Электропривод с вентильно-индукторным двигателем

Вентильно–индукторный электропривод (ВИЭП) выполняется на основе вентильно – индукторного двигателя (ВИД), имеющего в своем составе индукторную электрическую машину (ИМ) и полупроводниковую систему управления. ВИД – это относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии, который сочетает в себе свойства и электрической машины, и интегрированной системы регулируемого электропривода. ВИД обеспечивает преобразование электрической энергии, которая поступает от питающей сети, в механическую энергию, передаваемую в нагрузку. Как система регулируемого электропривода, ВИЭП дает возможность осуществлять управление этим процессом в соответствии с особенностями конкретной нагрузки: регулировать частоту вращения, момент, мощность и так далее.

По своей структуре ВИЭП ничем не отличается от классической системы регулируемого электропривода. Именно поэтому он и обладает всеми ее свойствами. Однако в отличие от регулируемого электропривода, например с асинхронным двигателем, ВИД в ВИЭП не является самодостаточным. Он принципиально неспособен работать без преобразователя частоты и системы управления. Преобразователь частоты и система управления являются неотъемлемыми частями ВИЭП, необходимыми для осуществления электромеханического преобразования энергии. Это дает право утверждать, что совокупность структурных элементов, представленных на рис. 156, является не только системой регулируемого электропривода, но и электромеханическим преобразователем энергии.

Итак, в состав ВИЭП входят: индукторная машина (ИМ), преобразователь частоты (ПЧ), система управления и датчик положения ротора (ДПР). Функциональное назначение этих элементов ВИЭП очевидно: преобразователь частоты обеспечивает питание фаз ИМ однополярными импульсами напряжения прямоугольной формы; ИМ осуществляет электромеханическое преобразование энергии, а система управления в соответствии с заложенным в нее алгоритмом и сигналами обратной связи, поступающими от датчика положения ротора, управляет данным процессом.

В современных схемах ВИЭП широко используются микропро­цессорные средства управления, позволяющие в ряде случаев отка­заться от применения датчика положения, а необходимую для ра­боты информацию о положении ротора получать косвенным пу­тем. Это позволяет упростить кинематическую схему ВИЭП и сде­лать его более простым и надежным.

Конструкция ВИД. ИМ, входящая в состав ВИД, может иметь различные конструктивные исполнения. На рис.157, для примера, приведено поперечное сечение 4^х–фазной ИМ (m=4) конфигурации 8/6. При обозначении конфигурации ИМ первая цифра указывает число зубцов (полюсов) статора, вторая – число

\зубцов ротора.

Рис. 156. Структурная схема ВИЭП

Рис.157. Поперечное сечение 4^х–фазной ИМ конфигурации 8/6

Отметим, что ИМ имеет следующие конструктивные особенности:

– сердечники статора и ротора имеют явнополюсную структуру;

– число зубцов относительно невелико. При этом число зубцов (полюсов) статора больше числа зубцов ротора;

– сердечники статора и ротора выполняются шихтованными;

– обмотка статора – сосредоточенная катушечная. Она может быть одно- или многофазной;

– фаза ИМ, как правило, состоит из двух катушек, расположенных на диаметрально противоположных полюсах статора. Известны ИМ с удвоенным числом полюсов статора и ротора. В 4^х–фазном исполнении они имеют конфигурацию 16/12. Фаза такой ИМ состоит из двух пар катушек, которые располагаются на полюсах статора таким образом, что их оси ортогональны;

– катушки фазы могут быть соединены в электрическом отношении параллельно или последовательно; в магнитном – согласно или встречно;

– обмотка на роторе ИМ отсутствует.

Конструктивно ИМ, преобразователь частоты и система управления в ВИД могут быть выполнены раздельно. При этом в процессе работы они могут находиться на достаточно большом удалении друг от друга.

В последние время в мире наблюдается устойчивая тенденция выполнения преобразователя частоты и двигателя в одном корпусе. Такое конструктивное исполнение в англоязычной литературе получило название combimaster, что на русский язык может быть переведено как электропривод интегрального исполнения.

На полюсах статора ИД, приведенного на рис.156, расположены три обмотки А-а, В-в, С-с, которые подключен­ы к полупроводниковому коммута­тору, выполняемому обычно на силовых транзисторах того или иного типа. В каче­стве управляемых ключей коммутатора используются силовые би­полярные транзисторы VТ1...VТ6 с изолированным затвором типа IGBT. Управление ключами осуществляет схема управления СУ, обеспечивающая подачу на них импульсов управления с необходи­мыми последовательностью и частотой, которые определяются сиг­налами задания скорости U_{з. с} и датчика положения U_д.п.

Требу­емая последовательность подключения фаз двигателя к источнику питания, при которой на его валу обеспечивается постоянное на­правление вращающего момента, осуществляется с помощью нахо­дящегося на валу датчика положения.

Диоды VD1... VD6 служат для обес­печения возможности циркуляции электромагнитной мощности в ЭП при отключении силовых транзисторов, а конденсатор С игра­ет роль фильтра на выходе выпрямителя.

В ВИД интегральное исполнение преобразователя частоты и ИМ является более выгодным по сравнению с частотно – управляемым асинхронным приводом. Дело в том, что в отличие от асинхронной, фазы индукторной машины электрически не связаны между собой. Таким образом, если для соединения 3^х–фазного асинхронного двигателя с преобразователем частоты требуется три провода, то для 3^х–фазной индукторной машины – шесть (см. рис.158, а и б). Очевидно, что увеличение числа фаз ведет к увеличению числа соединительных проводов. Следовательно, использование интегрального исполнения ВИД позволяет существенно снизить расход соединительных проводов или кабелей.

1.1.1.1.1.1.1 А

1.1.1.1.1.1.2 А

Рис. 158. Схема соединения электрической машины и преобразователя частоты: а) в частотно–регулируемом асинхронном электроприводе; б) в ВИД

Принцип действия ВИД основан на свойстве ферромагнитных тел ориентироваться во внешнем магнитном поле таким образом, чтобы пронизывающий их магнитный поток принимал максимальное значение.

Рис. 159. Распределение поля в ВИД конфигурации 12/8

Рассмотрим принцип действия ВИД на примере 4^х – фазной индукторной машины конфигурации 8/6. На рис. 159 приведена картина распределения магнитного поля в ВИД конфигурации 12/8. На рис. 160, а показано так называемое рассогласованное взаимное положение сердечников статора и ротора для фазы А этой машины.

Рис. 160. К пояснению принципа действия ВИД: а- рассогласованное положение сердечников для фазы А; б - промежуточное положение сердечников для фазы А; в- согласованное положение сердечников для фазы А.

Рассогласованным положением сердечников статора и ротора для некоторой фазы ИМ называется такое положение, при котором ось каждой катушки этой фазы совпадает с одной из осей q (рис. 161) ротора, то есть зубцы фазы располагаются строго напротив пазов ротора. Это положение характеризуется минимальным значением индуктивности фазы и магнитного потока, сцепленного с ней, что объясняется максимальным значением магнитного сопротивления зазора между сердечниками. В теории ВИД рассогласованное положение одной из фаз принимается за начало отсчета углового положения сердечников статора и ротора. В рамках данного пособия за начало отсчета принято рассогласованное положение фазы А.

Рис. 161. Расположение осей d и q ротора ИМ

Предположим, что в этом положении по сигналу системы управления произойдет коммутация ключей преобразователя частоты и к фазе А будет приложено постоянное напряжение U_А, тогда по катушкам фазы потечет ток i_A, который создаст МДС F_A. Эта МДС, в свою очередь, возбудит в машине магнитное поле.

В магнитном поле фазы А ротор будет стремиться ориентироваться таким образом, чтобы магнитный поток, пронизывающий его, принял максимальное значение. При этом на сердечники статора и ротора будут действовать одинаковые по значению и обратные по направлению пондеромоторные силы (ПС) тяжения. Очевидно, что силы, действующие на первый и четвертый зубцы ротора, будут стремиться повернуть его по часовой стрелке, а силы, действующие на второй и пятый зубцы – против. В силу того, что ротор в данном положении симметричен относительно оси возбужденной фазы, равнодействующая азимутальной составляющей этих сил будет равна нулю. Таким образом, в рассогласованном положении ИМ и ВИД не развивают вращающего момента.

Рассогласованное положение представляет собой точку неустойчивого равновесия. Действительно, если под действием какого–либо внешнего воздействия ротор отклонится от рассогласованного положения в том или ином направлении, то равнодействующая азимутальных составляющих ПС сердечников уже не будет равна нулю. Следовательно, возникнет вращающий момент, который будет стремиться повернуть ротор в направлении от рассогласованного положения.

Возьмем другое положение ротора, показанное на рис. 160, б. Здесь фаза А имеет большее потокосцепление и индуктивность, чем в рассогласованном положении, что объясняется меньшей величиной зазора между сердечниками. При этом равнодействующая азимутальных составляющих ПС сердечников отлична от нуля, и созданный ею электромагнитный момент стремиться повернуть ротор ИМ против часовой стрелки.

Вращение ротора будет продолжаться до тех пор, пока он не займет положение, показанное на рис. 160, в. Это положение называется согласованным положением фазы А.

Согласованным положением сердечников статора и ротора ИМ для какой–либо фазы называется такое положение, при котором ось каждой катушки этой фазы совпадает с одной из осей d (рис. 161) ротора, то есть зубцы фазы располагаются строго напротив зубцов ротора. Это положение характеризуется максимальным значением индуктивности фазы и сцепленного с ней магнитного потока, что объясняется минимальной величиной магнитного сопротивления зазора между сердечниками. В этом положении ПС притяжения сердечников имеют только радиальные составляющие. В силу чего вращающий момент ИМ в этом положении равен нулю.

Согласованное положение представляет собой точку устойчивого равновесия. Действительно, если под действием какой–либо внешней силы ротор отклонится от согласованного положения в ту или иную сторону, то возникший электромагнитный момент будет стремиться вернуть его в согласованное положение.

Для того чтобы продолжить однонаправленное вращение ротора, необходимо еще до достижения согласованного положения фазы А осуществить коммутацию ключей преобразователя частоты, в результате которой фаза А должна быть отсоединена от источника питания, а фаза, момент которой будет стремиться продолжить вращение ротора в прежнем направлении, подключена к нему. В данном случае это фаза В.

Взаимное положение сердечников статора и ротора, близкое к согласованному положению для фазы А, является для фазы В близким к рассогласованному положению, то есть при подаче на нее напряжения и протекании по ее катушкам тока возникнет отличный от нуля вращающий момент, который будет стремиться повернуть ротор против часовой стрелки. Необходимость коммутации фаз еще до достижения согласованного положения сердечников диктуется желанием получить как можно меньшее значение тока в отключаемой фазе при достижении ее согласованного положения.

Рис. 162. Контуры замыкания тока в фазе ВИД на интервале коммутации:

а) ключи SV1, SV2 – замкнуты; б) ключ SV1 – разомкнут, SV2 – замкнут;

в) ключи SV1, SV2 – разомкнуты; к фазе приложено обратное напряжение

Дело в том, что после отключения фазы накопленная в ней энергия магнитного поля не может исчезнуть мгновенно. Она расходуется на поддержание постоянства потокосцепления фазы, в силу чего в ней возникает ЭДС самоиндукции, и ток фазы остается отличным от нуля еще некоторое время после ее коммутации. Он замыкается через встречно включенный диод D2, ключ SV2 преобразователя частоты и питающую сеть (рис. 162, б). В конечном итоге ток достигнет нулевого значения (энергия магнитного поля выделится в виде электрических потерь на активных сопротивлениях фазы, встречно включенного диода D2 и ключа SV2). Однако если этот ток будет отличен от нуля в согласованном положении фазы, то при дальнейшем вращении ротора созданное им магнитное поле приведет к возникновению тормозного электромагнитного момента. С целью более быстрого гашения поля в ИМ после отключения фазы на нее подают напряжение обратной полярности (рис. 162, в).

Фаза В будет находиться под напряжением до тех пор, пока ротор не достигнет положения, близкого к согласованному положению. При достижении этого положения от ДПР в систему управления поступит соответствующий сигнал, обработка которого приведет к выдаче управляющего воздействия на преобразователь частоты и переключению фаз В и С. Цикл повторится.

Таким образом, проводя последовательную коммутацию фаз, можно осуществить однонаправленное вращение ротора ИМ. Последовательность коммутации фаз определяется алгоритмом, заложенным в систему управления. Исходными данными для ее работы являются сигналы о положении ротора, поступающие от ДПР, что исключает возможность неправильной коммутации фаз.

Алгоритмы коммутации фаз ВИД. В рассмотренном примере четырехфазного ВИД в каждый момент времени работает только одна фаза ВИД (А–В–С–D–A–…).

Коммутация фаз ИМ, при которой в каждый момент времени работает только одна его фаза, называется одиночной симметричной (рис. 163, а).

Симметричная коммутация фаз является наиболее простой. Кроме нее в ИМ возможны парная симметричная коммутация и несимметричная коммутация фаз.

Коммутация фаз ИМ, при которой в каждый момент времени работают две фазы двигателя (АВ–BC–CD–DA–AB–…), называется парной симметричной (рис. 163, б).

Коммутация фаз ИМ, при которой попеременно работают то одна, то две фазы двигателя (A–AB–B–BC–C–CD–D–DA–A–…), называется несимметричной (рис. 163, в).

Алгоритм коммутации фаз характеризуется нескольким параметрами:

– количеством тактов в полном цикле коммутации ζ;

– тактовым углом e, который определяет угол поворота ротора за один такт коммутации;

– числом тактов на один оборот ротора ξ.

Тактом коммутации называется интервал времени, в пределах которого работает только одна фаза или их комбинация и не происходит включение другой фазы или их комбинации.

Цикл коммутации – это последовательность следующих друг за другом тактов, которая периодически повторяется.

Количество тактов в полном цикле для случая симметричной одиночной или парной коммутации равно числу фаз, то есть

ζ=m, (270)

а для случая несимметричной коммутации определяется удвоенным числом фаз

ζ=2m, (271)

Тактовый угол e в общем случае может быть найден по формуле

, (272)

где Z_p – число зубцов ротора.

Используя последнее соотношение, легко получить выражение для количества тактов на один оборот ротора

(273)

Связь между частотой возбуждения фаз ИМ f и скоростью вращения ротора n. Предположим, что ротор двигателя вращается со скоростью n=60 об/мин. Очевидно, что частота следования импульсов напряжения, прикладываемого к одной фазе двигателя f, в этом случае равна

(274)

Коэффициенты и в формуле (274) для симметричной парной и несимметричной коммутации, объясняются тем, что каждая фаза работает на двух и трех тактах соответственно.

Таким образом, если двигатель имеет произвольную частоту вращения n об/мин, то частота следования импульсов напряжения, подаваемых на каждую отдельную фазу, может быть определена исходя из соотношения

(275)

или

(276)

В таблице приведена зависимость частоты вращения ВИД от конфигурации магнитной системы ИМ.

Коэффициент электромагнитной редукции ВИД.Число Z_рв (276) всегда больше единицы, поэтому угловая частота вращения поля в ИМ Ω_c=2πf всегда выше угловой частоты вращения ротораΩ_р=2πn/60.

Отношение частоты вращения магнитного поля к частоте вращения ротора в ВИД называется коэффициентом электромагнитной редукции k_ЭР.

k_ЭР= Ω_c /Ω_р= 2πf60/2πn =60f/n. (277)

С учетом (276) коэффициент редукции

k_ЭР= kZ_p,

где k– коэффициент, равный 1, и для случаев симметричной одиночной и парной, несимметричной коммутации соответственно.

Таким образом, k_ЭР определяется конструкцией двигателя (числом зубцов ротора Z_p) и алгоритмом управления коммутации фаз (числом тактов в полном цикле коммутации ζ).

Коэффициент электромагнитной редукции k_ЭР всегда больше единицы, так как

Ω_c> Ω_р.

Рис.163. Последовательность возбуждения фаз 4^х-фазной ИМ конфигурации 8/6 при различных алгоритмах коммутации: а) симметричная одиночная коммутация; б) симметричная парная коммутация; в) несимметричная коммутация.

Из (276) получим формулы для расчета скорости вращения ротора двигателя при известной частоте следования импульсов напряжения, подаваемого на каждую отдельную фазу обмотки статора, и выбранным алгоритмом управления коммутации фаз.

Ω_р= Ω_c/k_ЭР=2πf/kZ_p рад/с, (278)

а скорость вращения ротора в оборотах в минуту

n=60Ω_р/2π=60f/kZ_p об/мин. (279)

Формулы (278) и (279) показывают возможность выполнения ВИД с раз­личными скоростями. При высокой частоте коммутации обмоток ВИД имеют большие скорости вращения, а большое число полюсов статора и зубцов ротора определяет их низкие скорости. При низ­ких скоростях ИД из кинематической схемы ВИЭП можно исклю­чить редукторы.

В табл. 14 приведены значения скорости вращения ВИД при различных значениях числа фаз обмотки статора m, числа зубцов ротора Z_p и частоты следования импульсов напряжения f, подаваемых на отдельную фазу.

Кривая тока фазы имеет форму однополярного импульса (см. рис. 164) и может быть разбита на три участка:

– участок резкого нарастания тока (γ_on<γ< γ₁);

– участок медленного спадания тока (γ₁<γ< γ_off);

– участок быстрого уменьшения тока до нулевого значения (γ >γ_off).

Рис.164. Кривая фазного тока ИМ

Резкое нарастание тока происходит при низком значении противоЭДС, которое наблюдается на интервале от рассогласованного положения γ_u до начала перекрытия полюсов статора и ротора γ₁. Замедление роста тока или даже его снижение на втором участке обусловлено резким нарастанием противоЭДС. Второй участок занимает угловой интервал от начала перекрытия полюсов статора и ротора γ₁ до момента отключения фазы от источника питания γ_off (инвертирования напряжения). Третий участок сопровождается более резким по сравнению со вторым спаданием тока, что обусловлено тем, что на этом участке к фазе приложено напряжение обратной полярности.

Анализ рис. 164 позволяет сделать вывод о том, что ток фазы ИМ имеет резко несинусоидальный характер.

Таблица 14. Зависимость скорости вращения ЭП от параметров двигателя и способа коммутации

В заключение данного раздела заметим, что характер кривой фазного тока зависит не только от величины приложенного напряжения, но и от частоты вращения ротора и углов включения и отключения фазы. На рис. 164 показаны зависимости фазного тока при относительно небольшой частоте вращения и различных углах коммутации γ_on, γ_off.

Исходя из определения алгоритма симметричной одиночной коммутации фаз, в каждый момент времени работает только одна фаза. Следовательно, в пределах каждого такта коммутации направление вектора МДС в пространстве остается неизменным, а его величина изменяется в соответствии с изменением тока возбужденной фазы от нулевого значения в начале такта коммутации через максимальное значение до нулевого значения в конце такта коммутации.

В момент перехода системы из одного такта коммутации в другой вектор МДС ИМ изменяет свою ориентацию в пространстве на величину тактового угла. Количество положений вектора МДС в пространстве определяется числом фаз двигателя.

Кривая изменения мгновенного момента фазы ВИД.Исходя из принципа действия ВИД, каждая его фаза может развивать ненулевой вращающий момент в двигательном режиме на интервале от рассогласованного до согласованного положения. Этот интервал называется абсолютной моментной зоной и определяется соотношением

γ_абс=π/Z_р. (280)

На границах абсолютной моментной зоны момент, развиваемый фазой, принимает нулевое значение. Примерный характер его изменения внутри абсолютной моментной зоны показан на рис. 165.

Рис.165. Кривая мгновенного момента фазы двигателя

Экспериментальные исследования данной зависимости показывают, что максимальный момент фаза развивает на интервале увеличения взаимного перекрытия полюсов статора и ротора. Этот интервал называется эффективной моментной зоной.

Механические характеристики в разомкнутой структуре ВИД при различных напряжениях питания U показаны на рис. 167, в. При помощи различных обратных связей могут быть сформированы характеристики, обеспечивающие регулирование координат ЭП с требуемым качеством. В ВИД за счет выбора моментов включения и отключения обмоток двигателя может быть реализован и тормоз­ной режим работы.

Общее выражение для механических характеристик можно получить из основного уравнения равновесия напряжения цепи фазы обмотки статора, описывающего этот процесс на каждом такте коммутации:

где U_d - напряжение постоянного тока на входе инвертора напряжения;

Ψ – потокосцепление обмотки фазы статора.

Для получения качественной зависимости скорости вращения от момента нагрузки примем следующие допущения:

- потокосцепление Ψ во времени на интервале одного такта изменяется линейно;

- импульсы тока фазы имеет прямоугольную форму (рис. 167, б);

- потокосцепление обмотки фазы Ψ = L_фi;

- падение напряжения на активном сопротивлении обмотки фазы статора iR_ф=0.

С учетом принятых допущений уравнение равновесия напряжения цепи фазы обмотки статора для каждого такта θ принимает вид

(281)

Пренебрегая падением напряжения L_фdi/dt и полагая dL_ф/dθ=const и dθ/dt=Ω, получим упрощенную форму уравнения равновесия напряжения цепи фазы обмотки статора

U_d≡i_фΩ. (282)

Поскольку электромагнитный момент М пропорционален произведению тока фазы обмотки статора i_ф и среднего значения потока Ф_ср, т.е.

М≡ i_фФ_ср

нетрудно получить зависимость U_d≡ М Ω, из которой получим выражение механической характеристики

Ω≡ U_d/ М. (283)

Из полученного выражения механической характеристики можно сделать следующие выводы:

- скорость вращения прямо пропорциональна напряжению, подаваемого на ВИД;

- скорость вращения обратно пропорциональна моменту нагрузки; зависимость

Ω= f (М) носит гиперболический характер.

Механические характеристики ВИД при разных напряжениях и при отсутствии обратных связей показаны на рис. 167, в.

Выражение электромагнитного момента для установившегося режима работы ВИД имеет достаточно сложный вид из-за наличия реальных нелинейных зависимостей величины индуктивности фазы от тока фазы и угла поворота L_ф=f(I_ф, θ). При этом на каждом такте коммутации по мере перехода ротора от рассогласованного состояния 1 к согласованному состоянию 2 потокосцепление Ψ и ток i изменяются по сложной траектории (рис. 167, а, б).

Рис. 167. Характеристики вентильно-индукторного электропривода:
а — зависимость Ψ = f(i)); б — упрощенные зависимости Ψ(θ) и i(θ); в - механические характеристики разомкнутой системы ВИЭП

Шумы и вибрации ВИД. Пондеромоторные силы взаимодействия сердечников статора и ротора в ВИД имеют две составляющих: азимутальную, определяющую вращающий момент двигателя, и радиальную, наличие которой влечет за собой деформацию сердечников. Деформация сердечников приводит к возникновению вибрации двигателя и излучению звуковых волн. Исследования показывают, что основным элементом конструкции ВИД, излучающим звуковые волны, является сердечник статора. Момент и создающие его силы имеют резко несинусоидальный характер и могут быть разложены в ряд Фурье. Как всякая механическая система, сердечник статора имеет резонансные частоты собственных колебаний. При совпадении частоты какой–либо гармоники пондеромоторной силы с одной из собственных частот колебаний статора возникает явление механического резонанса, которое сопровождается резким возрастанием амплитуды деформаций сердечника по данной гармонике, и, следовательно, уровня шума излучаемого двигателем. Исследования показывают, что наиболее важными являются первые три резонансные частоты.

Для снижения уровня шумов и вибраций следует проектировать ВИД таким образом, чтобы резонансные частоты сердечника статора принимали как можно большие значения. При этом резко снижается вероятность того, что первые гармоники в кривой пондеромоторной силы будут иметь частоты, совпадающие с резонансными.