Скачать книгу из которой взят данный материал

§ 5.7. Рабочие процессы в бесконтактных вентильных двигателях постоянного тока

Бесконтактный двигатель постоянного тока является органическим объединением электромеханического и полупроводникового преобразователей.

Принцип действия ВДПТ. Вентильный двигатель постоянного тока (ВДПТ) выполняется на основе полупроводникового инвертора и бесконтактного двигателя переменного тока с обмоткой якоря на статоре и магнитными полюсами на роторе. К вентильным относятся двигатели постоянного и переменного тока (репульсионные) с обмотками на роторе, питаемыми через щеточный контакт. Однако термин «вентильный двигатель» (ВД) все чаще становится синонимом ВДПТ и в таком смысле используется при дальнейшем анализе.

Рассмотрим работу ВД, в котором двигательная часть содержит двухполюсный ротор и трехфазный

якорь С катушками АА', ВВ'_У р_ис 5.23. Схема бесконтактного двигателя СС\ а в качестве инвертора    постоянного    тока

используется инвертор тока,

обеспечивающий, как известно, неизменное значение первичного тока 1а благодаря индуктивности С_д (рис. 5.23). Инвертор И собирается на управляемых полупроводниковых элементах — тиристорах или транзисторах (для ВД малой мощности). Управление инвертором в наиболее простом варианте осуществляется системой управления СУ с помощью бесконтактных датчиков положения ротора ДПР. Помимо ДПР в ВД могут использоваться датчики, фиксирующие положение амплитуды полного магнитного потока, длительность периода коммутации вентилей (угла у) и др., а также датчики, сигналы которых пропорциональны напряжению и току двигателя (датчики нагрузки). Конструкция ротора ВД такая же, как у любого из рассмотренных ранее БСГ.

Пусть в момент /1 ротор и связанный с ним поток возбуждения Ф_в занимают положение, изображенное на рисунке, а ДПР включают соответствующие полупроводниковые элементы фазы А и протекающий в катушке А А' ток 1_АА, создает поток Ф_А^\), направленный под некоторым >глом к потоку ф_в. Благодаря магнитным силам ротор начнет поворачиваться так, чтобы поток Ф_в совпал с потоком CDa(^i). Когда оси потоков Ф_в и Фа(^) сблизятся, ДПР дают сигналы на переключение соответствующих элементов инвертора, благодаря чему возникает ток 1в'в в фазе В, а ток /аа' исчезает. Порядок индексов в обозначении тока соответствует его направлению в проводниках катушек. Поток якоря скачком переводится в положение Фв(7₂), что вызовет дальнейший поворот ротора против часовой стрелки. При сближении осей потоков Ф_в и Фвf^2) по сигналу ДПР элементы инвертора опять переключаются, возникает ток 1_Сс в катушке фазы С, фаза В отключается, создается очередное скачкообразное перемещение Ф на 60° в положение Фс(7з)> ^что приводит к дальнейшему повороту ротора, затем создается ток 1а а и т. д. Обычно на роторе ВД имеются высокопроводящие контуры (демпферные обмотки, полюсные наконечники и др.)» которые согласно известному правилу Ленца стремятся ослабить изменение магнитного потока в роторе. Поэтому скачкообразные перемещения потока относительно ротора сглаживаются и для ВД средней и большой мощности можно полагать, что поток якоря вращается равномерно со средней скоростью ротора, т. е. в МДС якоря превалирует первая гармоника, создающая синхронно вращающееся поле, а высшие гармоники МДС подавляются демпфирующими контурами.

Вращение ротора, в свою очередь, приводит к наведению в обмотках якоря ЭДС вращения, которая, как известно, пропорциональна частоте вращения ротора п и потоку. Форму кривой ЭДС вращения в первом приближении можно считать синусоидальной. ЭДС вращения, подобно ЭДС коллекторных и синхронных двигателей, стремится скомпенсировать приложенное к якорю напряжение. Ясно, что чем больше подводимое к двигателю напряжение, тем больше должна быть компенсирующая его ЭДС, а следовательно, и частота вращения ротора. Таким образом, один из способов регулирования частоты вращения п двигателя связан с изменением напряжения питания. Другой способ регулирования п основан на изменении значения Ф_в (например, с помощью тока возбуждения, если в ВД имеются обмотки возбуждения). Если уменьшать Ф_в, сохраняя неизменным напряжение питания, то для поддержания требуемой ЭДС вращения двигатель ускорится до больших значений п. Третьим способом регулирования п является увеличение угла опережения включения катушек на статоре по отношениию к положению ротора, что обычно также приводит к ускорению ротора.

Таким образом, в ВД имеются вращающаяся МДС якоря и ротор с магнитными полюсами, вращающийся с той же (синхронной) скоростью, что и МДС якоря, и индуцирующий в якоре синусоидальную ЭДС вращения. Это позволяет в дальнейшем анализировать ВД на базе теории синхронных машин.

В то же время при определенных условиях ВД по происходящим в них процессам близки к коллекторным двигателям постоянного тока. Поэтому в ряде случаев можно исследовать ВД по средним параметрам с использованием элементов теории классических машин постоянного тока, как это показано ниже.

Инвертирование тока в ВД. Инвертирование тока в ВД осуществляется с помощью известных инверторных схем, особенности работы которых определяются типом полупроводниковых элементов. В ВД малой мощности инвертор содержит транзисторы, работающие в ключевом режиме, которые включаются и отключаются от ДПР в нужные моменты времени. Инверторы на транзисторах, используемые для питания ВД, подробно рассмотрены в технической литературе. Для ВД повышенной мощности в инверторе применяют тиристоры.

Их включение обеспечивается сигналами, зависящими от положения ротора, а отключение требует создания паузы рабочего тока (см. § 5.1). Наиболее рациональный способ отключения тиристоров в ВД обеспечивается в схемах с естественной коммутацией (называемой также машинной коммутацией). Суть последней заключается в использовании ЭДС вращения, наводимой в якорных обмотках, для создания паузы тока в тиристорах. В тиристорных инверторах ВД можно применять и искусственную комутацию, при которой пауза тока в тиристорах создается с помощью специальной электрической схемы, обычно содержащей вспомогательные конденсаторы.

Рассмотрим трехфазный мостовой инвертор тока на тиристорах с машинной коммутацией, широко используемый в силовых ВД. Его схема приведена на рис. 5.24, а временные диаграммы напряжений и токов — на рис. 5.25. Под ид, ив, и_с, как и в генераторах, понимаются мгновенные фазовые значения напряжений на зажимах обмоток фаз машины, определяемые ЭДС обмоток за вычетом падений напряжения из-за реакции якоря, падений напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния и внутреннем омическом сопротивлении обмоток фаз. Возможность использования в качестве и_А, и_в, ис, так называемой неискаженной ЭДС машины обсуждалась при рассмотрении ВГ.

Схема соединения вентилей соответствует полярности приложенного напряжения и а: плюсовой зажим подключен к вентилям 1, 3, 5 анодной группы (рис. 5.24), минусовый — к вентилям 2, 4, 6 катодной группы. Положительные значения фазных напряжений

Мл, Мл, и_с соответствуют положительным потенциалам средних точек моста инвертора. Потенциал нулевой точки якорной обмотки ВД будем считать нулевым.

Для того чтобы ток от внешнего источника поступал в якорь ВД, приложенное к входным зажимам инвертора внешнее напряжение иа должно в среднем несколько превышать линейные напряжения на обмотках. Входной ток инвертора сглаживается индуктивностью Ад.

Пусть на интервале Фо— ток течет через вентиль 1 фазы А и вентиль 2 фазы С (рис. 5.25). Протекание тока через тиристоры 1 и 2 обеспечивается тем, что потенциал е' верхнего зажима инвертора (общего анода) больше и_А на величину внутреннего падения напряжения в вентиле, т. е. к вентилю 1 приложено прямое напряжение. Аналогично, потенциал е” нижнего зажима инвертора (общего катода) несколько ниже ис, поэтому к вентилю 2 также приложено прямое напряжение. Разность иа=е' — е" равна напряжению, приложенному извне к входным зажимам инвертора. Очевидно, что иа меняется во времени, но его среднее значение постоянно и равно напряжению питания (если не учитывать омическое сопротивление дросселя А_д) . Отличие мгно-

венных значений иа('д') от На обеспечивается за счет ЭДС самоиндукции в индуктивности А_д.

Как известно, работа инверторов характеризуется углом опережения (3 между моментом начала коммутации и моментом, когда пересекаются кривые и('&) коммутирующих фаз (точка а на рис. 5.25, а). Кроме того, часто фиксируется угол р₀ между моментом начала коммутации и моментом пересечения кривых ЭДС х.х. Єо($) коммутирующих фаз. Так как сдвиг фаз между £₀ и О

Соответственно с учетом (5.87) момент

М = Я/«)_р = С_М£_ИФ/(5.89)

где

С_М = РМ/{2У^Г 3).    (5.90)

Формулы (5.87) и (5.89) подобны аналогичным формулам коллекторных двигателей постоянного тока. Специфика ВД для записанных выражений проявляется в наличии коэффициента &_и и использовании полного потока Ф с учетом реакции якоря, которая приводит к существенному размагничиванию машины. Если реакция якоря проявляется слабо, то ВД по протекающим в нем процессам ближе к коллекторному двигателю постоянного тока, чем к синхронному двигателю.

Как следует из (5.85) и (5.87), частоту вращения ВД можно регулировать, изменяя напряжение питания, активное сопротивление в цепи якоря, ток возбуждения и угол опережения инвертора Р = 6_Н + у. Первые три способа такие же, как для коллекторных двигателей постоянного тока, четвертый является специфическим ДЛЯ ВД.

Для ВД зависимость частоты вращения п от нагрузки и потребляемого тока 1а носит неоднозначный характер. Если мощность двигателя мала, размагничивающая реакция якоря проявляется незначительно и сопротивление К_а существенное, то при увеличении 1а главную роль играет уменьшение числителя в (5.87) и п падает, как в обычном коллекторном двигателе.

При относительно большой мощности ВД, когда сопротивление /?_а мало, а реакция якоря, вызывающая снижение потока Ф, значительна, увеличение и вызывает превалирующее снижение знаменателя в (5.87) и п возрастает. Очевидно, что такой режим ВД обладает пониженной устойчивостью.

§ 5.8. Обобщенный анализ вентильного двигателя

Проведем обобщенный анализ ВД с учетом регулирования, реакции якоря и коммутации вентилей при произвольном числе фаз т для различных схем инвертора. Двигатель работает в режиме машинной коммутации. Полный магнитный поток, создаваемый индуктором и якорем, наводит в смежных обмотках фаз якоря синусоидальные напряжения щ~\('0), и/(0), щ.и ('б'), где -6'=со/. Вентили инвертора включаются с углом опережения р и через них под действием подводимого напряжения текут токи ^-Дд), ТД#), ^•₊₁(Ф), встречные относительно наведенных напряжений. Коммутация происходит в пределах угла у» а полный потребляемый ток 1а постоянен благодаря сглаживающему дросселю, т. е. ^-ДФ) + -ИДО)=/<* во время коммутации и /Д#)=/_й вне угла у (рис. 5.29). В дальнейшем для упрощения формул знак минус перед токами ходной мощности. Возрастание п при больших Та можно объяснить превалирующим действием реакции якоря. Относительный момент двигателя в режиме DaTa = const рассчитывается как М=п~^{\ он достигает максимума в области 7^0,6 ... 0,7.

§ 5.9. Вентильные двигатели малой мощности

В ВД малой мощности (до сотен ватт) реакции якоря и коммутация не играют существенной роли и анализ таких двигателей существенно упрощается. Поскольку активное сопротивление обмотки якоря R_a в маломощных двигателях относительно велико, уравнение напряжений для них, согласно (1.10), записывается в виде

и_с = —£ JX_aJd^r JXaqiJ^c(J -\~R^>    (5.116)

где Uс — напряжение сети (инвертора).

Рис. 5.36. Векторная диаграмма ВД малой мощности (а), его механические характеристики при различных индуктивностях якоря (б) и при регулировании напряжения с помощью ШИМ (б)

В ВД малой мощности обычно используются постоянные магниты без развитых полюсных наконечников, поэтому можно принять Х_аа~Х_ад = Х_а и переписать (5.116) в виде

и_е = -Ё₀ + ]Х_а/_а + ;-Х_а[_ч + ;х_ва1 + ш.    (5.117)

На рис. 5.36, а построена типичная векторная диаграмма маломощного ВД согласно (5.117), для которого падение напряжения на продольном индуктивном синхронном сопротивлении (Х_а1а) невелико. Электромагнитная мощность фазы ВД

Р_т = Е₀/ со₅ф.    (5.118)

С учетом геометрических соотношений,    вытекающих из рис.

5.36. а. имеем

Р_9и = [Е^(Х*+1?)\1и_с№совВ+Х    (5.119)

где Х—Х_а + Х_аа.

В ВД небольшой мощности, как отмечалось выше, используются инверюры на транзисторах, например трехфазный мостовой инвертор (рис. 5.37). Его отличие от аналогичного тиристорного инвертора (см. рис. 5.24) в том, что тиристоры 1 ...6 заменены транзисторами, зашунтированными диодами с обратной полярностью, которые, в частности, защищают транзисторы от перенапряжений при коммутации токов. Как включение, так и отключение транзисторов

осуществляется от системы управления по сигналам от ДПР. Для маломощных ВД также применяют более сложные схемы инверторов — тиристорно-транзисторного типа, позволяющие улучшить качество инвертирования тока (см. ниже).

Если в ВД используются постоянные магниты, то выбор рационального режима магнитов может проводиться по максимуму магнитной энергии в рабочем зазоре, как это осуществлялось, например, для магнитов на базе РЗМ при нахождении В_м. opt и Я_м. ont согласно рис. 2.12 (см. § 2.6).

§ 5.10. Особенности конструктивного исполнения и области применения вентильных двигателей

Специфическим элементом ВД является блок датчиков, фиксирующих положение ротора (ДПР) или магнитного потока. Существует большое многообразие ДПР. В относительно мощных двигателях наибольшее распространение получили индукционные ДПР. Одна из возможных конструкций такого ДПР представлена на рис. 5.38. Датчик положения ротора состоит из закрепленного на статоре шихтованного Ш-образною сердечника 1 с первичной 2 и вторичной 3 обмотками. На роторе размещаются магнитомягкие накладки 4, которые при определенном угле поворота ротора примыкают через зазор к среднему и одному крайнему выступам сердечника 1. Обмотка 2 на среднем выступе питается от генератора высокой частоты (более 1,5 ... 2 кГц). Когда под сердечником 1 накладки 4 нет, сигнал в выходной обмотке 3 отсутствует благодаря симметрии магнитной системы. Если накладка 4 располагается под сердечником /, то симметрия магнитной системы нарушается и в обмотке 3 появляется высокочастотный трансформаторный сигнал, который поступает на усилитель и преобразуется в прямоугольные импульсы, подаваемые на управляющие электроды соответствующих тиристоров инвертора.

Существуют также ДПР на основе магнитодиодов, резко изменяющих свое сопротивление при наложении магнитного поля, а также оптические ДПР, в которых может использоваться система зеркал на роторе, отражающих световые сигналы от фотодатчиков в фотоприемники на статоре. Другой вариант фотоэлектрического ДПР содержит неподвижные, расположенные друг напротив друга, фотодагчики и фогоприемники (например, светодиоды), между которыми вращается закрепленная на роторе фотоширма с прорезями.

Для маломощных ВД ведутся работы по созданию датчиков и коммутаторов инвертора, связанных в единое коммутирующее устройство на базе фотоэлементов и полупроводниковых микросхем.    Вид А 1 2 3

Если требуется глубокое регулирование частоты вращения двигателя, применяют ДПР типа бесконтактного сельсина. Такой ДПР содержит на статоре первичную распределенную трехфазную обмотку, питаемую током повышенной частоты (/ = 5... 10 кГц), и выходную обмотку катушечного типа. К обеим обмоткам примыкает стальной осесимметричный магнитопровод. Ро- ^Рис- ⁵-³⁸- Индукционный датчик тор ДПР содержит несимметричный    положения ротора

стальной сердечник, отделенный рабочим зазором от магнитопровода статора и первичной обмотки. Вращающееся магнитное поле, созданное первичной обмоткой, периодически искажается за счет несимметрии сердечника ротора и в выходной обмотке наводится напряжение и_Вых с частотой [_Вых = =    А/, где А! определяется частотой вращения ротора и обычно

составляет 5... 10 % от Такой ДПР фиксирует, во-первых, положение ротора, определяемое фазой н_Вых, и, во-вторых, частоту вращения, причем благодаря тому, что    блок управления полу

чается простым и легким.

Датчики, фиксирующие положение амплитуды полного магнитного потока двигателя, могут либо реализовываться на базе датчиков Холла, либо реагировать на насыщение магнитной цепи. Одна из возможных конструкций индукционного датчика с насыщающейся цепью содержит магнитопровод с двумя катушками — первичной, питаемой однополярными импульсами тока, и вторичной, подключенной к системе управления инвертора. Магнитопровод датчика сопрягается с основным магнитопроводом статора. При прохождении мимо датчика максимального полного потока магнитопровод датчика насыщается, что приводит к изменению импульсов, наводимых во вторичной обмотке. Эти изменения фиксируются

В целом можно считать, что ВД — один из наиболее перспективных типов электрических двигателей, внедряемых в самые разнообразные области техники быстро нарастающими темпами. Особенно перспективны ВД для автономных энергоустановок с первичным источником электроэнергии постоянного тока, работающих в сложных окружающих условиях (например, для установок с солнечными батареями или топливными элементами, электромобилей с высокоэнергетическими аккумуляторами и т. п.).

2    3    4-    5    6    7    8    9

16    15    П    13    12

Рис. 5.39. Конструкция ВД мощностью 10 кВт для электромобиля

Для улучшения массогабаритных и энергетических показателей ВДПТ и автономных энергоустановок в целом целесообразно использовать в них повышенное напряжение постоянного тока (250... 400 В).

В качестве примера рассмотрим более подробно ВД для следящего электропривода, разработанный в Московском авиационном институте под руководством доц. Я. Я. Куликова. Мощность двигателя 500 Вт, напряжение питания 250 В, КПД 85% (с учетом потерь в цепях управления), номинальная частота 5000 об/мин с диапазоном регулирования 1 : 100. Масса двигателя 2,3 кг, масса инвертора и блока управления 2 кг. Двигатель содержит на статоре якорь с трехфазной обмоткой 1 (рис. 5.40), питаемой от инвертора, и четырехполюсный индуктор на роторе, состоящий на призматических радиально намагниченных магнитов 2 из материала КС-37А (см. табл. 2.2). Магниты приклеены к магнитомягкой втулке 3 и стянуты снаружи тонкостенной немагнитной обечайкой 4. На торцах индуктора размещаются латунные шайбы 5. Корпус двигателя 6 оребрен для лучшего теплоотвода. На боковом щите расположен

Рис. 5.40. Конструкция ВД мощностью 500 Вт для следящего электропривода

блок ДПР 7 типа бесконтактного торцового сельсина. Питание двигателя осуществляется от тиристорно-транзисторного инвертора (рис. 5.41). Он содержит тиристоры Т1... Тб, зашунтированные диодами Д1... Д6, по которым ток якоря замыкается в коммутационные периоды. От средних точек моста напряжение подается на три фазы якорной обмотки. Сигналы от ДПР, пройдя маломощные каскады формирования (на схеме не показаны), поступают на входы 1 ...6 усилительных транзисторных каскадов К1... Кб, содержащих оптроны О для гальванической развязки цепей, а затем подаются на управляющие электроды тиристоров, включая их в последовательности, соответствующей рис. 5.25. Паузы тока в тиристорах для их отключения в нужные моменты времени создаются с помощью транзисторных ключей Т7 и 75, через которые подается питание на анодную и катодную группы тиристоров. Управление транзисторами обеспечивается усилительными каскадами К7 и К8, на входы которых 7 и 8 поступают импульсы заданной длительности, формируемые по сигналам от ДПР (их задних фронтов) через ждущие мультивибраторы (на схеме не показаны) и отключающие Т7 и Т8 на время паузы тока. Поскольку двигатель питается повышенным напряжением постоянного тока, для надежной работы транзисторных ключей 77 и Т8 необходимо управлять ими таким образом, чтобы при включении транзистора коллекторный ток нарастал медленнее, а при отключении транзистора падал быстрее, чем напряжение на

245