторе закреплены постоянные магниты.

Поэтому были созданы бесконтактные двигатели, работающие от постоянного тока, которые получили название вентильные двигатели. Создание такого нового устройства стало возможным, благодаря появлению полупроводников. Щеточный механизм в этой конструкции заменен коммутатором на основе полупроводниковых элементов. Якорь является неподвижным элементом, а на роторе закреплены постоянные магниты.

Вентильный двигатель

Машины постоянного тока, как правило, имеют более высокие технико-экономические показатели (линейность характеристик, высокий КПД, малые габариты и пр.), чем машины переменного тока. Существенный недостаток — наличие щеточного аппарата, который снижает надежность, увеличивает момент инерции, создает радиопомехи, взрывоопасность и т.д. Поэтому, естественно, актуальна задача создания бесконтактного (бесколлекторного) двигателя постоянного тока.

Решение этой задачи оказалось возможным с появлением полупроводниковых приборов. В бесконтактном двигателе постоянного тока, именуемом вентильным двигателем постоянного тока , щеточный аппарат заменен полупроводниковым коммутатором, якорь неподвижен, ротор представляет собой постоянный магнит.

Принцип работы вентильного двигателя

Под вентильным двигателем понимают систему регулируемого электропривода, состоящую из электродвигателя переменного тока, конструктивно подобного синхронной машине, вентильного преобразователя и устройств управления, обеспечивающих коммутацию цепей обмоток электродвигателя в зависимости от положения ротора двигателя. В этом смысле вентильный двигатель подобен двигателю постоянного тока, в котором посредством коллекторного коммутатора подключается тот виток обмотки якоря, который находится под полюсами возбуждения.

Читайте также:  ТВ антенна своими руками: пошаговые инструкции по сборке популярных моделей телеантенн

Вентильный двигатель постоянного тока представляет собой сложное электромеханическое устройство, в котором сочетаются простейшая электрическая машина и электронная система управления.

Двигателям постоянного тока присущи серьезные недостатки, обусловленные, главным образом, наличием щеточно-коллекторного аппарата:

1. Недостаточная надежность коллекторного аппарата, необходимость его периодического обслуживания.

2. Ограниченные величины напряжения на якоре и, следовательно, мощности двигателей постоянного тока, что ограничивает их применение для высокоскоростных приводов большой мощности.

3. Ограниченная перегрузочная способность двигателей постоянного тока, ограничение темпа изменения тока якоря, что существенно для высокодинамичных электроприводов.

В вентильном двигателе указанные недостатки не проявляются, поскольку здесь щеточно-коллекторный коммутатор заменен бесконтактным коммутатором, выполненным на тиристорах (для приводов большой мощности) или на транзисторах (для приводов мощностью до 200кВт). Исходя из этого, вентильный двигатель, который конструктивно выполняется на базе синхронной машины, часто называют бесконтактным двигателем постоянного тока.

По управляемости вентильный двигатель также подобен двигателю постоянного тока – его скорость регулируется изменением величины подводимого постоянного напряжения. Благодаря своим хорошим регулировочным качествам вентильные двигатели получили широкое применение для привода различных роботов, металлорежущих станков, промышленных машин и механизмов.

Электропривод по системе транзисторный коммутатор-вентильный двигатель с постоянными магнитами

Вентильный двигатель рассматриваемого типа выполнен на базе трехфазной синхронной машины с постоянными магнитами на роторе. Трехфазные обмотки статора питаются постоянным током, подаваемым поочередно в две последовательно соединенные фазные обмотки. Переключение обмоток производится транзисторным коммутатором, выполненным по трехфазной мостовой схеме. Транзисторные ключи открываются и закрываются в зависимости от положения ротора двигателя. Схема вентильного двигателя представлена на рис.1.

Рис.1. Схема вентильного двигателя с транзисторным коммутатором

Момент, создаваемый двигателем, определяется взаимодействием двух потоков:

• статора, создаваемого током в обмотках статора,

• ротора, создаваемого высокоэнергетическими постоянными магнитами (на основе сплавов самарий-кобальт и других).

где: θ – пространственный угол между векторами потоков статора и ротора; рп – число пар полюсов.

Магнитный поток статора стремится повернуть ротор с постоянными магнитами, так, чтобы поток ротора совпал по направлению с потоком статора (вспомним магнитную стрелку, компаса).

Наибольший момент, создаваемый на валу ротора, будет при угле между векторами потоков равным π/2 и будет уменьшаться до нуля по мере сближения векторов потоков. Эта зависимость показана на рис.2.

Рассмотрим пространственную диаграмму векторов потоков, соответствующую двигательному режиму (при числе пар полюсов pn=1). Предположим, что в данный момент включены транзисторы VT3 и VT2, (см. схему рис.1). Тогда ток проходит через обмотку фазы В и в обратном направлении через обмотку фазы А. Результирующий вектор м.д.с. статора будет занимать в пространстве положение F3 (см.рис.3).

Если ротор занимает в этот момент положение, показанное на рис.4., то двигатель будет развивать в соответствии с 1 максимальный момент, под действием которого ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. По мере уменьшения угла θ момент будет уменьшаться. Когда ротор повернется на 30° необходимо в соответствии с графиком на рис.2. переключить ток в фазах двигателя, так, чтобы результирующий вектор м.д.с. статора занял положение F4 (см. рис.3). Для этого нужно отключить транзистор VT3 и включить транзистор VT5.

Переключение фаз выполняет транзисторный коммутатор VT1-VT6, управляемый от датчика положения ротора DR; при этом угол θ поддерживается в пределах 90°±30°, что соответствует максимальному значению момента с наименьшими пульсациями. При рn=1 за один оборот ротора должно быть произведено шесть переключений, благодаря которым м.д.с. статора совершит полный оборот (см. рис.3). При числе пар полюсов больше единицы поворот вектора м.д.с. статора, а, следовательно, и ротора, составит 360/рn градусов.

Рис.2. Зависимость момента двигателя от угла между векторами потоков статора и ротора (при рn=1)

Рис.3. Пространственная диаграмма м.д.с. статора при переключении фаз вентильного двигателя

Рис.4. Пространственная диаграмма потоков в двигательном режиме

Регулирование величины момента производится изменением величины м.д.с. статора, т.е. изменением средней величины тока в обмотках статора

где: R1 – сопротивление обмотки статора.

Поскольку поток двигателя постоянен, то э.д.с. Ея, наводимая в двух последовательно включенных обмотках статора будет пропорциональна скорости ротора. Уравнение электрического равновесия для цепей статора будет

При отключении ключей ток в обмотках статора мгновенно не исчезает, а замыкается через обратные диоды и фильтровый конденсатор С.

Следовательно, регулируя напряжение питания двигателя U1, можно регулировать величину тока статора и момента двигателя

Нетрудно заметить, что полученные выражения подобны аналогичным выражениям для двигателя постоянного тока, вследствие чего механические характеристики вентильного двигателя в данной схеме подобны характеристикам двигателя постоянного тока независимого возбуждения при Ф=const.

Изменение напряжения питания вентильного двигателя в рассматриваемой схеме производится методом широтно-импульсного регулирования. Изменяя скважность импульсов транзисторов VT1-VT6 в периоды их включенного состояния, можно регулировать среднюю величину напряжения, подаваемого на обмотки статора двигателя.

Для осуществления режима торможения алгоритм работы транзисторного коммутатора должен быть изменен таким образом, чтобы вектор м.д.с. статора отставал от вектора потока ротора. Тогда момент двигателя станет отрицательным. Поскольку на входе преобразователя установлен неуправляемый выпрямитель, то рекуперация энергии торможения в данной схеме невозможна.

При торможении происходит подзаряд конденсатора фильтра С. Ограничение напряжения на конденсаторах осуществляется путем подключения разрядного сопротивления через транзистор VT7. Таким образом, энергия торможения рассеивается в разрядном сопротивлении.

Переключение фаз выполняет транзисторный коммутатор VT1-VT6, управляемый от датчика положения ротора DR; при этом угол θ поддерживается в пределах 90°±30°, что соответствует максимальному значению момента с наименьшими пульсациями. При рn=1 за один оборот ротора должно быть произведено шесть переключений, благодаря которым м.д.с. статора совершит полный оборот (см. рис.3). При числе пар полюсов больше единицы поворот вектора м.д.с. статора, а, следовательно, и ротора, составит 360/рn градусов.

Принцип работы

Инвертором в данном случае называют электронную систему, осуществляющую подачу напряжения, частота которого не зависит от частоты питающего напряжения на обмотки электродвигателя.

Система управления ВД

Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры или силовые транзисторы с изолированным затвором. Из них собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Система управления ключами обычно реализуется на основе использования микроконтроллера. Наличия микропроцессора требует большое количество вычислительных операций по управлению двигателем.

В отличие от щёточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Вопрос 20. Вентильные двигатели. Конструкция, принцип действия, особенности работы.

Вентильная машина пост.тока представляет собой соединение синхронной машины с полупроводниковым коммутатором. Если вентильная машина работает в режиме генератора, то переменная ЭДС, индуцируемая в обмотке статора, посредством коммутатора преобразуется в постоянную ЭДС, т.е. в этом случае коммутатор является выпрямителем. Если же вентильная машина работает в режиме двигателя и включена в сеть пост.тока, то коммутатор выполняет роль инвертора – преобразователя пост.тока сети в переменный ток обмотки якоря. Что же касается свойств такого двигателя, то они зависят от способа управления полупроводниковыми эл-тами инвертора. В основе работы вентильного двигателя лежит органическое соединение инвертора и двигателя, т.е. инвертор не является автономным, как это имеет место в тиристорных преобразователях частоты, а сигналы на переключение его полупроводниковых эл-тов поступают от системы управления в зависимости от пространственного положения ротора.

Вопрос 21. Трансформаторы. Назначение, области применения, паспортные данные. Принцип работы.Трансформатором наз.статическое эл.магнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления эл.магн.индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока. Простейший силовой тр-р состоит из магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала, и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода. Одна из обмоток, кот.назыв.первичной, присоединена к источнику переменного тока на напряжение. К другой обмотке, назыв.вторичной, подключён потребитель. Первичная и вторичная обмотки тр-ра не имеют эл.связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается эл.магнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками. Действие тр-ра основано на явлении эл.магнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них ЭДС в первичной обмотке – ЭДС самоиндукции, во вторичной – ЭДС взаимоиндукции. При подключении нагрузки к выводам вторичной обмотки тр-ра под действием ЭДС в цепи этой обмотки создается ток, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение. Паспортные данные:1)ном.первичное линейное напряжение, 2)ном.вторичное линейное напряжение(на выводах вторичной обмотки при отключенной нагрузке и ном.первичном напряжении), 3)ном.линейные токи в первичной и вторичной обмотках, 4)ном.полная мощность.

Вопрос 22. Устройство и основные элементы конструкции трансформатора.Трансформатор состоит из различных конструктивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками составляет активную часть трансформатора. Остальные элементы трансформатора называют вспомогательными частями. Рассмотрим подробнее конструкцию основных частей трансформатора. Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей. Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т. е. он состоит из тонких стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой. Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а, следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе. Магнитопровод бывает трех типов: стержневого, броневого и бронестержневого. Магнитопровод можно разделить на стержни и ярма. Стержень – та часть магнитопровода, на которой лежит обмотка. Ярмо – часть, не несущая обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи.Назначение первичной обмотки – создание магнитного потока в магнитопроводе, вторичной – принимать этот магнитный поток. Две обмотки стремятся расположить как можно ближе к магнитопроводу и друг к другу. Поэтому их выполняют в виде концентрических или дисковых катушек.

Читайте также:  УЗО для водонагревателя: критерии выбора + схемы и правила подключения

Вопрос 23.Уравнения напряжения трансформатора. Коэффициент трансформации. Уравнения магнитодвижущих сил и токов. Воздействие МДС вторичной обмотки на основной магнитный поток.Отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения называют коэффициентом трансформации:

Уравнение напряжений для первичной цепи трансформатора:

Уравнение напряжений для вторичной цепи трансформатора:

Уравнение МДС трансформатора:

Уравнение токов трансформатора:

Воздействие МДС вторичной обмотки трансформатора I2w2 на основной магнитный поток Ф можно объяснить с помощью правила Ленца. В соответствии с этим правилом наведенная в обмотке ЭДС создает в этой обмотке такой ток, который своим магнитным действием направлен против причины, вызвавшей появление этой ЭДС. Причиной наведения ЭДС Е2 во вторичной обмотке трансформатора является основной магнитный поток Ф, поэтому ток во вторичной обмотке I2 создает МДC I2w2, направленную встречно потоку Ф, т. е. находящуюся с ним в противофазе и стремящуюся ослабить этот поток.

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-26; Нарушение авторского права страницы

Вентильная машина пост.тока представляет собой соединение синхронной машины с полупроводниковым коммутатором. Если вентильная машина работает в режиме генератора, то переменная ЭДС, индуцируемая в обмотке статора, посредством коммутатора преобразуется в постоянную ЭДС, т.е. в этом случае коммутатор является выпрямителем. Если же вентильная машина работает в режиме двигателя и включена в сеть пост.тока, то коммутатор выполняет роль инвертора – преобразователя пост.тока сети в переменный ток обмотки якоря. Что же касается свойств такого двигателя, то они зависят от способа управления полупроводниковыми эл-тами инвертора. В основе работы вентильного двигателя лежит органическое соединение инвертора и двигателя, т.е. инвертор не является автономным, как это имеет место в тиристорных преобразователях частоты, а сигналы на переключение его полупроводниковых эл-тов поступают от системы управления в зависимости от пространственного положения ротора.

Вопрос 20. Вентильные двигатели. Конструкция, принцип действия, особенности работы.

Вентильная машина пост.тока представляет собой соединение синхронной машины с полупроводниковым коммутатором. Если вентильная машина работает в режиме генератора, то переменная ЭДС, индуцируемая в обмотке статора, посредством коммутатора преобразуется в постоянную ЭДС, т.е. в этом случае коммутатор является выпрямителем. Если же вентильная машина работает в режиме двигателя и включена в сеть пост.тока, то коммутатор выполняет роль инвертора – преобразователя пост.тока сети в переменный ток обмотки якоря. Что же касается свойств такого двигателя, то они зависят от способа управления полупроводниковыми эл-тами инвертора. В основе работы вентильного двигателя лежит органическое соединение инвертора и двигателя, т.е. инвертор не является автономным, как это имеет место в тиристорных преобразователях частоты, а сигналы на переключение его полупроводниковых эл-тов поступают от системы управления в зависимости от пространственного положения ротора.

Вентильная машина пост.тока представляет собой соединение синхронной машины с полупроводниковым коммутатором. Если вентильная машина работает в режиме генератора, то переменная ЭДС, индуцируемая в обмотке статора, посредством коммутатора преобразуется в постоянную ЭДС, т.е. в этом случае коммутатор является выпрямителем. Если же вентильная машина работает в режиме двигателя и включена в сеть пост.тока, то коммутатор выполняет роль инвертора – преобразователя пост.тока сети в переменный ток обмотки якоря. Что же касается свойств такого двигателя, то они зависят от способа управления полупроводниковыми эл-тами инвертора. В основе работы вентильного двигателя лежит органическое соединение инвертора и двигателя, т.е. инвертор не является автономным, как это имеет место в тиристорных преобразователях частоты, а сигналы на переключение его полупроводниковых эл-тов поступают от системы управления в зависимости от пространственного положения ротора.

Устройство и принцип действия вентильных двигателей

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ВЕНТИЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

вигатели постоянного тока (ДПТ) позволяют создавать высокоэффективные ЭП разнообразного применения для различ-ных областей техники,но они имеют существенный недостаток – наличие щеточно-коллекторного узла. Между тем сфера приме­нения автоматизированного ЭП непрерывно расширяется (бытовая и медицинская техника, электрический транспорт, космические аппараты и т.д.), повышаются требования к их надежности в самых разнообразных условиях (вакуум, резкие перепады температуры, тряска, вибрация, агрессивная среда и т.п.). В этих условиях эксплуатации механический коммутатор двигателей постоянного тока (щетка – коллектор) является недостатком и не обеспечивает достаточного уровня надежности. Реше-нием является применение вентильных двигателей, у которых механи-ческий коммутатор заменен электронным (полупроводниковым).

Вентильный двигатель (ВД) представляет собой синхронный дви-гатель, регулируемый путем изменения частоты с самосинхронизацией.

Для понимания физических процессов в ВД вспомним принцип действия ДПТ. В обычных ДПТ по окружности якоря расположен ряд секций (катушек), которые соединены между собой и образуют замкну-тую обмотку. Неподвижные полюсы создают магнитное поле, в котором вращается якорь. Ток к якорю подводится через щетки и коллектор, поэтому магнитное поле якоря направлено вдоль оси щеток. Момент ДПТ создается за счет того, что поле якоря стремится занять положение, соосное с полем возбуждения. Машина развивает наибольший момент, когда векторы указанных полей направлены под углом 90° друг к другу. Наличие коллектора с большим числом пластин обеспечивает неизмен-ное направление потока якоря, который, взаимодействуя с потоком возбуждения, создает постоянный момент.

В ДПТ каждое ответвление обмотки якоря присоединено к одной из пластин коллектора. Когда пластина находится под щеткой, соответству-ющее ответвление обмотки подключается к положительному или отри-цательному выводу источника питания.

В ВД могут применяться обычные якорные обмотки ДПТ, а работу многоламельного механического коллектора воспроизводят статические коммутаторы.

Для коммутации таких двигателей в зависимости от мощности ис-пользуются тиристоры или транзисторы. ВД могут работать как бескон-тактные ДПТ, если магнитный поток создается обмоткой возбуждения, питающейся постоянным током, а тиристоры или транзисторы управ-ляются в функции положения ротора.

Обмотка якоря, управляемая статическим коммутатором, создает в воздушном зазоре магнитное поле, которое вращается с синхронной частотой по отношению к якорю, как в обычном многофазном двигателе переменного тока. Для того чтобы в статическом коммутаторе произ-вести операции, аналогичные тем, которые производятся на коллекторе, необходимо вместо каждой пластины иметь одну пару тиристоров. Один из них обеспечивает протекание тока от шины с положительной полярностью к соответствующему ответвлению обмотки, а второй – от этого ответвления к шине, имеющей отрицательную полярность. Меха-нический коммутатор автоматически осуществляет переключение сек-ций в требуемом положении ротора, в то время как коммутация тирис-торов должна контролироваться датчиком положения вала ротора. В этом случае частота коммутации пропорциональна частоте вращения ротора.

При замене механического коммутатора статическим устройством число переключений уменьшают с целью ограничения числа тиристоров и лучшего их использования. На рис.11.1,а показаны кольцевая обмотка и простейший коллектор из трех пластин. В схеме тиристорного моста рис.11.2,а, каждое из трех ответвлений якорной обмотки подключается с помощью двух тиристоров к шинам с положительной и отрицательной полярностями, в результате чего получается схема трехфазного моста. Графики на рис.11.1,б и 11.2,б справедливы при синусоидальном изменении во времени ЭДС отдельных секций обмотки. Формы кривых напряжений на обоих рисунках одинаковы.

При анализе работы механического коммутатора принято, что ось щеток смещена относительно нейтрали на угол θ, и учтена ширина щеток, которой соответствует угол δ. На рис. 11.2,б показана форма напряжения для трехфазной мостовой схемы, работающей в инвер-торном режиме с углом опережения β, обеспечивающим необходимый запас на коммутацию (угол у) и восстановление запирающих свойств тиристоров. В обычных ДПТ коллектор содержит большое число пластин, так как допустимое напряжение между пластинами ограничено из условий диэлектрической прочности изолирующих прокладок. В статическом коммутаторе таких ограничений нет, и удовлетворительный режим работы достигается при небольшом числе коммутаций за один оборот ротора.

При наличии статического коммутатора двигатель может иметь об-ращенную конструкцию, когда на роторе обращенного двигателя распо-ложены обмотка возбуждения и два контактных кольца, а кольца, пока-занные на рис.11.2,а, в этом случае не нужны.

Таким образом, питающийся от мостового инвертора трехфазный СД подобен ДПТ.

Рис.11.1.Кольцевая обмотка и простейший коллектор

Рис.11.2.Эквивалентная полупроводниковая схема электрической машины со статическим коммутатором

Применение нашли ВД с трехфазной обмоткой якоря. Схема трехфазного синхронного бесконтактного ВД рис. 11.3, получающего питание от сети переменного тока через промежуточное звено постоян-ного тока – управляемый тиристорный выпрямитель В. Ротор ВД двух-полюсный, с постоянными магнитами или электромагнитной системой возбуждения. На роторе закреплен датчик положения ротора ДПР, кото-рый через систему управления СУ обеспечивает управление инвертором И. Дроссель с индуктивностью Ld поддерживает неизменным значение первичного тока Id.

Использование датчика положения ротора является особенностью ВД, так как сигналы на переключение тиристоров инвертора поступают от системы управления в зависимости от положения ротора, благодаря чему может изменяться частота тока в обмотке ротора. Если бы инвер-тор был независимым ичастота инвертируемого тока поддерживалась неизменной, то рассматриваемая электромеханическая система инвертор – электрическая машина являлась бы обычным СД без регулирования частоты вращения.

Промежуточное звено постоянного тока разделяет частоты сети переменного тока и выхода инвертора, поэтому частота вращения двига-теля не ограничивается частотой сети.

Для ВД небольшой мощности инвертор может быть создан на полностью управляемых элементах (транзисторах, двухоперационных тиристорах), а для ВД средней и большой мощности – на не полностью управляемых элементах (тиристорах, семисторах), а также на полностью управляемых тиристорах (GTOs – gateturnoffthyristors).В последние годы в ВД применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBTs.

Читайте также:  Номиналы автоматических выключателей по току: как грамотно подобрать автомат

При вращении ротора ДПР через систему управления включает вен-тили инвертора и тем самым переключает токи в фазах обмотки якоря. На рис. 11.3 показаны соответствующие положения магнитного потока якоря ФA, ФB, ФС для трех моментов времени t1 t2, t3. Ротор стремится повернуться так, чтобы его магнитный поток возбуждения ФB совпал с потоком обмотки фазы якоря. Когда оси потоков ротора и фазы якоря сближаются, ДПР дает сигнал на включение тока в следующей фазе, что вызывает дальнейший поворот ротора и т.д.

Рис. 11.3. Схема трехфазного синхронного бесконтактного ВД

Инвертирование ВД осуществляется с помощью известных инвер-торных схем. Датчики положения ротора ВД представляют собой встро-енный в двигатель узел, состоящий из чувствительных элементов, закреп-ленных на статоре, и сигнальных элементов, закрепленных на роторе. В относительно мощных ВД наибольшее распространение получили индук-ционные датчики. Существуют ДПР на основе магнитодиодов и фото-элементов. Если требуется глубокое регулирование частоты вращения двигателя, применяют ДПР типа бесконтактного сельсина, который фик-сирует и частоту вращения двигателя.

Кроме ДПР в вентильных двигателях могут использоваться: дат-чики, фиксирующие положение амплитуды полного магнитного потока (на базе датчиков Холла или индукционных элементов с насыщающейся магнитной цепью при прохождении мимо датчиков амплитуды потока двигателя); датчики фазы напряжения якорной обмотки; датчики длительности периода коммутации тиристоров (углау); датчики, сигналы которых пропорциональны напряжению и току двигателя (датчики нагрузки).

Дата добавления: 2014-11-29 ; Просмотров: 1548 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Рис.11.2.Эквивалентная полупроводниковая схема электрической машины со статическим коммутатором

Похожие книги на litres.ru

2. Каасик П.Ю. Магнитное поле и параметры электрических машин. Л.: ЛИАП-ЛЭТИ, 1981. 136с.

Что нужно знать о современных электродвигателях

В статье рассматриваются различные типы электродвигателей, их достоинства и недостатки, перспективы развития.

Типы электродвигателей

Электродвигатели, в настоящее время, это непременная составляющая любого производства. В коммунальном хозяйстве и в быту они тоже применяются очень часто. Например, это вентиляторы, кондиционеры, насосы для отопления и т.д. Поэтому, современному электрику необходимо хорошо разбираться в типах и устройстве этих агрегатов.

Итак, перечислим наиболее часто встречающиеся типы электродвигателей:

1. Электродвигатели постоянного тока, с якорем на постоянных магнитах;

2. Электродвигатели постоянного тока, с якорем, имеющим обмотку возбуждения;

3. Синхронные двигатели переменного тока;

4. Асинхронные двигатели переменного тока;

6. Линейные асинхронные двигатели;

7. Мотор-ролики, т.е. ролики, внутри которых расположены электродвигатели с редукторами;

8. Вентильные электродвигатели.

Электродвигатели постоянного тока

Этот тип двигателей ранее применялся очень широко, но в настоящее время он почти полностью вытеснен асинхронными электродвигателями, по причине сравнительной дешевизны применения последних. Новым направлением в развитии двигателей постоянного тока являются вентильные двигатели постоянного тока с якорем на постоянных магнитах.

В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) электродвигатели постоянного тока допускается использовать только в тех случаях, когда электродвигатели переменного тока не обеспечивают требуемых характеристик приводимых механизмов либо неэкономичны.

Синхронные двигатели

Синхронные электродвигатели часто применяются для различных видов привода, работающего с постоянно скоростью, т.е. для вентиляторов, компрессоров, насосов, генераторов постоянного тока и т.д. Это двигатели мощностью 20 – 10000 кВт, для скоростей вращения 125 – 1000 об/мин.

Двигатели отличаются от генераторов конструктивно наличием на роторе, необходимой для асинхронного пуска ,дополнительной короткозамкнутой обмотки, а также относительно меньшим зазором между статором и ротором.

У синхронных двигателей к.п.д. выше, а масса на единицу мощности меньше, чем у асинхронных на ту же скорость вращения. Ценной особенностью синхронного двигателя по сравнению с асинхронным является возможность регулирования его реактивного тока, т.е. cosφ за счет изменения тока возбуждения обмотки якоря. Таким образом, можно сделать cosφ близким к единице во всех диапазонах работы и, тем самым, поднять кпд и снизить потери в электросети.

Асинхронные двигатели

В настоящее время, это наиболее часто используемый тип двигателей. Асинхронный двигатель – это двигатель переменного тока, частота вращения ротора которого ниже частоты вращения магнитного поля, создаваемого статором.

Меняя частоту и скважность подводимого к статору напряжения, можно менять скорость вращения и момент на валу двигателя. Наиболее часто используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Ротор выполняется из алюминия, что снижает его вес и стоимость.

Основные достоинства таких двигателей – это низкая цена и малый вес. Ремонт электродвигателей такого типа относительно прост и дешев.

Основные недостатки – это малый пусковой момент на валу и большой пусковой ток в 3-5 раз превышающий рабочий. Еще один большой недостаток асинхронного двигателя – это низкий кпд в режиме частичных нагрузок. Например, при нагрузке в 30% от номинальной, кпд может падать с 90% до 40-60%!

Основной способ борьбы с недостатками асинхронного двигателя – это применение частотного привода. Частотный привод преобразует напряжение сети 220/380В в импульсное напряжение переменной частоты и скважности. Тем самым удается в широких пределах менять частоту оборотов и момент на валу двигателя и избавиться практически от всех его врожденных недостатков. Единственная «ложка дегтя» в этой «бочке меда», это высокая цена частотного привода, но на практике все затраты окупаются в течение года!

Серводвигатели

Эти двигатели занимают особую нишу, они применяются там, где требуются прецизионные изменения положения и скорости движения. Это космическая техника, роботостроение, станки с ЧПУ и т.д.

Такие двигатели отличаются применением якорей малого диаметра, т.к. малый диаметр это малый вес. За счет малого веса удается добиться максимального ускорения, т.е. быстрых перемещений. Эти двигатели обычно имеют систему датчиков обратной связи, что позволяет увеличить точность движения и реализовать сложные алгоритмы перемещений и взаимодействия различных систем.

Линейные асинхронные двигатели

Линейный асинхронный двигатель создает магнитное поле, которое перемещает пластину в двигателе. Точность перемещения может составлять 0.03 мм на один метр перемещения, что в три раза меньше толщины человеческого волоса! Обычно пластина (ползун) прикрепляется к механизму, который должен передвигаться.

Такие двигатели имеют очень большую скорость перемещения (до 5 м/с), а следовательно высокую производительность. Скорость перемещения и шаг можно менять. Так как в двигателе минимум движущихся частей, он имеет высокую надежность.

Мотор-ролики

Конструкция таких роликов довольно проста: внутри ведущего ролика находится миниатюрный электродвигатель постоянного тока и редуктор. Мотор ролики применяются на различных конвейерах и сортировочных линиях.

Преимущества мотор-роликов – это низкий уровень шума, более высокий кпд по сравнению с внешним приводом, мотор-ролик практически не нуждается в техобслуживании, поскольку он работает только когда нужно переместить конвейер, его ресурс очень большой. Когда такой ролик выйдет из строя, его можно заменить другим за минимальное время.

Вентильные электродвигатели

Вентильным называют любой двигатель, в котором регулирование режимов работы производится с помощью полупроводниковых (вентильных ) преобразователей. Как правило, это синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов. Статор двигателя управляется при помощи инвертора с микропроцессорным управлением. Двигатель оснащен системой датчиков, для осуществления обратной связи по положению, скорости и ускорению.

Основные достоинства вентильных электродвигателей это:

1. Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания,

2. Высокий ресурс;

3. Большой пусковой момент и большая перегрузочная способность по моменту в (5 и более раз);

4. Высокое быстродействие по переходным процессам;

5. Огромный диапазон регулировок по частоте вращения 1:10000 и более, что минимум на два порядка выше, чем у асинхронных двигателей;

6. Самые лучшие показатели по КПД и cosφ, их КПД на всех нагрузках превышает 90%. В то время, как у асинхронных двигателей КПД на половинных нагрузках может падать до 40-60%!

7. Минимальные токи холостого тока и пусковые токи;

8. Минимальные массогабаритные показатели;

9. Минимальные сроки окупаемости.

По конструктивным особенностям такие двигатели делятся на два основных типа: бесконтактные двигатели постоянного и переменного токов.

Главным направлением совершенствования вентильных электродвигателей в настоящий момент является разработка адаптивных бездатчиковых алгоритмов управления. Это позволит снизить себестоимость и повысить надежность таких приводов.

В такой маленькой статье, конечно, невозможно отразить все аспекты развития систем электропривода, т.к. это очень интересное и быстроразвивающееся направление в технике. Ежегодные электротехнические выставки наглядно демонстрируют постоянный рост количества фирм, стремящихся освоить это направление. Лидеры этого рынка как всегда Siemens AG, General Electric, Bosch Rexroth AG, Ansaldo, Fanuc и др.

1. Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания,

Двухфазный агрегат

В этом случае особенность мотора – это 2 обмотки, сдвиг фазы составляет 90 0 . При подаче нагрузки происходит образование вращающегося магнитного поля. Для изготовления ротора применяется система короткозамкнутого типа. Как правило численность стержней не влияет на число парных полюсов. Если двигатель изготавливается с 2 парами полюсов, ротор может изготавливаться с 14 стержнями.

Нынешняя промышленность выпускает двухфазное оборудование с полым ротором. Такая конструкция позволяет применять их в системах автоматического регулирования мостов и другой техники.

В этом случае особенность мотора – это 2 обмотки, сдвиг фазы составляет 90 0 . При подаче нагрузки происходит образование вращающегося магнитного поля. Для изготовления ротора применяется система короткозамкнутого типа. Как правило численность стержней не влияет на число парных полюсов. Если двигатель изготавливается с 2 парами полюсов, ротор может изготавливаться с 14 стержнями.

Универсальный электродвигатель

Начальный пусковой момент – момент электродвигателя при пуске.

Ссылка на основную публикацию
×
×