4. 16. Регулируемый привод переменного тока с вентильным двигателем. Вентильно импульсный двигатель


ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в качестве электродвигателя автономных объектов.

Известен индукторный двигатель (патент РФ №2237338 С2, H02K 19/06, H02K 1/06, 27.09.2004), содержащий статор, состоящий из закрепленных в корпусе ферромагнитных шихтованных полюсов, охваченных в радиальном направлении катушками фазной обмотки, при этом крайние полюса статора со стороны каждого торца двигателя объединены магнитопроводами для замыкания рабочего магнитного потока. Ротор двигателя выполнен в виде расположенных поперек оси вращения ряда дисков с установленными на них шихтованными ферромагнитными полюсами. С обеих сторон торцевых поверхностей полюсов ротора через воздушные зазоры размещены полюса статора. Количество дисков ротора определяется требуемой мощностью двигателя и его осевым габаритом. При работе двигателя на катушки каждой фазы поочередно подаются управляемые импульсы тока от автономного коммутатора, в результате чего образуется рабочий магнитный поток, который проходит через полюса ротора, статора, воздушные зазоры, и замыкается на магнитопроводах статора со стороны каждого торца двигателя. Вредные поперечные магнитные силы действуют только между крайними полюсами статора, закрепленными на корпусе двигателя, а между внутренними полюсами ротора и статора эти силы отсутствуют, что обеспечивает достижение указанного выше технического результата.

Недостатками данного двигателя являются высокие массогабаритные показатели и ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием при преобразовании энергии только электромагнитных сил, создаваемых по краям полюсов, и неиспользованием электромагнитных сил, создаваемых центральной частью полюса, а также сложность конструкции.

Известен индукторный двигатель (заявка на выдачу патента РФ №2007148352 С, H02K 19/10, 10.07.2009), содержащий явнополюсный симметричный статор с 2m полюсами, на которых размещены 2m сосредоточенные обмотки, и ферромагнитный ротор с 2(m±1) полюсами, при этом дополнительно ротор имеет цилиндрическую форму, образованную путем клеевого заполнения всех областей ротора, расположенных внутри цилиндрической поверхности с радиусом, равным максимальному радиусу ротора, немагнитным изоляционным материалом, например компаундом.

Недостатками данного двигателя являются высокие массогабаритные показатели и ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием при преобразовании энергии только электромагнитных сил, создаваемых по краям полюсов, и неиспользованием электромагнитных сил, создаваемых центральной частью полюса, а также сложность конструкции.

Известна конструкция трехфазного индукторного двигателя (заявка на патент РФ №96111920 А, H02K 19/10, H02K 19/02, H02K 1/22, H02K 3/18, H02K 1/14, 27.10.1998), содержащая статор с шестью полюсами и размещенными на них фазными обмотками, зубчатый безобмоточный ротор, при этом ротор содержит шесть зубцов.

Недостатками данного двигателя являются высокие массогабаритные показатели и ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием при преобразовании энергии только электромагнитных сил, создаваемых по краям полюсов, и неиспользованием электромагнитных сил, создаваемых центральной частью полюса, а также сложность конструкции.

Известен индукторный двигатель (патент РФ №2068608 C1, H02K 1/12, H02K 19/06, 27.10.1996), состоящий из шихтованного зубчатого ротора и статора, содержащего в пазах шихтованного магнитопровода катушки обмотки. В пазах статора с катушками выполнены ферромагнитные выступы, разделяющие их на две части. В образовавшиеся пазы уложены стороны катушек, намотанных из проводящей шины на узкую сторону. Пазовая часть катушки, прилегающая к стенке паза и к воздушному зазору, подрезана. На стенках пазов статора с катушками и боковых поверхностях выступов выполнены углубления, в которые установлены пазовые клинья.

Недостатками данного двигателя являются высокие массогабаритные показатели и ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием при преобразовании энергии только электромагнитных сил, создаваемых по краям полюсов, и неиспользованием электромагнитных сил, создаваемых центральной частью полюса, а также сложность конструкции.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является вентильно-индукторный реактивный двигатель (патент РФ №2159494 C1, H02K 19/06, H02K 1/06, 12.04.1999), состоящий из корпуса, в котором установлены индуктор и якорь, с возможностью относительного вращения или линейного перемещения, на индукторе и якоре располагаются зубцы и пазы, при этом катушки возбуждения размещаются в пазах индуктора и через управляемые вентильные ключи соединены с источником постоянного напряжения.

Недостатками данного двигателя являются высокие массогабаритные показатели и ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием при преобразовании энергии только электромагнитных сил, создаваемых по краям полюсов, и неиспользованием электромагнитных сил, создаваемых центральной частью полюса, а также сложность конструкции.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей вентильно-индукторного двигателя, благодаря возможности использования электромагнитных сил в центре полюса и введению реверса, упрощение технологии изготовления, благодаря выполнению равного количества зубцов индуктора и якоря, а также достижение максимальных энергетических показателей, благодаря использованию оптимальных геометрических соотношений зубцов якоря и индуктора.

Техническим результатом является повышение надежности, энергоэффективности и выходной мощности вентильно-индукторного двигателя.

Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в вентильно-индукторном двигателе, содержащем корпус, в котором установлены с возможностью относительного вращения индуктор и якорь, на индукторе и якоре расположены зубцы и пазы, при этом катушки возбуждения через управляемые вентильные ключи соединены с источником постоянного напряжения, согласно изобретению катушки возбуждения расположены в пазах якоря, при этом количество зубцов якоря равно количеству зубцов индуктора, в торцевой части установлено n правых электромагнитов и n левых электромагнитов, при этом отношение ширины зубца индуктора и якоря к зубцовому делению индуктора находится в промежутке 0,35-0,45, отношение ширины паза индуктора и якоря к зубцовому делению индуктора - в промежутке 0,55-0,65, а высота зубца индуктора и якоря равна 4 высотам воздушного зазора.

Предложенное устройство содержит (см. чертеж) корпус 1, в котором установлены с возможностью относительного вращения индуктор 2 и якорь 3, на индукторе 2 и якоре 3 расположенны зубцы 4 и пазы 5, катушки возбуждения 6, расположенные в пазах 5 якоря 3, через управляемые вентильные ключи 7 соединены с источником напряжения 8, n-правых электромагнитов 9 и n-левых электромагнитов 10, электрически соединенных с источником напряжения 8, установленных в торцевой поверхности якоря 3.

Предложенный вентильно-индукторный двигатель работает следующим образом: зубцы ротора выполнены таким образом, что отношение ширины зубца к зубцовому делению индуктора находится в промежутке 0,35-0,45, отношение ширины паза индуктора и якоря к зубцовому делению индуктора - в промежутке 0,55-0,65, а высота зубца индуктора и якоря равна 4 высотам воздушного зазора При этом зубцовое деление индуктора рассчитывается по формуле:

где z - число зубцов индуктора и якоря;

D - внешний диаметр ротора.

При данном соотношении ширины зубца к зубцовому делению имеют место максимальные силы, при этом для преобразования энергии используются не только края зубцов, но и центр.

При подаче электрического импульса от источника напряжения 8 через управляемые вентильные ключи 7 на n правых электромагнитов 9 n правых электромагнитов 9 втягивают зубцы индуктора 2 вправо, обеспечивая тем самым начальное смещение между зубцами индуктора 2 и якоря 3. При этом на катушки возбуждения 6, якоря 3 также подается импульс тока. При этом ток в катушках возбуждения 6 благодаря малой индуктивности быстро нарастает и создает магнитный поток, замыкающийся через рабочий зазор между индуктором 2 и якорем 3. Так как индуктор 2 и якорь 3 смещены друг относительно друга вправо, возникает сила магнитного тяжения (тяга), стремящаяся установить зубцы индуктора и якоря в согласованное положение. Благодаря тяге возникает правонаправленное вращение якоря 3 относительно индуктора 2. Как только достигается согласованное положение зубцов индуктора 2 и якоря 3, снова подается импульс на n правых электромагнитов 9.

Для обеспечения реверса вентильно-индукторного двигателя подается импульс от источника напряжения 8 через управляемые вентильные ключи 7, n левых электромагнитов 10, n левых электромагнитов 10 втягивают зубцы индуктора 2 влево, обеспечивая тем самым начальное смещение между зубцами индуктора 2 и якоря 3. При этом на катушки возбуждения 6 якоря 3 также подается импульс тока. Так как индуктор 2 и якорь 3 смещены друг относительно друга влево, возникает сила магнитного тяжения (тяга), стремящаяся установить зубцы индуктора и якоря в согласованное положение. Благодаря тяге возникает левонаправленое вращение якоря 3 относительно индуктора 2. Как только достигается согласованное положение зубцов индуктора 2 и якоря 3, снова подается импульс на n левых электромагнитов 10.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности вентильно-индукторного двигателя, благодаря возможности использования электромагнитных сил в центре полюса и введению реверса, упростить технологию изготовления, благодаря выполнению равного количества зубцов индуктора и якоря, а также достигнуть максимальные энергетические показатели, благодаря использованию оптимальных геометрических соотношений зубцов якоря и индуктора.

Таким образом, повышается надежность и энергоэффективность, а также выходная мощности вентильно-индукторного двигателя.

Вентильно-индукторный двигатель, содержащий корпус, в котором установлены с возможностью относительного вращения индуктор и якорь, на индукторе и якоре расположены зубцы и пазы, при этом катушки возбуждения через управляемые вентильные ключи соединены с источником постоянного напряжения, отличающийся тем, что катушки возбуждения расположены в пазах якоря, при этом количество зубцов якоря равно количеству зубцов индуктора, в торцевой части установлено n правых электромагнитов и n левых электромагнитов, при этом отношение ширины зубца индуктора и якоря к зубцовому делению индуктора находится в промежутке 0,35-0,45, отношение ширины паза индуктора и якоря к зубцовому делению индуктора - в промежутке 0,55-0,65, а высота зубца индуктора и якоря равна 4 высотам воздушного зазора.

edrid.ru

Электротрансмиссия на базе вентильно-индукторного двигателя с независимым возбуждением

Транскрипт

1 Электротрансмиссия на базе вентильно-индукторного двигателя «ЭЛЕКТРОТЕХНИК» 2/ Чаплыгин Е.Е. пектральное моделирование преобразователей с широтно-импульсной модуляцией: учеб. пособие. Москва: МЭИ, Томасов алентин ергеевич заведующий кафедрой электротехники и прецизионных электромеханическихсистем национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, доцент, канд. техн. наук. Окончил Ленинградский институт точной механики и оптики в 1967 г. Защитил диссертацию по теме «ходные силовые фильтры транзисторныхширотно-импульсныхпреобразователей систем электропривода» в 1986 г. Усольцев лександр натольевич доцент кафедры электротехники и прецизионных электромеханическихсистем национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, канд. техн. наук. Окончил еверо-западный заочный политехнический институт в 1973 г. Защитил диссертацию по теме «Исследование и разработка системы маловентильный полупроводниковый преобразователь-асинхронная машина» в 1982 г. Электротрансмиссия на базе вентильно-индукторного двигателя с независимым возбуждением КОЗЧЕНКО.Ф., ОТРИРО.Н., ЛШКЕИЧ М.М. Рассматриваются перспективы и опыт применения вентильно-индукторного двигателя с независимым возбуждением для тягового электропривода. озможность регулирования возбуждения позволяет приводу работать в широком диапазоне частот вращения при постоянстве мощности, при этом машина технологична и проста в изготовлении, а для управления подходит классический трехфазный инвертор. Ключевые слова: вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением, тяговый привод, электротрансмиссия. Для тягового применения в настоящее время используются различные двигатели переменного тока вместе с соответствующими силовыми преобразователями. Классические двигатели постоянного тока также все еще имеют свою нишу, но уже большей частью по историческим причинам, а не из-за технической целесообразности. равнивая различные электродвигатели переменного тока с точки зрения применения в электротяге, можно выделить следующие преимущества и недостатки каждого из типов двигателей: синхронный двигатель относительно прост, надежен, дешев, очень хорошо исследован и освоен в производстве. Имеет проблемы с отводом тепла от ротора, обладает не лучшими массогабаритными показателями. инхронный двигатель с постоянными магнитами имеет лучшие массогабаритные показатели, КПД. Хорошо исследован. Дорог и сложен в производстве, существует проблема надежного крепления магнитов при большихчастотахвращения. Малая зона постоянства мощ- It is considered application perspectives switched reluctance drive with independent external excitation for the traction electric drive. Possibility of regulation of excitation allows such drive to work in wide range of speeds at persistence of capacity, thus the machine is technological and simple in manufacture, and for control the classical three-phase inverter approaches. Key words: perspectives switched reluctance drive with independent external excitation, traction electric drive. ности, существует риск перенапряжений при отключении преобразователя в зоне искусственного ослабления поля. ентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением (SRD) самый простой, дешевый и технологичный в изготовлении, имеет хорошие массогабаритные показатели, большую зону постоянства мощности, хорошо изучен. Так как у него однополярное питание, требует специализированного силового преобразователя. Имеет заметные пульсации момента и вибрацию, с которыми разработчики борются различными методами. ентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением (ИД Н) дешев, имеет хорошие массогабаритные показатели, большую зону постоянства мощности, малые пульсации момента. Относительно сложен в сборке (при использовании так называемой опущенной обмотки возбуждения [1]). Из данныхсравнительныххарактеристик видно, что ИД Н интересен для применения в качестве недорогого тягового электро- 54

2 «ЭЛЕКТРОТЕХНИК» 2/2014 Электротрансмиссия на базе вентильно-индукторного двигателя привода. Большая зона постоянства мощности за счет наличия независимого возбуждения, отсутствие пульсаций момента при векторном управлении и распределенной обмотке статора делают его особенно привлекательным для тягового применения. Несмотря на это авторам неизвестны случаи применения ИД Н в электротяге, хотя примеров использования другихтипов двигателей достаточно. Данная статья описывает принцип действия ИД Н, его системы управления, опыт построения электротрансмиссии на его основе. Принцип действия и конструкция ИД Н ИД Н также известен как одноименнополюсный индукторный двигатель с аксиальным возбуждением и уже рассматривался во многихработах[2, 3]. войства данной машины приближены к классической синхронной машине с возбуждением со стороны ротора и скользящим контактом. Однако конструктивно в рассматриваемой машине обмотка возбуждения расположена на статоре, а скользящий контакт отсутствует. На рис. 1 схематично показана геометрия ротора и магнитный поток обмотки возбуждения, а на рис. 2 изображено взаимодействие магнитныхпотоков статора и ротора, при этом ротор установлен в согласованное положение (момент равен нулю). Машина собрана из двухпакетов, между которыми установлена обмотка возбуждения, крепящаяся к статору. Зубцы ротора и статор выполнены из шихтованного железа, постоянные магниты отсутствуют. Обмотка статора распределенная (существуют варианты такого типа машин с сосредоточенной обмоткой [1]), трехфазная. итки обмотки статора охватывают сразу оба пакета машины. Упрощенно О принцип работы можно описать следующим образом: ротор стремится повернуться в такое положение, при котором направления магнитного потока в статоре и роторе совпадут. При этом половина электромагнитного момента образуется в одном пакете, а половина в другом. ледует отметить, что машина подразумевает разнополярное питание, электромагнитный момент активный и образован за счет взаимодействия поля, созданного током обмотки возбуждения с полем, созданным обмотками статора. Реактивный момент пренебрежимо мал, несмотря на явнополюсный ротор. По принципу работы эта машина отличается от классическихsrd двигателей, в которыхмомент реактивный. точки зрения управления машина эквивалентна синхронной машине с контактными кольцами. Таким образом, вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением обладает следующими преимуществами: отсутствие скользящего контакта; простота и технологичность конструкции; управляемое возбуждение; отсутствие перемагничивания ротора, а следовательно, и отсутствие потерь в нем; возможность применения для управления машиной классического векторного управления; использование стандартного трехфазного инвертора в управляющем преобразователе; отсутствие риска повреждения инвертора из-за возникновения завышенной ЭД двигателя при работе в зоне ослабления поля (в синхронной машине с постоянными магнитами такой риск есть). Несмотря на обилие преимуществ, ИД Н имеет ряд недостатков. данном типе двигателей следует применять специальные меры для предотвращения замыкания магнитного потока возбуждения по подшипниковым щи- Пакет 1 Пакет 2 Рис. 1. Геометрия ротора и магнитный поток обмотки возбуждения Рис. 2. заимодействие магнитныхпотоков статора и ротора: ротор установлен в точке синхронизации (нулевой момент) 55

3 Электротрансмиссия на базе вентильно-индукторного двигателя «ЭЛЕКТРОТЕХНИК» 2/2014 там в обход магнитопровода статора [1]. Также существует проблема, связанная с отводом тепла от обмотки возбуждения, расположенной между пакетами ротора, площади контакта её со статором может быть недостаточно. Требуется принимать специальные конструктивные меры для улучшения теплоотдачи либо для уменьшения потерь в обмотке. Эти недостатки могут быть конструктивно устранены при дальнейшем развитии данного привода. истема управления ИД Н Рассмотрим построение системы управления для ИД Н на базе инвертора напряжения с микропроцессорным управлением. тяговом применении наиболее рационально управлять моментом привода, причем желательно обеспечивать малое время реакции на изменение задания для возможности реализовать тяговым приводом интеллектуальные системы помощи водителю, такие как антиблокировочная и противобуксовочная системы. Для управления моментом можно выделить две наиболее подходящих структуры. 1. ентильное управление с автокоммутацией по датчику положения ротора. Преимущества: простота реализации, от системы управления требуется только блок включения фаз в зависимости от угла положения ротора и блок токоограничения; хорошая динамика контура тока; за счет релейного управления токами фаз время отработки задания тока очень мало и ограничивается лишь физическим процессом нарастания тока, а не инерционностью системы управления (по сравнению с ПИ-регулятором и ШИМ). Недостатки: неоднозначность настройки углов коммутации и уровня тока от частоты вращения и нагрузки; известно, что угол включения и выключения фазы можно настраивать по совершенно различным методикам одни направлены на уменьшение шума, другие на уменьшения уровня тока, третьи на улучшение КПД, причем углы коммутации для обеспечения выбранного оптимума должны изменяться как от частоты вращения (классически), так и от нагрузки; вычисление или экспериментальное определение такихзависимостей представляет собой сложную задачу; шум и большие пульсации тока, при ограниченныхбыстродействии системы управления и частоте коммутации силовыхключей инвертора релейное поддержания токов фаз обычно приводит к увеличенным пульсациям тока в обмоткахи шуму по сравнению с применением ШИМ. 2. екторное датчиковое управление с ПИ-регуляторами тока и ШИМ. Преимущества: линейность и однозначность настройки, по сравнению с режимом автокоммутации не требуется подбирать сложные нелинейные зависимости для обеспечения оптимальной работы; изменяемая частота ШИМ позволяет минимизировать шум и пульсацию тока; на высокихчастотахвращения привода частота тока может достигать 500 Гц и выше; для качественного формирования синусоидального тока частота ШИМ при этом должна быть на порядок выше; современные IGBT-ключи легко позволяют получить частоту коммутации 10 кгц при относительно невысокихтоках; при низкой частоте вращения, наоборот, требуемая частота ШИМ невысока, однако уровень тока для обеспечения требуемого на валу момента должен быть большим; чтобы снизить потери в преобразователе, рационально снижать частоту ШИМ на большихтоках, обеспечивая оптимум между шумом, пульсациями тока и потерями в преобразователе, кроме того, рационально применять специальные алгоритмы векторной ШИМ для снижения потерь в инверторе [4]. Недостатки: уменьшение устойчивости на высоких частотахвращения, при повышении частоты тока в приводе становятся сильнее заметны задержки в системе управления задержка ЦП по измерению токов, задержка ШИМ при воспроизведении заданного напряжения, задержка в модуле датчика положения, задержка на расчет процессором структуры управления и т.п.; все эти задержки вызывают искажение фазы векторов, с которыми работает система векторного управления, и уменьшают устойчивость, кроме того, с ростом частоты усиливается взаимосвязь между осями d и q, что также отрицательно сказывается на устойчивости. Обобщая все преимущества и недостатки обеихсистем управления, можно заключить, что векторная система управления более современна и перспективна для ИД Н. 56

4 «ЭЛЕКТРОТЕХНИК» 2/2014 Электротрансмиссия на базе вентильно-индукторного двигателя екторная система управления позволяет регулировать моментообразующий ток статора I q, а также ток по оси возбуждения I d. Но у ИД Н имеется еще контур возбуждения, задание тока которого требуется связать с заданием момента. Обратимся к рис. 3, где показана зависимость момента ИД Н от тока статора и тока возбуждения. М акт,н.м I f,a I s,a Рис. 3. Зависимость электромагнитного момента ИД Н от амплитуды тока статора I s и тока возбуждения I f при оптимальной фазе тока статора Из рис. 3 видно, что токи статора и возбуждения нужно изменять совместно, тогда момент увеличивается пропорционально произведению токов. Увеличение одного тока без увеличения другого не приводит к росту момента из-за особенностей магнитной системы ИД Н. Таким образом, система управления должна согласованно изменять задания тока I q векторной структуры и тока I f контура управления возбуждением, рассчитывая ихиз задания момента. Дополнительная задача, решаемая системой управления расширение диапазона регулирования частоты вращения вверхза счет управления током по оси d. огласно линейной математической модели синхронного двигателя (которая в определенныхпределах справедлива и для ИД Н), ток I d не влияет на момент двигателя, однако создание отрицательного тока по оси d позволяет уменьшить прикладываемое к двигателю напряжение, не уменьшив при этом момент. Значит при нехватке напряжения на инверторе на высокой частоте вращения создание отрицательного тока по оси d позволит реализовать заданный момент, несмотря на первоначальную нехватку напряжения. Такой метод называется ослаблением поля двигателя током статора и успешно применяется для синхронных машин с постоянными магнитами, для которыхэтот метод является единственно возможным при работе на высокой частоте вращения. Для ИД Н этот метод нужен лишь для увеличения максимальной мощности в зоне высокихчастот вращения. Таким образом, в систему управления двигателем необходимо включить блок, создающий задание на ток I d векторной структуры управления при нехватке напряжения на инверторе. Экспериментальные исследования Для проведения испытаний тяговыхид Н и электротрансмиссии на ихоснове были изготовлены несколько экземпляров двигателей мощностью 35 кт. При лабораторныхиспытанияхна заводе-изготовителе была экспериментально подтверждена теоретическая зависимость момента от токов статора и возбуждения (рис. 3), получено практически полное совпадение с теоретическим расчетом. После приемо-сдаточныхиспытаний восемь образцов данныхдвигателей были установлены на макетный образец транспортного средства для комплексного испытания электротрансмиссии на ихоснове. Параметры макетного образца: масса 22 т, индивидуальный привод колес (восемь двигателей ИД Н по 35 кт каждый, Д мощностью 300 кт), приводящий во вращение генератор типа ИД Н с сосредоточенными обмотками, молекулярный накопитель энергии, служебные источники питания. Двигатели установлены в корпусе транспортного средства, вращение на колеса передается через карданную передачу. На рис. 4 графически показана схема электротрансмиссии (гибридной трансмиссии) макетного образца. процессе испытаний получены следующие результаты [5]: макетный образец достиг максимальной скорости 97 км/ч; преодолен подъем 30 на бетонном покрытии; успешно проверены все специальные режимы движение «от молекулярного накопителя» с заглушенным Д, запуск Д от генератора, режим «торможения дизелем», накопление энергии торможения в молекулярный накопитель. По результатам ходовых испытаний построена тяговая характеристика двигателей, показанная в сравнении с заданной на рис 5. ледует отметить, что экспериментальная ха- 57

5 Электротрансмиссия на базе вентильно-индукторного двигателя «ЭЛЕКТРОТЕХНИК» 2/2014 п, об/ мин Экспериментально полученная характеристика при ограниченной мощности источника питания Рис. 4. хема электротрансмиссии (гибридной трансмиссии) макетного образца 350 Мощности Частоты вращения Заданная характеристика М,Н.м Рис. 5. Экспериментально полученная тяговая характеристика ИД Н 35 кт при питании от источника ограниченной мощности в сравнении с заданной рактеристика в некоторой зоне проходит ниже заданной вследствие ограниченной мощности источника питания (дизель-генератора), а не ограничений двигателя или преобразователя. Больший максимальный момент достигнут благодаря увеличению токов на 10% по сравнению с расчетными, так как номинального момента не хватало для преодоления подъема 30 из-за сильной пробуксовки переднихчетырехколес. Диапазон работы в зоне постоянства мощности составил 10:1. На рис. 6 представлена одна из осциллограмм, в которой комплексно продемонстрирована работа всей электротрансмиссии. На ней происходит разгон макетного образца до 60 км/ч и последующее электрическое и механическое торможение. верхней части рисунка приведены частоты вращения тяговыхдвигателей, мощности, токи статора и возбуждения, текущий момент. При этом графики всех 4800 об/ мин 40 кт Токи статора Токи О Момент (расчетный) t,с 100% Заряд МН Частота вращения Д 1600 об/ мин Торможение «вмн» Напряжение ЗПТ 32 кт Мощность МН Торможение дизелем t,с 65 кт Мощность ТГ 7с 270 кт Рис. 6. Осциллограмма разгона макетного образца и последующее торможение 58

6 «ЭЛЕКТРОТЕХНИК» 2/2014 Электротрансмиссия на базе вентильно-индукторного двигателя 8 двигателей наложены друг на друга. На нижней части осциллограммы приведена частота вращения Д, заряд молекулярного накопителя в процентах, напряжение на звене постоянного тока, мощность молекулярного накопителя, мощность тягового генератора. При разгоне мощности накопителя и генератора отрицательны, что говорит об отдаче ими энергии, а мощность двигателей положительна, что говорит о потреблении энергии. Мощность накопителя составляла кт, генератора кт. При торможении знаки мощности меняются двигатели отдают энергию, накопитель и генератор принимают энергию. При этом накопитель мгновенно переходит из режима отдачи энергии в режим приема, а генератор, из-за инерционности контура возбуждения, сначала плавно снижает отдаваемую мощность, а затем переходит в двигательный режим. При этом мощность приема энергии накопителем составляет 65 кт, а генератора 32 кт рассеиваемой в Д мощности. ледует особо отметить, что преодоление 30-градусного подъема не было бы возможно без качественной противобуксовочной системы, реализованной в контроллере верхнего уровня. Частоту цикла опроса скорости/задания момента между контроллером верхнего уровня и всеми приводами колес удалось поднять до 500 Гц при использовании выделенного интерфейса связи RS485 для этой задачи. месте с векторной системой управления, оперативно отрабатывающей заданный момент, это позволило реализовать специальные алгоритмы управления проскальзывающими колесами, удерживая ихна границе проскальзывания и используя для создания тяги всё, что может дать сцепление с дорогой конкретного колеса. Кроме положительныхрезультатов испытаний можно выделить и обнаруженные недостатки. Изменение аксиального потока возбуждения ИД Н вызывает вихревые токи в нешихтованной части магнитопровода машины (вал, корпус), которые препятствуют изменению этого потока. результате регулирование потока ИД Н обмоткой возбуждения осуществляется не так быстро, как хотелось бы постоянная времени изменения потока для ИД Н 35 кт составляет около 0,3 с. Быстрое изменение потока машины может требоваться только для работы антиблокировочной и противобуксовочной систем помощи водителю, когда, в зависимости от сцепления колеса с дорогой контроллер верхнего уровня релейно изменяет задание момента от нулевого до полного. При этом ИД Н оперативно отрабатывает сброс момента за счет быстрого уменьшения тока статора, но долго нарастание момента, если поток машины уже успел сильно упасть. Однако применение специальныхнепрерывныхалгоритмов Б/ПБ вместо классическихрелейныхпозволяет избежать необходимости работы привода в режиме «полный момент/нулевой момент», в результате чего затяжное регулирование потока возбуждения двигателя перестает быть заметным. Более серьезную проблему представляет затяжное регулирование потока генератора. данном макетном образце генератор также вентильно-индукторный с независимым возбуждением и имеет те же свойства контура возбуждения. Генератор работает на неуправляемый выпрямитель, выпрямленное напряжение регулируется как частотой вращения Д, так и током возбуждения генератора. следствие мягкой внешней характеристики генератора при резком сбросе нагрузки (водитель резко отпустил педаль газа) напряжение в звене постоянного тока начинает расти до точки ХХ внешней характеристики, которая может быть на 30 40% выше по напряжению, чем номинальная точка под нагрузкой. При этом рост напряжения, продолжающийся около 20 мс, нельзя остановить ни управлением током возбуждения из-за инерционности изменения потока машины, ни, тем более, изменением частоты вращения Д. Решением проблемы является использование тормозныхрезисторов или молекулярного накопителя, которые примут на себя избытки энергии генератора при сбросе нагрузки. Несмотря на указанную проблему, вентильно-индукторный генератор имеет одно важное преимущество, помимо дешевизны, перед генератором на постоянныхмагнитах(традиционного для данныхзадач). За счет регулировки выходного напряжения контуром возбуждения, частота вращения Д может задаваться всегда оптимальной для текущей потребляемой мощности, в отличие от нерегулируемого генератора, где напряжение зависит только от частоты вращения. Это свойство генератора, вместе со специальными алгоритмами управления частотой вращения Д, позволило добиться высокой топливной экономичности макетного образца. 59

7 Электротрансмиссия на базе вентильно-индукторного двигателя «ЭЛЕКТРОТЕХНИК» 2/2014 ыводы 1. ентильно-индукторные двигатели с независимым возбуждением позволили макетному образцу реализовать все требования, обеспечивая заданную тяговую характеристику. ИД Н с разработанной системой управления показывает себя как перспективный тяговый электропривод переменного тока. Как объект управления ИД Н также удобен по сравнению с другими типами электродвигателей: независимое управление током статора и током возбуждения позволяет получить широкую зону постоянства мощности. Экспериментальные данные по испытаниям двигателей оказались близки к теоретическим. Это говорит о хорошей расчетной базе конструкторов двигателей, а значит об уверенности в возможности проектирования двигателей другой конфигурации. 2. Разработанная система управления ИД Н также работоспособна и проверена экспериментально на макетном образце транспортного средства. се заложенные идеи векторная система управления двигателями, пропорциональное изменение тока статора и тока возбуждения, взаимосвязанная работа устройств трансмиссии, управление моментом каждого двигателя от контроллера верхнего уровня нашли свое экспериментальное подтверждение. 3. Имеет смысл продолжать исследования в этой области: экспериментально получить тяговую характеристику ИД Н на лабораторном стенде, точно вычисляя КПД двигателя и преобразователя во всехточках, найти оптимальное соотношение тока статора и тока возбуждения, провести тепловые испытания и т.п. точки зрения улучшения системы управления стоит приложить усилия для синтеза бездатчикового векторного управления двигателями с возможностью определения положения ротора вплоть до нулевой частоты вращения как этого требует тяговый привод. Исключение датчика положения значительно повысило бы надежность привода. писок литературы 1. лямкин Д.И. Разработка и исследование двухфазного вентильно-индукторного электропривода насосов горячего водоснабжения: Дис.... канд. техн. наук: / Д.И. лямкин. М., Козаченко.Ф., Остриров.Н., Русаков.М., Дроздов.., орокин.., Крылов Ю.. Новое направление в электроприводе мощный многосекционный вентильно-индукторный электропривод с векторным управлением // Электронные компоненты. Электропривод Русаков.М. Разработка вентильныхэлектродвигателей на базе магнитныхсистем индукторныхмашин.: Дис.... канд. техн. наук: /.М. Русаков. М., нучин.. Широтно-импульсная модуляция методом реализации мгновенныхфазныхпотенциалов для трехфазных инверторов напряжения // Труды V Международной (16 сероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу ЭП Пб, Козаченко ладимир Филиппович генеральный директор ООО «НПФ ЕКТОР», професор ФГБОУ ПО «НИУ МЭИ», доктор техн. наук. Окончил МЭИ в 1976 г. Защитил докторскую диссертацию по теме «оздание серии высокопроизводительных встраиваемыхмикроконтроллерныхсистем управления для современного комплектного электропривода» в 2007 г. Остриров адим Николаевич генеральный директор ООО «НПП Цикл+», професор ФГБОУ ПО «НИУ МЭИ», доктор техн. наук. Окончил МЭИ в 1975 г. Защитил докторскую диссертацию по теме «оздание гаммы электронныхпреобразователей для электропривода на современной элементной базе» в 2003 г. Лашкевич Максим Михайлович аспирант кафедры ЭП ФГБОУ ПО «НИУ МЭИ», инженер-программист ООО «НПФ ЕКТОР». Окончил МЭИ (ТУ) в 2010 г. Уважаемые авторы! Редакция публикует при каждой статье краткие сведения об авторах: полные имена и отчества всехавторов; место работы и должность; какой факультет, какого вуза, когда окончен; тема диссертации и когда защищена. 60

docplayer.ru

4. 16. Регулируемый привод переменного тока с вентильным двигателем

Вентильным двигателем (ВД) называется устройство, состоящее из электродвигателя переменного тока (по конструкции аналогичного синхронному) и вентильного коммутатора (преобразова- теля частоты), управляемого в функции положения ротора или маг- нитного потока двигателя. На статоре его располагается обычно трех- фазная обмотка (обмотка переменного тока), а ротор является воз- будителем; возбуждение может быть выполнено либо от обмотки воз- буждения, размещаемой на роторе и питаемой через кольца и щетки от источника постоянного тока, либо с помощью постоянных магнитов, расположенных в пазах ротора.

Существенным отличительным признаком ВД является наличие вентильного коммутатора, который функционально заменяет щетки и механически вращающийся коллектор машины постоянного тока. Вентильный коммутатор присоединяется к выводам статора и выпол- няет функции распределителя постоянного тока с преобразованием его в переменный. Последовательность переключения тока статора и связанная с этим очередность включения тиристоров вентильного коммутатора определяется датчиком положения ротора.

Вентильные двигатели различаются по типу преобразователя частоты, конструктивному исполнению машины и устройству системы управления. Несмотря на многообразие сочетаний конструкций элек- трических машин и принципов управления ВД имеют следующие общие признаки, а именно: возможность регулирования угловой ско- рости изменением подводимого к статору напряжения (вниз от номи- нальной), тока возбуждения (при наличии обмотки возбуждения) и угла опережения включения вентилей относительно фазных ЭДС двигателя (вверх от номинальной).

Характеристики ВД аналогичны характеристикам двигателя по- стоянного тока.

В ВД используются чаще всего два вида преобразователей частоты: 1) с промежуточным звеном постоянного тока и 2) с непосредственной связью (НПЧ).

Если, например, синхронная угловая скорость двигателя ω0 = = 2πf/p для многополюсной машины при р = 6 составляет ω0= = 314 рад/с при частоте питающего напряжения 300 Гц, то следует выбирать схему преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока.

Коммутация тока в вентилях инвертора может быть естественной или искусственной.

Инверторы с естественной коммутацией — это преобразователь постоянного тока в переменный, отдающий энергию нагрузке, кото- рая уже содержит источник ЭДС той же частоты, что и выходное на- пряжевие преобразователя; ори этом благодаря действию этой ЭДС осуществляется коммутация вентилей; такая коммутация и называется естественной.

Инвертор с искусственной коммутацией — это преобразователь постоянного напряжения или тока в переменные с принудительной (обычно конденсаторной) коммутацией тока в вентилях, отдающий энергию нагрузке, Характер которой жестко не лимитирован.

Рис. 4. 76. Принципиальная схема вентильного двигателя с естествен- ной коммутацией инвертора тока,

Принципиальная схема ВД с естественной коммутацией ннвер- тора тока приведена на рис. 4.76. Схема содержит управляемый вы- прямитель УВ, сглаживающий реактор L, инвертор тока И, тиристор- ный возбудитель ТВ двигателя М и системы управления выпрями телем СУВ и инвертором СУИ. Угловое положение ротора ВД кон- тролируется косвенно — управление вентилями инвертора осущест- вляется в функции фазы напряжения на выводах обмотки статора дви« гателя [U (φ)].

(4.121)

При естественной коммутации отпирающие импульсы на венти- ли инвертора подаются с опережением на угол р относительно ЭДС двигателя. Минимальный угол опережения β равен:

где γ — угол коммутации тока, зависящий от параметров преобразо- вателя и двигателя и от выпрямленного тока Id; δ — угол выключе- ния, определяемый временем восстановления запирающих свойств тиристора.

В рассматриваемой схеме инвертор обычно работает с некоторым постоянным углом β, выбранным из условия надежной коммутации наибольшего нагрузочного или пускового тока.

Регулирование угловой скорости ВД в этом случае производится изменением выпрямленного напряжения посредством УВ или тока возбуждения посредством ТВ.

Естественная коммутация вентилей, позволяющая использовать простой надежный инвертор, может быть осуществлена при сравни- тельно большой ЭДС синхронного двигателя, т. е. при угловой ско- рости его не ниже 10 % номинальной. Поэтому для пуска двигателя в схеме с естественной коммутацией применяют следующие способы: 1) импульсный метод, использующий специальную систему управле- ния выпрямителем; 2) переключение инвертора в режим искусствен- ной коммутации; 3) асинхронный пуск синхронного двигателя, имею- щего пусковую обмотку, от сети (включен К1, рис. 4.76) с последующим переключением его на инвертор (К1 отключается, К 2 включается).

В первом случае запирание вентилей инвертора достигается сни- жением до нуля его входного тока путем кратковременного запира- ния выпрямителя или перевода его в инверторный режим. Прерыва- ние выпрямленного тока приводит к уменьшению пускового момента примерно на 15—20 % по сравнению с пусковым моментом при пита- нии двигателя синусоидальным током. Во втором'случае значительно усложняется система управления ВД. При асинхронном пуске услож- няется конструкция ВД, возрастают потери от высших гармоник из-за наличия короткозамкнутой пусковой обмотки на роторе.

Таким образом, сравнительно простой способ естественной ком- мутации не может быть реализован при пуске ВД, когда ЭДС его от- сутствует или очень мала. В этом отношении схема ВД с искусственной коммутацией предпочтительнее; фаза тока относительно ЭДС двига- теля может быть установлена любой и ВД может работать не только с опережающим током, но и с отстающим.

На рис. 4.77 представлен один из вариантов схем преобразова- теля с промежуточным звеном постоянного тока с инвертором напря- жения и искусственной коммутацией. Схема содержит: инверторный мост на тиристорах VI — V6, коммутирующие тиристоры V7, V8, обратный мост на диодах VI' — V61', разрядные резисторы R1, R2 и диоды V7', V8', силовой фильтр L1, C1 и устройства коммутации (L2 — L5, C2, СЗ).

Искусственная коммутация осуществляется за счет энергии, запасенной в конденсаторах С2 и СЗ от дополнительного источника подзаряда Un. Инвертор имеет групповую коммутацию тиристоров. Выключение тиристоров анодной группы осуществляется элементами С2, L2, L4, V7, а тиристоров катодной группы — СЗ, L3, L5, V8. При подаче отпирающего сигнала, например, на тиристор V7 конденса- тор С2 разряжается по цепи С2 — С1 — R2 - V2' (V41, V6') — — VI (V3, V5) — L4 — V7 — С2, После спадания тока в этом кон-

туре до нуля тиристоры VI (V3, V5) закрываются, но продолжается колебательный подзаряд конденсатора С2 через реактор L2, обеспе- чивая обратное напряжение на тиристоре VI (V3, V5) в течение вре- мени, необходимого для восстановления запирающих свойств тири- сторов. После перезаряда конденсатора С2 и закрывания тиристора V7 (и в течение этого процесса) энергия, накопленная в реакторе L2, частично гасится в резисторе R1. Во внекоммутационный интервал конденсатор С2 вновь перезаряжается от источника подзаряда. Спа- дающий во время коммутации ток нагрузки, протекающий через ком- мутируемый тиристор VI, переводится на диод V2' обратного моста.

Рис. 4. 77. Принципиальная схема вентильного двигателя, содержа- щая преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока с ин- вертором напряжения с искусственной коммутацией.

Управление инвертором производится в функции положения ро- тора двигателя М, контролируемого посредством датчика положения ротора ДПР, который воздействует на систему управления инверто- ром СУИ. Регулирование угловой скорости двигателя в этой схеме возможно всеми тремя способами: изменением выпрямленного напря- жения, тока возбуждения и угла β.

Рассмотренная схема преобразователя частоты не свободна от недостатков и приведена только как пример инвертора с искусствен- ной коммутацией. Возможно также и применение других схем инвер- торов с искусственной коммутацией, например инвертора с отсекаю- шими диодами без источника подзаряда.

Применение искусственной коммутации связано с более сложной схемой преобразовательной части по сравнению с естественной ком- мутацией в инверторе, как это видно из приведенных примеров инвер- торов. Но в случае инвертора с естественной коммутацией, как отме- чалось выше, возникает проблема пуска двигателя.

Наиболее просто пусковой режим обеспечивается при питании двигателя от преобразователя частоты с непосредственной связью (НПЧ). В НПЧ функции выпрямления и инвертирования выполняют одни и те же вентили, что позволяет для коммутации тока в фазах ВД использовать переход питающего напряжения через нуль.

Из краткого рассмотрения различных схем ВД следует, что во- прос о применении целесообразной схемы преобразователя частоты может быть решен только на основании технико-экономического сопо- ставления.

Так как ВД обладает характеристиками машины постоянного тока независимого возбуждения (можно получить у ВД и характери- стики двигателя последовательного возбуждения, если обмотку воз- буждения синхронного двигателя включить последовательно в цепь выпрямленного тока на входе инвертора), то все способы регулиро- вания его угловой скорости характеризуются такими же показате- лями, что и соответствующие способы (изменением напряжения на якоре и тока возбуждения) регулирования угловой скорости двигателя по- стоянного тока независимого возбуждения. Но в случае преобразова- теля частоты ннверторного типа энергетические показатели регулиро- вания у ВД будут хуже из-за двукратного преобразования энергии. Несколько хуже оказывается стабильность скорости и как следствие меньше диапазон регулирования вниз от основной угловой скорости так как механические характеристики ВД мягче, чем у двигателя по- стоянного тока такой же мощности.

В случае питания инвертора от сети постоянного тока или от акку- муляторов ВД называют бесколлекторной машиной постоянного тока. То же название иногда распространяют и на ту часть ВД, которая вклю- чает в себя инвертор с системой управления, синхронную машину и датчик положения. Коэффициент полезного действия инвертора обычно ниже, чем у коллекторно-щеточного узла машины постоянного тока, но надежность инвертора и в целом ВД и его механическая про- чность выше, чем обычной машины постоянного тока.

ГЛАВА ПЯТАЯ

ВЗАИМОСВЯЗАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Иногда по конструктивным соображениям или с целью уменьшения момента инерции электропривода, а также из-за невозможности выполнения привода большой мощности с одним двигателем прибегают к электроприво- дам, состоящим из двух или нескольких машин, соединен- ных между собой механическим или электрическим спо- собом. Подобного рода взаимосвязанные электроприводы встречаются в механизмах металлургической промышлен- ности, кузнечно-прессовых машинах, подъемно-транспорт-

93

studfiles.net