Математическое описание вентильной машины

Введение

 

Электроприводом называется электромеханическое устройство, посредством которого приводятся в движение рабочие органы машин и обеспечивается управление энергией, преобразованной из электрической в механическую. Значение автоматизированных электроприводов различного типа в современной технике трудно переоценить и с каждым годом оно всё более возрастает.

Современные электроприводы выполняют на базе асинхронных и синхронных машин, коллекторных двигателей постоянного и переменного тока, бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ). Каждый из представленных электроприводов имеет свои достоинства и недостатки.

Асинхронные приводы просты по конструкции, имеют низкую стоимость и высокую надёжность, просты в управлении (изменением частоты питающего напряжения), но скорость вращения ротора у них зависит от момента нагрузки и, естественно, частоты питающего напряжения.

Синхронные приводы используются в системах с высокими требованиями к постоянству частоты вращения ротора. Их основным недостатком является необходимость применения специальных пусковых обмоток, а также трудности с регулированием частоты вращения ротора.

Электроприводы на базе коллекторных двигателей имеют высокий КПД, возможность плавного регулирования скорости в весьма широком диапазоне, высокий пусковой момент при малом пусковом токе. Их основным недостатком является наличие щёточно-коллекторного узла, который вызывает радиопомехи в большом диапазоне частот, пожаро и взрывоопасен.

Электропривод на базе бесконтактных двигателей постоянного тока не имеют щёточно-коллекторного узла. Он заменён полупроводниковой схемой, управляемой сигналами бесконтактного датчика положения ротора.

В последние годы БДПТ находят самое широкое применение в технике. Интерес к этому классу электрических машин обусловлен их высокой надежностью, способностью работать бесшумно при высоких частотах вращения, во взрывоопасных средах, на больших высотах и т.п. Эти двигатели имеют также хорошие статические и динамические характеристики, приближающиеся к характеристикам коллекторных двигателей постоянного тока.

БДПТ малой и средней мощности выполняются чаще всего на базе синхронной машины с постоянными магнитами на роторе. Обмотки якоря располагаются неподвижно на статоре и подключаются к источнику постоянного тока по средствам полупроводникового инвертора – коммутатора. Силовые ключи коммутатора, коммутирующие обмотку, управляются по сигналу, поступающего с датчика положения ротора (ДПР). ДПР выполняется в одном корпусе с двигателем.

Введение позиционной обратной связи превращает синхронную машину с инверторами в бесконтактный аналог машины постоянного тока, имеющий падающие механические характеристики. В настоящее время находят применения две разновидности БДПТ, отличающие типом обратной связи по положению. В первой разновидности обратная связь осуществляется с помощью параметрических датчиков положения, находящихся в чувствительных элементах (ЧЭ), которые меняют некоторые свои параметры под воздействием какого-либо физического фактора: магнитного поля, излучения и т. д. Такие датчики фиксируют лишь положения ротора, равные числу силовых ключей коммутатора и чаще всего называются дискретными.

Двигатели, выполняемые по другой схеме, в отличие от обычных дискретных БДПТ, имеют аналоговые датчики положения ротора (вращающиеся трансформаторы, сельсины и т. д.). С помощью аналоговых датчиков положения ротора силовые ключи коммутатора коммутируются по закону близкому к синусоидальному. В идеальном случае это позволяет исключить пульсацию момента и расширить диапазон регулирования двигателя. Эти двигатели можно рекомендовать для применения в системах с особо строгими требованиями к постоянству частоты вращения ротора, например: в системах стабилизации и т.п.

БДПТ по сравнению с коллекторным двигателем имеют обращенную конструкцию, то есть обмотка якоря расположена на статоре, а индуктор - на роторе.

Индуктор представляет собой постоянный магнит. Двигатели большой мощности в отличие от двигателей малой и средней мощности называются «вентильными» и выполняются с электромагнитным возбуждением.

Для получения наиболее высоких характеристик двигателей в них используют постоянный магниты из редкоземельных материалов.

Эти магниты исключительно стойкие к размагничиванию и способны запасать магнитную энергию больше той, которая могла быть создана обмоткой, выполненная в том же объеме, что и постоянный магнит.

В БДПТ с редкоземельным индуктором практически можно не учитывать реакцию якоря и можно получить значительную индукцию при больших магнитных зазорах, что позволяет в ряде случаев использовать бес пазовую конструкцию якорной обмотки, выполненную в виде втулки, и применить провод большего сечения, не увеличивая объем машины. Но для полного использования магнитных свойств редкоземельного материала конструкция ротора должна выполняться в виде коллекторной конструкции, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Коллекторная конструкция ротора БДПТ.

Ротор набирается из призматических постоянных магнитов 1, намагниченных по короткой оси. Магниты устанавливаются на немагнитную втулку 2, таким образом, чтобы оси намагничивания магниты были направлены тангенциально. Между магнитами устанавливаются концентраторы немагнитного потока 3.Для обеспечения механической прочности на магниты сверху накладываются вставки из немагнитного материала 4, которые привариваются в местах стыка 5. Магнитный поток, созданный постоянными магнитами, концентрируются в полюсах 3, что обеспечивает высокое значение магнитной индукции в рабочем зазоре, причем концентрация магнитного потока может быть большой и определяться отношением , где:  - ширина магнита,  - полюсное деление, - коэффициент полюсного перекрытия.

Наибольший эффект дает коллекторная конструкция при большом числе полюсов, при котором удается обеспечить большую величину отношения .

К недостаткам вентильных машин следует отнести сложность изготовления как самого двигателя, а это, как правило, сложный ротор из постоянных магнитов с большим трудом подвергающихся обработке, так и вопросы намагничивания ротора; низкую механическую прочность ротора, ограничивающую верхний предел частоты вращения. Кроме этого, им присуще относительно низкая индукция в воздушном зазоре при использовании дешевых магнитотвердых материалов и большая стоимость высокоэнергетических постоянных магнитов типа " Самарий - Кобальт". Еще одна, неприятная особенность вентильных приводов - это наличие встроенного датчика положения ротора и обеспечение его надежной работы.

Несмотря на все перечисленные выше недостатки, ветвь синхронных электрических машин наиболее перспективна и ближайшее время сулит существенный технологический скачок. Уже сегодня имеются разработки синхронных машин, обладающие улучшенными на порядок массогабаритными показателями. Эти машины имеют совершенно новую нетрадиционную конструкцию и очень широкие возможности.

Следовательно, вентильная машина, обладая многими достоинствами коллекторного двигателя, избавлена от его главного недостатка – щёточно-коллекторного узла и связанных с ним проблем. Из всех типов синхронных машин, в управляемых системах наиболее перспективными считаются именно вентильные машины.

Приложение 1

 

Паспортные данные двигателей ДБМ150-4-1, 5-2 и ДБМ185-6-0, 2-2

Тип машины	Момент номинальный (Н·м)	Число пар полюсов	Число фаз	Сопротивление фазы (Ом)	Электромагнитная постоянная времени (мс)	Ток короткого замыкания (А)	Момент короткого замыкания (Н·м)	Скорость холостого хода (об/мин)	Тепловое сопротивление (град/Вт)	Момент инерции (кг·м2)	Масса (кг)
ДБМ150-4-1, 5-2   ДБМ185-6-0, 2-2	4   4	8   8	3   2	0, 05   2, 64	1, 2   1, 4	340   10, 2	47, 3   11, 5	1750   195	0, 2   0, 15	3е-3   9е-3	3, 0   5, 4

 

Приложение 2

 

Приложение 3

Приложение 4

 

Введение

 

Электроприводом называется электромеханическое устройство, посредством которого приводятся в движение рабочие органы машин и обеспечивается управление энергией, преобразованной из электрической в механическую. Значение автоматизированных электроприводов различного типа в современной технике трудно переоценить и с каждым годом оно всё более возрастает.

Современные электроприводы выполняют на базе асинхронных и синхронных машин, коллекторных двигателей постоянного и переменного тока, бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ). Каждый из представленных электроприводов имеет свои достоинства и недостатки.

Асинхронные приводы просты по конструкции, имеют низкую стоимость и высокую надёжность, просты в управлении (изменением частоты питающего напряжения), но скорость вращения ротора у них зависит от момента нагрузки и, естественно, частоты питающего напряжения.

Синхронные приводы используются в системах с высокими требованиями к постоянству частоты вращения ротора. Их основным недостатком является необходимость применения специальных пусковых обмоток, а также трудности с регулированием частоты вращения ротора.

Электроприводы на базе коллекторных двигателей имеют высокий КПД, возможность плавного регулирования скорости в весьма широком диапазоне, высокий пусковой момент при малом пусковом токе. Их основным недостатком является наличие щёточно-коллекторного узла, который вызывает радиопомехи в большом диапазоне частот, пожаро и взрывоопасен.

Электропривод на базе бесконтактных двигателей постоянного тока не имеют щёточно-коллекторного узла. Он заменён полупроводниковой схемой, управляемой сигналами бесконтактного датчика положения ротора.

В последние годы БДПТ находят самое широкое применение в технике. Интерес к этому классу электрических машин обусловлен их высокой надежностью, способностью работать бесшумно при высоких частотах вращения, во взрывоопасных средах, на больших высотах и т.п. Эти двигатели имеют также хорошие статические и динамические характеристики, приближающиеся к характеристикам коллекторных двигателей постоянного тока.

БДПТ малой и средней мощности выполняются чаще всего на базе синхронной машины с постоянными магнитами на роторе. Обмотки якоря располагаются неподвижно на статоре и подключаются к источнику постоянного тока по средствам полупроводникового инвертора – коммутатора. Силовые ключи коммутатора, коммутирующие обмотку, управляются по сигналу, поступающего с датчика положения ротора (ДПР). ДПР выполняется в одном корпусе с двигателем.

Введение позиционной обратной связи превращает синхронную машину с инверторами в бесконтактный аналог машины постоянного тока, имеющий падающие механические характеристики. В настоящее время находят применения две разновидности БДПТ, отличающие типом обратной связи по положению. В первой разновидности обратная связь осуществляется с помощью параметрических датчиков положения, находящихся в чувствительных элементах (ЧЭ), которые меняют некоторые свои параметры под воздействием какого-либо физического фактора: магнитного поля, излучения и т. д. Такие датчики фиксируют лишь положения ротора, равные числу силовых ключей коммутатора и чаще всего называются дискретными.

Двигатели, выполняемые по другой схеме, в отличие от обычных дискретных БДПТ, имеют аналоговые датчики положения ротора (вращающиеся трансформаторы, сельсины и т. д.). С помощью аналоговых датчиков положения ротора силовые ключи коммутатора коммутируются по закону близкому к синусоидальному. В идеальном случае это позволяет исключить пульсацию момента и расширить диапазон регулирования двигателя. Эти двигатели можно рекомендовать для применения в системах с особо строгими требованиями к постоянству частоты вращения ротора, например: в системах стабилизации и т.п.

БДПТ по сравнению с коллекторным двигателем имеют обращенную конструкцию, то есть обмотка якоря расположена на статоре, а индуктор - на роторе.

Индуктор представляет собой постоянный магнит. Двигатели большой мощности в отличие от двигателей малой и средней мощности называются «вентильными» и выполняются с электромагнитным возбуждением.

Для получения наиболее высоких характеристик двигателей в них используют постоянный магниты из редкоземельных материалов.

Эти магниты исключительно стойкие к размагничиванию и способны запасать магнитную энергию больше той, которая могла быть создана обмоткой, выполненная в том же объеме, что и постоянный магнит.

В БДПТ с редкоземельным индуктором практически можно не учитывать реакцию якоря и можно получить значительную индукцию при больших магнитных зазорах, что позволяет в ряде случаев использовать бес пазовую конструкцию якорной обмотки, выполненную в виде втулки, и применить провод большего сечения, не увеличивая объем машины. Но для полного использования магнитных свойств редкоземельного материала конструкция ротора должна выполняться в виде коллекторной конструкции, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Коллекторная конструкция ротора БДПТ.

Ротор набирается из призматических постоянных магнитов 1, намагниченных по короткой оси. Магниты устанавливаются на немагнитную втулку 2, таким образом, чтобы оси намагничивания магниты были направлены тангенциально. Между магнитами устанавливаются концентраторы немагнитного потока 3.Для обеспечения механической прочности на магниты сверху накладываются вставки из немагнитного материала 4, которые привариваются в местах стыка 5. Магнитный поток, созданный постоянными магнитами, концентрируются в полюсах 3, что обеспечивает высокое значение магнитной индукции в рабочем зазоре, причем концентрация магнитного потока может быть большой и определяться отношением , где:  - ширина магнита,  - полюсное деление, - коэффициент полюсного перекрытия.

Наибольший эффект дает коллекторная конструкция при большом числе полюсов, при котором удается обеспечить большую величину отношения .

К недостаткам вентильных машин следует отнести сложность изготовления как самого двигателя, а это, как правило, сложный ротор из постоянных магнитов с большим трудом подвергающихся обработке, так и вопросы намагничивания ротора; низкую механическую прочность ротора, ограничивающую верхний предел частоты вращения. Кроме этого, им присуще относительно низкая индукция в воздушном зазоре при использовании дешевых магнитотвердых материалов и большая стоимость высокоэнергетических постоянных магнитов типа " Самарий - Кобальт". Еще одна, неприятная особенность вентильных приводов - это наличие встроенного датчика положения ротора и обеспечение его надежной работы.

Несмотря на все перечисленные выше недостатки, ветвь синхронных электрических машин наиболее перспективна и ближайшее время сулит существенный технологический скачок. Уже сегодня имеются разработки синхронных машин, обладающие улучшенными на порядок массогабаритными показателями. Эти машины имеют совершенно новую нетрадиционную конструкцию и очень широкие возможности.

Следовательно, вентильная машина, обладая многими достоинствами коллекторного двигателя, избавлена от его главного недостатка – щёточно-коллекторного узла и связанных с ним проблем. Из всех типов синхронных машин, в управляемых системах наиболее перспективными считаются именно вентильные машины.

Математическое описание вентильной машины

 

Электропривод на основе вентильной машины представляет собой синхронный двигатель в замкнутой системе (рис. 2) реализованный с использованием датчика положения ротора (ДПР), преобразователя координат (ПК) и силового полупроводникового преобразователя (СПП).

 

 

Рис. 2. Функциональная схема БДПТ и ВМ.

 

В случае БДПТ на обмотках машины формируется импульсное напряжение (ток), а в случае вентильной машины на выходе СПП формируется синусоидальное или квазисинусоидальное напряжение (ток).

Принцип управления вентильной машиной поясняет рис. 3. Датчик положения ротора (ДПР), преобразователь координат (ПК) и силовой полупроводниковый преобразователь (СПП) совместно формируют на обмотках статора машины напряжения , ,  таким образом, чтобы результирующий вектор напряжений  всегда был сдвинут на угол  и неподвижен относительно оси магнитного поля ротора.

Рис. 3. Физическая модель вентильной машины.

 

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора , что и создаёт момент на валу машины.

Ось магнитного поля в синхронной машине принято обозначать , а перпендикулярную ось – буквой  (рис. 3). При анализе машины ось  считается вещественной осью, а ось  – мнимой.

Уравнения равновесия ЭДС на обмотках статора в неподвижной системе координат базируются на втором законе Кирхгофа (ротор не имеет обмоток).

 

  (1)

 

где

 

,

,

 

Преобразовав уравнения в мгновенных значениях к уравнениям в пространственных векторах, получим:

 

(2)

 

где  – индуктивность статора,  – потокосцепление статора в неподвижной системе координат.

Электромагнитный момент, развиваемый машиной, равен:

 

 (3)

 

Уравнение равновесия моментов на валу машины:

 

  (4)

 

где ,  – число пар полюсов.

123Следующая ⇒

Поделиться: