25.3. Вентильные двигатели

25.3.1. Вентильные двигатели серии ВД мощностью 30 -132 кВт

Вентильные двигатели серии ВД мощностью 30 - 132 кВт с высотами оси вращения 225 - 315 мм предназначены для приводов главного движения металлорежущих станков с ЧПУ. В комплект поставки входит электромеханический преобразователь (ЭМП), управляемый полупроводниковый коммутатор - преобразователь частоты (ПЧ), датчик положения ротора (ДПР) и тахо-генератор (ТГ).

Электромеханический преобразователь (рис. 25.4) выполнен в обращенном исполнении (индуктор на статоре, а якорь на роторе) и конструктивно унифицирован с коллекторными двигателями постоянного тока серии 2П. Система возбуждения ЭМП - смешанная. Она состоит из обмотки независимого возбуждения ОВ и продольной компенсационной обмотки КО, включенной в звено постоянного тока ПЧ. Катушки обмоток независимого возбуждения и компенсационной разнесены на разноименные полюсы каждой пары. Все типоразмеры ЭМП выполнены с четырехполюсным индуктором. В наконечниках полюсов размещена медная короткозамкнутая демпферная обмотка. Ротор имеет 36 пазов, скощенных на одно зубцовое деление. Обмотка якоря - трехфазная, соединенная в звезду с нулевым проводом. Концы фаз и нулевая точка выведены на четыре контактных кольца. Скользящий токосъем от колец обеспечивается с помощью металлосодержащих щеток, установленных в сдвоенных щеткодержателях.

Рис. 25.5. Схема соединения силовых цепей ПЧ двигателя серии ВД

Преобразователь частоты включает в себя силовую часть и систему управления. Силовая часть ПЧ представляет собой выпрями-тельно-инверторный блок со звеном постоянного тока. С ПЧ конструктивно объединен блок питания обмотки возбуждения ЭМП. Схема соединения ПЧ и ЭМП приведена на рис. 25.5.

Коммутация вентилей ПЧ при частотах вращения ЭМП от 0 до 0,1и ном принудительная, а при частотах вращения выше 0.1 «ном естественная.

Датчик положения ротора размещен в том же узле, что и ТГ. Он представляет собой свето-фотодиодный узел. Помимо основных функций ДПР дает информацию об

Рис. 25.4. Конструктивная схема двигателя серии ВД:

1 - обмотка якоря; 2 - обмотка независимого возбуждения; 3 - продольная компенсационная обмола; 4 - стержни демпферной обмотки; 5 - короткозамыкающие дуги; 6 - тахогенератор и ДПР; 7 - вентилятор; 8 - контактные кольца

угле поворота либо о пути (т. е. выполняет функцию резольвера).

Тахогенератор представляет собой серийную машину типа ТМС-1.

Структра условного обозначения вентильного двигателя:

ВД225ГУХЛ4,

где В - вентильный; Д - двигатель; 225 - высота оси вращения, мм; Г - наличие ТГ; УХЛ4 - климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69.

Структура условного обозначения ПЧ:

ЭТУ7ЙИ-39, где Э - электропривод; Т - тиристорный;

У - унифицированный; 7 - с бесколлекторным двигателем; 8 - с двигателем низкого напряжения со статическим преобразователем; 39 - номинальный ток на выходе ПЧ, равен 80 А.

Конструктивные исполнения ЭМП по способу монтажа - IM1001, IM2001, IM20011 по ГОСТ 2479-79, способ охлаждения - IC06 по ГОСТ 20459-75, степень защиты -IP44 по ГОСТ 17494-72. Изоляция двигателей - по классу нагревостойкости F (ГОСТ 8865-70). Предусмотрено исполнение ЭМП с фильтрами на всасывающем патрубке вентилятора типа «наездник».

Рабочее положение блоков ПЧ - вертикальное. Они могут быть встроены в нор-

Таблица 25.22. Технические данные вентильных двигателей серии ВД

						<ратность
Типоразмер ЭМП	Типоразмер ПЧ	нальная мощность, кВт	Частота вращения, об/мин	звене постоянного	Ток фазы, А	максимальной частоты
						вращения
ВД225 ГУХЛ4
ВД250 ГУХЛ4
ВД280 ГУХЛ4
ВД315 ГУХЛ4
ВД225 ГУХЛ4
ВД250 ГУХЛ4
ВД280 ГУХЛ4
ВД315 ГУХЛ4
ВД225 ГУХЛ4
ВД250 ГУХЛ4
ВД280 ГУХЛ4
ВД315 ГУХЛ4
ВД225 ГУХЛ4
ВД250 ГУХЛ4
ВД280 ГУХЛ4
ВД315 ГУХЛ4

Таблица 25.23. Габаритные, установочно-присоединительные размеры, мм, и масса двигателей серии ВД, исполнение IM1001 (рис. 25.6)

Типоразмер

двигателя

К

h

ВД225 ГУХЛ4

ВД250 ГУХЛ4

ВД280 ГУХЛ4

ВД315 ГУХЛ4

Таблица 25.24. Габаритные и установочные

размеры, мм, преобразователей частоты для

двигателей серии ВД

Типоразмер ЭМП	ы
ЭТУ7801-39 ЭТУ7801-41 ЭТУ7801-44			475 475 605 1215	500 500 650 1260

Примечание. Все типы ЭМП, кроме ЭТУ7801-39, снабжены вентиляторами.

мализованные шкафы одно- или двухстороннего обслуживания, используемые в крупноблочных устройствах управления электроприводами. Степень защиты - IP00 по ГОСТ 14254-80. Охлаждение ПЧ на ток 80 А - естественное воздушное, а на юки 125, 250, 500 А - принудительное воздушное. Номинальные значения климатических факторов для ЭМП и ПЧ - по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70:

Высота над уровнем моря, м. . . 1и(Ю

Температура окружающего воздуха, °С......... 1-40

Относительная влажность, %.

при 20 X........65

при 25 °С........SO

Технические данные двигателей серии ВД мощностью 30-132 кВт основною исполнения с частотой вращения 1000 об/мин, а также модификаций с частотой вращения 500, 750, 1500 об/мин при сохранении момента основного исполнения ь каждом laoapii-те приведены в табл. 25.22.

Питание ПЧ серии ВД осуществляется от трехфазной промышленной сеш напряжением 380 В и частотой 50 Гц. Номинальное напряжение на выходе ПЧ, т. е. на якорной обмотке ЭМП. 300 В. Напряжение обможи независимого возбуждения 220 В.

Режим работы ЭМП и ПЧ - S1. Вентильные электродвигатели серии ВД дотекают двойную перегрузку по току в течение 10 с при номинальной чаооте вращения и перегрузку 1,3/ ном при максимальной частоте вращения при сохранении иосюян-ства мощности. Коэффициент мощное:и всех типоисполнений серии ВД равен 0 82.

Диапазон регулирования часто iu вращения вентильных электродвигателей 1: 1000, в том числе 1:4 вверх от номинальной.

Массогабаритные показатели ЭМП и ПЧ вентильных электродвшателей приведены соответственно в табл. 25.23, на рис. 25 6 и в табл. 25.24.

Рис. 25.6. Габаритные и установочно-присоединительные размеры ЭМП серии ВД

25.3.2. Вентильные двигатели серии ВД мощностью 200-3150 кВт

Вентильные двигатели серии ВД мощностью 200 - 3150 кВт с низкой частотой вращения предназначены для работы в регулируемых электроприводах химического и мельничного оборудования, шахтного подъема, буровых установок, насосов, вентиляторов и пр.

Таблица 25.25. Шкала мощностей низкоскоростных двигателей серии ВД

В комплект низкоскоростного вентильного двигателя серии ВД входят электромеханический преобразователь (ЭМП), преобразователь частоты (ПЧ), датчик положения ротора (ДПР), тахогенератор (ТГ) и система питания обмотки возбуждения (рис. 25.7).

Двигатели классифицируются по габаритам, полезной мощности и максимальной частоте вращения в соответствии с табл. 25.25. Подбор соответствующего типоразмера ПЧ осуществляется по полезной мощности ЭМП.

Электромеханический преобразователь низкоскоростной серии ВД конструктивно унифицирован с серийными синхронными двигателями. Трехфазная обмотка якоря размещена на статоре, обмотка возбуждения - на роторе. В наконечниках полюсов индуктора размещена демпферная обмотка. Питание обмотки возбуждения может быть осуществлено двумя способами. По первому способу (показанному на рис. 25.7) система

Таблица 25.26. Габаритные, установочно-присоединительные размеры, мм, и масса электромеханических преобразователей вентильных двигателей серии ВД (типоразмеры

ВД800 - ВД1600)

Типоразмер	Максимальная частота вращения, об/мин
двигателя
ВД8005 ВД800М ВД800Ь BfllOOOS ВДЮООМ Bfll250S ВД1250М ВД1250Ь ВД16008 ВД1600М ВД1600Ь

Типоразмер ЭМП											Масса, кг

Рис. 25.7. Структурная схема низкоскоростного двигателя серии ВД

является полностью бесконтактной. Напряжение питания поступает на тиристорный блок системы возбуждения БСВ, который позволяет получать на выходе регулируемое трехфазное напряжение переменного тока. Оно подается на обмотку статора асинхронного трансформатора AT, затем выпрямляется вращающимся выпрямителем ВВ и подается на обмотку возбуждения ЭМП. По второму способу система питания возбуждения строится на традиционном использовании скользящего токосъема, осуществляемого с помощью двух контактных колец и щеток. В этом случае на выходе БСВ формируют регулируемое выпрямленное напряжение.

Электромеханические преобразователи типоразмеров ВД800, ВД1000 и ВД1250 выполняются со щитовыми подшипниками качения, ЭМП типоразмера ВД1600 - со стояковыми подшипниками качения. Степень защиты ЭМП-1Р44 по ГОСТ 17494-72. Способ охлаждения - IC0541 по ГОСТ 20459-75.

Габаритные и установочно-присоедини-

тельные размеры ЭМП приведены в табл. 25.26.

Преобразователь частоты низкоскоростной серии ВД включает в себя силовую часть и систему управления СУ. По своей структуре силовая часть ПЧ представляет собой непосредственный преобразователь частоты. Питание ПЧ осуществляется от трехфазной промышленной сети напряжением 660 В и частотой 50 Гц. Подключение ПЧ к сети осуществляется через шестиоб-моточный реактор.

Синхронизация работы тиристоров ПЧ осуществляется с помощью ДПР. Значение угла управления выбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальный момент на валу.

Коммутация тока в тиристорах каждой группы происходит за счет напряжения сети. Коммутация тока при переключении групп имеет двоякий характер: при пуске и разгоне - сетевая, т. е. за счет напряжения сети, а при более высоких частотах вращения - смешанная, с использованием ЭДС двигателя.

Таблица 25.28. Шкала мощностей и габаритные размеры преобразователей частоты

двигателей ВД800 - ВД1600

		Габаритные размеры
Типоразмер ПЧ	Мрщность, кВт	(длина х высота х	Масса, кг
		х ширина), м
ТНТРВ-630-690УХЛ4
ТНТРВ-1,2к-690УХЛ4
ТНТРВ-2,0к-690УХЛ4		5,4 х 2,4 х 0,8
ТНШРВ-2,5к-690У X Л4		8,2 х 2,4 х 0,8
ТНШРВ-3,1к-690УХЛ4

Регулирование частоты вращения вентильных двигателей осуществляется в пределах 0,1 - \п тах. Изменение КПД и коэффициента мощности при регулировании частоты вращения отражено в табл. 25.27. При необходимости система управления снабжается устройствами, обеспечивающими электрическое торможение двигателя.

Силовая часть ПЧ, а также схема питания обмотки возбуждения конструктивно размещены в стандартных шкафах двухстороннего обслуживания. Степень защиты ПЧ - IP20 по ГОСТ 14254-80. Охлаждение-принудительное воздушное. Габаритные размеры ПЧ приведены в табл. 25.28.

Номинальные значения климатических факторов для низкоскоростных вентильных двигателей серии ВД по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70:

Высота над уровнем моря, м. . 1000 Температура окружающего воздуха, °С.......... 1-40

Относительная влажность при

25 °С, %.........80

25.3.3. Вентильные двигатели серии ПЧВС

Тиристорные электроприводы по схеме вентильного двигателя серии ПЧВС предназначены для обеспечения пуска и регулирования частоты вращения мощных высоковольтных синхронных двигателей. Структурная схема электропривода показана на рис. 25.8, типы электроприводов, габаритные

Рис. 25.8. Структурная схема электропривода по схеме вентильного двигателя серии

В - выпрямитель; И - инвертор; СУ В - система управления выпрямителем; СУМ - система управления инвертором; ВР - входной реактор; СР - сглаживающий реактор; ДТ - датчик тока; ДПР- датчик положения ротора; ДФН - датчик фазы ЭДС; РВ - регулятор возбуждения; ТГ - тахоге-нератор; О В - обмотка возбуждения

размеры силовых щитов и шкафа управления приведены в табл. 25.29.

Электропривод обеспечивает: пуск двигателя, работу на любой заданной частоте вращения в диапазоне 0,06- 1и„ ом, реверсирование двигателя, рекуперативное торможение, оптимизацию переходных процессов путем автоматического ограничения тока на уровне 1,5 - 2/ ном, автоматическую синхронизацию двигателя с сетью.

Электропривод включает в себя ЭМП, ПЧ со звеном постоянного тока, тиристор-ный возбудитель, систему управления. В качестве ЭМП в серии ПЧВС использованы

Таблица 25.29. Технические и массогабаритные данные вентильных двигателей серии

ПЧВС

серийно выпускаемые синхронные двигатели. Использование серийного двигателя по мощности определяется его конструктивными особенностями и электрическими параметрами. При номинальной частоте вращения коэффициент использования лежит в пределах 0,8-0,9 за счет некоторого ухудшения cos ф (как правило, при работе от инверю-ра тока с коммутацией за счет ЭДС двигателя cos <р„ ом « 0,85-г 0,88 вместо 0,9), а также за счет дополнительных потерь от высших гармонических тока. Меньшее значение коэффициента использования относится к турбодвигателям.

Тиристорный ПЧ состоит из двух аналогичных силовых модулей: выпрямителя и инвертора, выполненных по трехфазной мостовой схеме. Каждое плечо - из ряда последовательных включенных тиристоров с устройствами, обеспечивающими равномерное деление напряжения между тиристорами, с устройствами индикации целостности тиристоров и защиты при выходе из строя недопустимого числа полупроводниковых приборов. В состав силового модуля входят также приборы контроля тока и напряжения и КС-цепи, ограничивающие перенапряжения при коммутации тока между тиристорами.

Все типоисполнения ПЧВС по мощности обеспечиваются двумя базовыми конструкциями силовых модулей на напряжение 6 и 10 кВ. В зависимости от номинального тока (630, 320, 200 А) предусмотрено три исполнения модулей по устройствам охлаждения: групповое принудительное, индивидуальное принудительное и естественное. При токах свыше 630 А выполняется параллельное соединение преобразователей частоты на ток 630 А.

В работе привода различают три режима: режим принудительной коммутации тока в фазах инвертора (режим низких частот), режим коммутации тока в фазах инвертора под действием ЭДС якоря ЭМП, режим синхронизации двигателя с сетью. Основным рабочим режимом является режим коммутации тока в фазах инвертора под действием ЭДС якоря ЭМП. В данном режиме управляющие импульсы, подаваемые на инвертор, синхронизируются по фазе ЭДС ЭМП.

Амплитуда тока якоря определяется модулем выходного сигнала регулятора частоты вращения и отрабатывается замкнутой системой автоматического регулирования тока воздействием на управляемый выпрямитель. Ток возбуждения автоматически регулируется в функции тока статора таким образом, что амплитуда коммутационной

ЭДС не зависит от тока якоря я «меняекя пропорционально частоте вращения.

В режиме низких частот враитения синхронизация импульгов управления инвертором осуществляется логическими сигналами датчика углового положения ротора (ДПР) относительно статора. При огсуг-схвии ДПР часюга иньерюра в процессе пуска, торможения и реверса в обнажи низких час 1 от может определяться плавным изменением сигнала задания частоты, в этом варианте электропривод работает по схеме синхронного двигателя с чаыотным управлением.

В режиме синхронизации двшаиля с сетью частота, фаза и амплитуда напряжения обмотки якоря ЭМП, питающегося от инвертора, ус»анавливаюгся равными соответствующим параметрам сети, после чею обмотка якоря подключается к сети, а ПЧ отключается.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

• Содержание
• Введение
• 1 . Современное состояние вопроса в области проектирования ВД
• 2 . Обзор конструктивных исполнений ВД, выбор и описание конструкции
• 2.1 Вентильный индукторный двигатель
• 2.2 Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов
• 2.3 Выбор конструкции ВД
• 3 . Аналитический расчет магнитной системы вентильного электродвигателя
• 3.1 Расчет ротора
• 3.2 Расчет статора
• 3.3 Расчет трапециидально го паза

Введение

В настоящее время большинство развитых стран широко внедряют высокотехнологичную электротехническую продукцию , которая не только решает вопросы снижения энергопотребления, но и позволяет создавать электротехнические комплексы с малым выделением потерь и целым рядом новых качеств. Успехи в области силовой и микропроцессорной техники открыли благоприятные условия для создания нового поколения электроприводов на базе вентильных электродвигателей (ВД). Практически все ведущие электротехнические фирмы мира осваивают в настоящее время выпуск таких электродвигателей.

Ведущими электротехническими компаниями освоен выпуск вентильных электродвигателей (от единиц ватт до сотен киловатт) для различных областей, в том числе аэрокосмической, транспортной, медицинской, станкостроительной, вычислительной техники и т.д.

Одним из основных препятствий для широкого внедрения вентильных приводов в оборудовании, является большая стоимость постоянных магнитов. Поэтому основное применение ВД нашли в авиационной и космической области, где стоимость изделия является второстепенным параметром.

В проекте разработано техническое задания на проектирование вентильного двигателя, рассмотрены методы анализа электромагнитных и электромеханических процессов в ВД, произведён аналитический расчет магнитной системы вентильного электродвигателя и построена компьютерная модель магнитной системы.

1. Современное состояние вопроса в области проектирования ВД

Основные направления совершенствования ВД: разработка и использование более совершенных магнитных материалов, разработка новых вариантов конструкции ЭМП, миниатюризация электронной части машины, создание датчиков новых типов. В течение последних 10-15 лет у нас в стране и за рубежом разработаны технологии и налажен выпуск высококоэрцитивных магнитотвердых материалов на основе интерметаллических соединений кобальта с редкоземельными металлами. Высокая удельная энергия редкоземельных постоянных магнитов позволяет существенно снизить массу и габаритные размеры электрических машин. Совершенствование схем, конструкций и технологии изготовления ПК в настоящее время происходит путем широкого использования гибридной тонкопленочной технологии производства больших интегральных схем и силовых больших интегральных схем (СБИС), трудоемкость изготовления которых слабо зависит от их структурной сложности. Открываются принципиально новые функциональные и схемотехнические возможности интеграции цифровой и аналоговой обработки данных, фильтрации и преобразования сигналов, важнейшей из которых является создание отказоустойчивых мощных интегральных распределенных структур, «само защищённых» от перегрузок, нарушений в нагрузке и питании, и сохраняющих характеристики системы при локальных отказах в самой структуре. Структуры СБИС позволяют практически детерминировано задать почти любой ресурс электронной части ВД. Наряду с совершенствованием материалов, элементов, конструкций, технологии производства и технических характеристик все более жесткие требования предъявляются к надежности ВД. Наиболее ярко эти требования проявляются при разработке и создании исполнительных элементов регулируемых электроприводов специальных механизмов и систем автоматики летательных аппаратов, когда в зависимости от назначения двигателя и условий его применения надежность определяется сочетанием нескольких свойств: безотказности, долговечности и сохраняемости. В качестве показателей надежности чаще всего выдвигаются требования обеспечения высокой вероятности безотказной работы (р=0,99500 … 0,99999), наработки до отказа (5000 … 20000 ч), назначенного ресурса (110000 … 350000 включений) при суммарном времени работы 250 …5500 ч) или назначенного срока службы (14 …20 лет), среднего срока сохраняемости (9 … 20 лет). В связи с этим уже на стадии проектно-конструкторской проработки вариантов исполнения ВД необходимо учитывать современный уровень развития технологии электромашиностроения и электроники, проанализировать возможные отказы элементов и исследовать их влияние на выходные характеристики и работоспособность двигателя, предусмотреть оптимальные способы резервирования, мероприятия по диагностике технического состояния и управлению надежностью ВД. Эти вопросы являются составляющими частями системного подхода к проектированию сложных технических систем. Одним из путей создания двигателей повышенной надежности является увеличение числа фаз ЭМП при неизменной мощности двигателя. Это позволяет уменьшить величину тока в каждой фазе разомкнутой обмотки и выполнить ПК в интегральном исполнении, что дает возможность встраивать последний внутри корпуса электрической машины. Получаемое при этом многообразие возможных схем соединения, способов питания и алгоритмов коммутации фаз обмотки якоря позволяет реализовать ЭМП, структура и параметры которого могут автоматически меняться в зависимости от целей и условий функционирования, а автономное исполнение каналов коммутации каждой фазы обеспечит повышенную надежность машины на основе принципов функционального резервирования.

Если в машине с малым числом фаз подавляющее большинство отказов элементов приводит к полному отказу двигателя, то в многофазной машине работоспособность может сохраниться, хотя при этом изменяются выходные характеристики двигателя. Отсюда появляется возможность иного пути резервирования. Увеличение числа фаз ЭМП уменьшает влияние отказа в канале управления или фазы ЭМП на характеристики ВД. С другой стороны, увеличение числа фаз приводит к увеличению вероятности отказа в одном из них. Поэтому здесь необходимо искать разумный компромисс, исходя из требований к выходным характеристикам с одной стороны, ресурсом и надежностью машины, с другой стороны. При известной вероятности отказа одного канала можно найти такое количество фаз ЭМП, при котором обеспечиваются заданные показатели надежности двигателя с учетом возможности возникновения одного или нескольких отказов в аппаратуре управления и удовлетворительные выходные характеристики ВД. Использование такого способа резервирования имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при исследовании физических процессов и проектировании ВД в целом. Способ совпадает с общим стремлением к увеличению числа фаз ЭМП, исходя из условий улучшения характеристик. Для решения перечисленных задач необходимо разработать общие методы исследования электромагнитных процессов для получения количественной оценки характеристик многофазных ВД в штатных режимах работы и при отказах отдельных элементов схемы.

2. Обзор конструктивных исполнений ВД, выбор и описание конструкции

В составе ВД нашли применение, главным образом, три типа бесконтактных электрических машин:

1) Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов.

2) Индукторные машины с обмоткой возбуждения (их также называют аксиальные).

3) Синхронно-реактивные машины (вентильный двигатель на их основе называют также вентильный индукторный двигатель, что вносит путаницу в терминологии названий ВД на базе машин 2 и 3).

Принципиально возможно использовать в составе ВД и классическую синхронную машину с электромагнитным возбуждением и даже асинхронную машину. Но в первом случае теряется одно из главных преимуществ ВД - бесконтактность, а в другом случае - сложно реализовать обратную связь по положению ротора.

2.1 Вентильный индукторный двигатель

Вентильноиндукторный двигатель (ВИД) - это относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии, который сочетает в себе свойства и электрической машины, и интегрированной системы регулируемого электропривода. Как всякий электродвигатель, он обеспечивает преобразование электрической энергии, которая поступает от питающей сети, в механическую энергию, передаваемую в нагрузку. Как система регулируемого электропривода, ВИД дает возможность осуществлять управление этим процессом в соответствии с особенностями конкретной нагрузки: регулировать частоту вращения, момент, мощность и так далее.

ВИД представляет собой достаточно сложную электромехатронную систему, структурная схема которой приведена на рис. 2.1

Рисунок 2.1 - Структурная схемаВИД

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

По своей структуре ВИД 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, ИМ в ВИД не является самодостаточной. Она принципиально неспособна работать без преобразователя частоты и системы управления. Преобразователь частоты и система управления являются неотъемлемыми частями ИМ, необходимыми для осуществления электромеханического преобразования энергии. Это дает право утверждать, что совокупность структурных элементов, представленных на рис. 1, является не только системой регулируемого электропривода, но и электромеханическим преобразователем энергии.

ИМ, входящая в состав ВИД, может иметь различные конструктивные исполнения. На рис. 2.2, для примера, приведено поперечное сечение 4х-фазной ИМ конфигурации 8/6. При обозначении конфигурации ИМ первая цифра указывает число полюсов статора, вторая - ротора.

Рис. 2.2 Поперечное сечение 4х-фазной ИМ конфигурации 8/6.

Анализ рис. 2.2 показывает, что ИМ имеет следующие конструктивные особенности.

Сердечники статора и ротора имеют явнополюсную структуру.

Число полюсов относительно невелико. При этом число полюсов статора больше числа полюсов 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 4х-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.

ВИД является и электрической машиной, и интегрированной системой регулируемого привода. Он представляет собой органическое единство ИМ, преобразователя частоты и микропроцессорной системы управления. Поэтому все его достоинства и недостатки можно разделить на две группы:

Характеристики, обусловленные ИМ;

Характеристики, обусловленные преобразователем частоты и системой управления;

В соответствии с этими группами ниже приведены достоинства и недостатки ВИД.

Достоинства ВИД и недостатки, обусловленные ИМ:

Достоинства

Простота и технологичность конструкции ИМ;

Низкая себестоимость;

Высокая надежность;

Высокая ремонтопригодность;

Низкие потери в роторе;

Минимальные температурные эффекты;

Низкий момент инерции;

Возможность работы на больших частотах вращения;

Возможность работы в агрессивных средах;

Высокая степень утилизации.

Недостатки

Высокий уровень шумов и вибраций;

Плохое использование стали;

Работа возможна только совместно с преобразователем частоты;

Значительные отходы при штамповке;

Достоинства и недостатки ВИД, обусловленные преобразователем частоты и системой управления:

Достоинства

Возможность оптимального управления процессом электромеханического преобразования энергии для конкретного нагрузочного устройства;

Высокие массогабаритные и энергетические характеристики.

Недостатки

Пониженная электросовместимость с сетью из-за высокого содержания высших гармоник в токах обмоток.

Области применения ВИД

Наиболее целесообразно использовать ВИД в качестве электропривода механизмов, в которых по условиям работы требуется осуществление регулирования в широком диапазоне частоты вращения. Примером здесь могут быть электроприводы станков с числовым программным управлением и промышленных роботов.

Эффективность использования ВИД существенно повышается, если необходимость регулирования частоты вращения сочетается с тяжелыми условиями работы, как это имеет место быть в электроприводах для металлургии, горнодобывающей промышленности и подвижного состава электрического транспорта.

В промышленности есть большой класс устройств и механизмов, использующих нерегулируемый электропривод, где энергетическая эффективность существенно возрастает при использовании регулируемого электропривода. К таким устройствам, прежде всего, относятся компрессоры, насосы и вентиляторы. Использование здесь ВИД является весьма перспективным.

2.2 Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов

Вентильный электродвигатель -- это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока, потому что контроллер такого двигателя обычно питается от постоянного напряжения.

Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока. Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесколлекторных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ или BLDC). Конструктивно они напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора. БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессор обработки сигналов. Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса питания - достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.

В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором).

Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора.

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз -- синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из сплавов редкоземельных элементов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах -- фотоэлектрический, индуктивный, на эффекте Холла, и т. д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безынерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращающееся магнитное поле.

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

Принцип работы ВД основан на том, что контроллер ВД коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекающим через обмотки ВД, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.

Градусы при расчете - электрические. Они меньше геометрических градусов в число пар полюсов ротора. Например, в ВД с ротором имеющим 3 пары полюсов оптимальный угол между векторами будет 90°/3 = 30°

Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора -- Ф 0 поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

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

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.

Управление двигателемосуществляется контроллером ВД. Контроллер ВД регулирует момент, действующий на ротор, меняя величину ШИМ.

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

Распространены системы управления, реализующие алгоритмы широтно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляции при управлении ВД.

Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования скорости -- у двигателей с векторным управлением. С помощью преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двигателя и поддержание потокосцепления в машине на заданном уровне.

Особенность регулирования электропривода с векторным управлением -- контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которым осуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.

Недостатком этих систем является сложность управляющих и функциональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости.

Достоинства и недостатки ВД

В последнее время, этот тип двигателей быстро приобретает популярность, проникая во многие отрасли промышленности. Находит применение в различных сферах использования: от бытовых приборов до рельсового транспорта.

ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Достоинства:

Высокое быстродействие и динамика, точность позиционирования

Широкий диапазон изменения частоты вращения

Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания -- бесколлекторная машина

Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде

Большая перегрузочная способность по моменту

Высокие энергетические показатели (КПД более 90 % и cosц более 0,95)

Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов

Низкий перегрев электродвигателя, при работе в режимах с возможными перегрузками

Недостатки:

Относительно сложная система управления двигателем

Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора

2.3 Выбор конструкции ВД

В данном курсовом проекте стоит задача аналитического расчета вентильного двигателя мощностью 11 ватт и частотой вращения 15000 об/мин и последующим компьютерным моделированием магнитной системы в программе Elcut для последующей оптимизацией магнитной системы. Исходя из требуемых выходных параметров целесообразным будет выбор вентильного двигателя с постоянными магнитами. Статор имеет традиционную конструкцию в пазах которого уложена трёхфазная обмотка. Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов марки КС37А-130 имеет четыре полюса с бандажом, выполненным из титана рис. 2.3.

Рисунок 2.3 - конструкция ротора ВД

3. Аналитический расчет магнитной системы вентильного электродвигателя

3.1 Расчет ротора

Частота тока в обмотке статора, Гц,

(4.1)

Коэффициент мощности,

Коэффициент,

определяется по зависимости

Расчетная мощность, ВА,

(4.2)

Объем магнита,

(4.3)

вентильный двигатель электромагнитный ротор

где коэффициент использования магнита;

В качестве магнитов ротора используется магнит КС25ДС-240.

Внешний диаметр магнитов ротора предварительно, м,

(4.4)

где длинна магнита, м;

высота магнита (задается), м;

Минимальный внешний диаметр по магнитам ротора, м,

(4.5)

где толщина прокладки между магнитами, м;

Из технологических соображений принимаем.

Полюсная дуга магнита, м,

(4.6)

Ширина полюса магнита, м,

(4.7)

Силовая линия магнита, м,

(4.8)

Силовая линия ярма ротора, м,

(4.9)

где диаметр вала (задается и уточняется после механического расчета), м;

3.2 Расчет статора

Внутренний диаметр статора, м,

(4.10)

Полюсное деление статора, м,

(4.11)

Коэффициент полюсного перекрытия,

(4.12)

Расчетный коэффициент полюсного перекрытия,

(4.13)

(4.14)

где число пазов на полюс и фазу (задается);

Зубцовое деление статора, м,

(4.15)

Шаг обмотки по пазам,

(4.16)

Коэффициент укорочения обмотки,

(4.17)

Коэффициент распределения,

(4.18)

где в случае если оно дробное, берется числитель неправильной дроби;

Рисунок 6.1 - Схема обмотки статора

Коэффициент скоса,

(4.19)

где скос в пазовых делениях (задается);

Обмоточный коэффициент,

(4.20)

Расчетное фазное напряжение, В,

(4.21)

где напряжение сети с учетом падения напряжения на транзисторах

инвертора, в соединительных проводах;

Расчетная фазная ЭДС, В,

(4.22)

Магнитный поток, Вб,

(4.23)

Число витков в фазе,

(4.24)

где коэффициент формы поля;

(4.25)

где число параллельных ветвей обмотки статора;

Применим двухслойную обмотку.

Число витков в секции,

(4.26)

Принимаем число витков в секции

Уточняем число витков в фазе,

(4.27)

Уточняем значение потока, Вб,

(4.28)

(4.29)

Расчетный ток фазы статора, А,

(4.30)

Сечение эффективного проводника,

(4.31)

где плотность тока (задается);

Сечение элементарного проводника,

(4.32)

где число параллельных проводников в пазу;

Диаметр голого провода, мм,

(4.33)

По справочнику выбираем провод,

Плотность тока окончательно,

(4.34)

Площадь занимаемая изолированными проводниками в пазу,

(4.35)

Линейная нагрузка, А/м,

(4.36)

Высота ярма статора, м,

(4.37)

где магнитная индукция в ярме статора, Тл;

коэффициент заполнения пакета сталью, определяется маркой и

покрытием стали;

длинна пакета статора, м;

3.3 Расчет трапециидального паза

Ширина зубца, м,

(4.38)

где длинна воздушного зазора, м;

магнитная индукция в зубцах, Тл;

Ширина шлица паза, мм,

(4.39)

высота клина принимается равной 0,00035-0,0035, м;

h п - высота паза задается, м;

Площадь паза, определяем с помощью расчета в Компасе S п =0,000102м 2 .

Рисунок 4.2 - Эскиз паза статора

Коэффициент заполнения паза,

(4.40)

Коэффициент заполнения находится в требуемых пределах 0,30 - 0,48.

Наружный диаметр статора, м,

(4.41)

5Исследование магнитной системы ВД на основе полевой компьютерной модели

Для исследования магнитной системы ВД на основе полевой модели и спользовался программное обеспечениеANSYS.

В качестве начальных данных для расчета были взять результаты аналитического расчета п.4 данной работы.

В ANSYSбыла сформирована герметическая модель по классическим схемам замещения рисунок 5.1.

Рисунок 5.1 - Геометрическая модель

В результате аналитического расчета в ANSYS были получены следующие характеристики

Рисунок 5.2 - Рабочие характеристики

Далее был проведен расчет электромагнитного поля на базе полевой модели. В результате чего были получены: распределение магнитной индукции, распределение магнитного потока, распределения магнитных и омических потерь в активной части электрической машины.

Рисунок 5.3 - Распределение индукции в активной части электрической машины

Рисунок 5.4 - Распределение магнитного потока в активной части электрической машины

Рисунок 5.5 - Распределение магнитных потерь

Рисунок 5.5 - Распределение омических потерь(потери в меди)

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока посредством изменения потока возбуждения. Максимально-токовая защита электропривода. Скоростные характеристики двигателя. Схемы силовых цепей двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей.

курсовая работа , добавлен 30.03.2014


Электрический привод с тиристорными преобразователями и двигателями постоянного тока как основной тип привода станков с ЧПУ. Основные характеристики электропривода и тип двигателя постоянного тока. Достоинства и недостатки высокомоментных двигателей.

курсовая работа , добавлен 14.12.2012


История открытия и создания двигателей постоянного тока. Принцип действия современных электродвигателей. Преимущества и недостатки двигателей постоянного тока. Регулирование при помощи изменения напряжения. Основные линейные характеристики двигателя.

курсовая работа , добавлен 14.01.2018


Принцип действия вентильного электропривода. Формирование вращающего момента, результирующей намагничивающей силы. Электрическая схема переключения полюсов вентильного электропривода. Моделирование переходных процессов. Суммарный момент возмущения.

курсовая работа , добавлен 15.03.2010


История создания и принцип работы электродвигателя. Способы возбуждения электрических двигателей постоянного тока. Основные типы двигателей и их разновидности. Конструкция двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Принцип работы зажигания двигателя.

презентация , добавлен 05.05.2011


Исторический обзор путей развития электрического двигателя постоянного тока. Открытие явления электромагнитной индукции М. Фарадеем в 1831 году. Выявление основных направлений и идей, которые привели к созданию современной конструкции двигателя.

отчет по практике , добавлен 21.11.2016


Принцип действия и область применения электрических машин постоянного тока. Допустимые режимы работы двигателей при изменении напряжения, температуры входящего воздуха. Обслуживание двигателей, надзор и уход за ними, ремонт, правила по безопасности.

курсовая работа , добавлен 25.02.2010


Основные типы двигателей: двухтактные и четырехтактные. Конструкция двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Принцип зажигания двигателя. История создания и принцип работы электродвигателя. Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока.

реферат , добавлен 11.10.2010


Понятие и функциональные особенности вентильного генератора, его внутреннее устройство и взаимосвязь составных элементов. Расчет полюсного и зубцового деления. Определение коэффициента воздушного зазора. Построение характеристики холостого хода.

курсовая работа , добавлен 04.06.2014


Характерные особенности работы и конструкции бесконтактных двигателей постоянного тока типа БК-1, ДБ, которые предназначены для применения в составе научной и служебной аппаратуры космических аппаратов, других технических средств с высокой надежностью.

Синхронные и асинхронные вентильные двигатели постоянного тока широко применяются в различных сферах промышленного производства. В рамках этой статьи мы подробно рассмотрим их устройство и принцип работы.

Принцип работы

Вентильный бесколлекторный двигатель ВМЭД, ДВУ является одним из видов электрического двигателя, который индуцирует непостоянные магнитные полюса на ферромагнитном роторе. Крутящий момент создается за счет магнитного сопротивления.

Фото – Бесколлекторный вентильный двигатель

Вентильные двигатели бывают трех типов:

1. Синхронный;
2. Асинхронный;
3. Индукторный.

Конструкция вентильно-реактивного двигателя (ВРД) включает в себя две фазные обмотки, установленные вокруг диаметрально противоположных полюсов статора. При подаче питания ротор движется в соответствии с полюсами статора, благодаря чему, сопротивление магнитного поля сводится к минимуму. В основе работы вентильно индукторного двигателя используется тот же принцип.

Фото – Вентильный двигатель

В высокоэффективной переменной скорости привода магнетизм двигателя оптимизирован для работы с реверсом. Информация о положении ротора используется для управления фазы подачи напряжения. Благодаря этому обеспечивается непрерывный крутящий момент и высокая эффективность. Сигналы накладываются на угловую ненасыщенную фазу индуктивности, при этом ее максимальная величина соответствует минимальному сопротивлению полюса. Положительный момент производится только при углах, когда индуктивность градиента также является положительной.

Для защиты электроники от высоких вольт-секунд фазный ток на низких скоростях необходимо ограничивать. Как правило, это достигается за счет гистерезиса тока. Для контроля процесса используются специальные датчики.

Фото – Схема вентильного двигателя

На более высоких скоростях ток ограничен. Чтобы оптимизировать производительность, управляющее напряжение одиночного импульса используют с заранее выровненным углом.

Траектория реактивной энергии наглядно иллюстрирует механизм ее преобразования. Мощностная область представляет собой питание, которое преобразуется в механическую энергию (или она уже была преобразована генератором). При резком отключении питания остаточная или избыточная энергия возвращается к статору. Минимальное влияние магнитного поля на работу двигателя является его основным отличием от аналогичных устройств.

Преимущества вентильного двигателя:

1. Благодаря небольшому магнитному сопротивлению минимизируются потери энергии;
2. Высокие показатели безопасности (возможность работы при пиковых нагрузках);
3. Широкий диапазон скоростей;
4. Мягкое переключение скоростей.

К числу недостатков автоматизированных вентильных электродвигателей можно причислить:

1. Высокий уровень шума;
2. Сложно управление;
3. Относительно высокая стоимость, по сравнению с аналогичными устройствами.

Видео: из чего состоят вентильные двигатели

Конструкция

Тяговый вентильный двигатель (каталог Интерскол, Lenze, Борец для УЭЦН, ЭЦН) состоит из датчиков, которые указывают на положение ротора машины синхронного типа. Совокупность этих механизмов называется электромеханической частью двигателя. Управляющая часть устройства включает в себя микроконтроллер и силовой мост. Блок управления двигателем относится к логистическому неконструктивному участку системы.

Фото – Вентильный индукторный двигатель

Механическая часть устройства представляет собой синхронный привод, собранный из изолированных стальных листов. Такая конструкция способствует уменьшению вихревых токов, образующихся в обмотке и роторе.

Для нормальной работы прибора используются датчики Холла. Если в вентильном двигателе нет индикаторных приспособлений, сигналы поступают напрямую к магнитной установке. Этими же устройствами контролируется режим реверса. Это необходимо для того, чтобы при погружении двигатель не остановился, а также дает возможность дистанционно контролировать его работу и менять установки. Данная функция необходима при добыче нефти, угля, газа и буровых работах.

Фото – Принцип работы погружного двигателя

Шаговый микропроцессор обрабатывает все данные о положении ротора, согласно настройкам которого, контролируются ШИМ-сигналы. Нужно отметить, что при низком уровне данных сигналов, потребуется их усиление. Для этой цели используются специальные приборы, работающие по принципу микротрансформаторов.

Технические параметры:

Марка, тип	Крутящий момент, Нм	Длина, мм	Максимально допустимая частота, мин -1	Вес, кг
ДМВ 55	0,05; 1	61	420; 1800	0,4
5 ДВМ 55	0,23; 0,47; 0,7; 1,3	218	2000; 3000; 4000; 6000	4,5
5 ДВМ 155	2,3; 3,5; 4,7; 7	342	2000; 3000; 4000; 6000	13
5 ДВМ 165	10; 13; 17; 23	536	1000; 2000; 3000; 4000	67
5 ДВМ 215	23; 35; 47; 70	637	1000; 2000; 3000; 4000	28

Фото – Параметры вентильных двигателей

Расчет двигателей производится по следующим формулам:

Формула равновесия фаз: IRΣ+ EΣ= U

Сумма ЭДС – E1= Emsin(∂+∂0), амплитуда ЭДС – Em= ko1pФw1Ω = (ko1pФN1Ω) / 2

Обозначение угла коммутации двигателя:

Виды устройства

Вентильные двигатели могут работать от переменного или постоянного тока. Помимо этого, их принято делить на следующие виды:

1. Однофазное устройство. Это простейшие вентильные двигатели с наименьшим количеством связей между машиной и электроникой. К числу недостатков однофазных устройств следует отнести: пульсации, высокий крутящий момент, а также невозможность запуска на всех угловых положениях. Однофазные двигатели нашли широкое применение в машинах, где требуется высокая скорость.
2. Двухфазный двигатель. Этот мотор при работе активизирует воздушный зазор либо, при дополнительной настройке, создает асимметрию в полюсах ротора. Это устройство устанавливается в машинах, где критична связь статора с обмоткой. К числу недостатков следует отнести высокий крутящий момент и пульсации, которые могут привести к пагубным последствиям.
3. Трехфазный двигатель. Этот дисковый двигатель используется для запуска и создания крутящего момента, не используя при этом большого количества фаз. Данный тип двигателей используется в различных отраслях производства, а иногда и в бытовых условиях. Это самая популярная конструкция из всех представленных. Альтернативные 3-фазные машины с четным числом полюсов являются лучшим решением для приборов, где необходимо сочетание высокой мощности и низкой скорости, например, в насосах. Недостатки трехфазных двигателей: высокий крутящий моментом и повышенный уровень шума.
4. Устройства с четырьмя фазами . У этих двигателей существенно снижен крутящий момент и пульсации, но сфера применения устройств ограничена высокой стоимостью и большой мощностью.

К сожалению, разработать и создать своими руками рабочий погружной или многофазный вентильный двигатель практически невозможно, намного проще купить нужную модель. В разных городах России и Украины цена вентильных двигателей может значительно варьироваться. Нижняя ступень будет около 8000 тысяч рублей, верхняя может достигать 20 000, в зависимости от области действия и производителя

Во многих сферах производства используются вентильные двигатели, в частности, на нефтяных скважинах, буровых установках, приводобежных механизмах, системах охлаждения воздуха на химических предприятиях.

Вентильные двигатели работают от сети постоянного тока. ВД можно рассматривать как двигатель постоянного тока (обращенный!!), в котором щёточно-коллекторный узел заменён электроникой, что подчёркивается словом «вентильный», то есть «управляемый силовыми ключами » (вентилями). Фазные токи вентильного двигателя имеют синусоидальную форму. Как правило, в качестве усилителя мощности применяется автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией .

Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре и характеризуется прямоугольной формой фазных напряжений . Структура БДПТ проще чем структура ВД (отсутствует преобразователь координат, вместо ШИМ используется 120- или 180-градусная коммутация, реализация которой проще ШИМ).

В русскоязычной литературе двигатель называют вентильным, если противо-ЭДС управляемой синхронной машины синусоидальная, а бесконтактным двигателем постоянного тока, если противо-ЭДС трапецеидальная.

В англоязычной литературе такие двигатели обычно рассматриваются в составе электропривода и упоминаются под аббревиатурами PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) или BLDC (Brushless Direct Current Motor). Стоит отметить, что аббревиатура PMSM в англоязычной литературе чаще используется для обозначения самих синхронных машин с постоянными магнитами и с синусоидальной формой фазных противо-ЭДС, в то время как аббревиатура BLDC аналогична русской аббревиатуре БДПТ и относится к двигателям с трапецеидальной формой противо-ЭДС (если иная форма не оговорена специально).

Вообще говоря, вентильный двигатель не является электрической машиной в традиционном понимании, поскольку его проблематика затрагивает ряд вопросов, связанных с теорией электропривода и систем автоматического управления : структурная организация, использование датчиков и электронных компонентов, а также программное обеспечение.

Вентильные двигатели, сочетающие в себе надёжность машин переменного тока с хорошей управляемостью машин постоянного тока, являются альтернативой двигателям постоянного тока (ДПТ), которые характеризуются рядом изъянов, связанных со щёточно-коллекторным узлом (ЩКУ), таких как искрение, помехи, износ щёток, плохой теплоотвод якоря и проч. Отсутствие ЩКУ позволяет применять ВД в тех приложениях, где использование ДПТ затруднено или невозможно.

Энциклопедичный YouTube

1 / 1

Принцип работы бесщеточного двигателя постоянного тока

Субтитры

Описание и принцип работы

На входы преобразователя координат (ПК) поступают напряжения постоянного тока , действие которого аналогично напряжению якоря двигателя постоянного тока , и u d {\displaystyle u_{d}} , аналогичное напряжению возбуждения двигателя постоянного тока (аналогия действует при рассмотрении схемы независимого возбуждения двигателя постоянного тока).

Сигналы , представляют собой проекции вектора напряжения управления U y → = { u d , u q } {\displaystyle {\vec {U_{y}}}=\{u_{d},u_{q}\}} на оси вращающейся системы координат { d , q } {\displaystyle \{d,q\}} , связанной с ротором ВД (а точнее - с вектором потока ротора). Преобразователь координат осуществляет преобразование проекций u d , u q {\displaystyle u_{d},u_{q}} в проекции неподвижной системы координат { α , β } {\displaystyle \{\alpha ,\beta \}} , связанной со статором.

Как правило, в системах управления электропривода задаётся u d = 0 {\displaystyle u_{d}=0} , при этом уравнения преобразования координат принимают вид :

U α = − u q ⋅ sin ⁡ θ , {\displaystyle u_{\alpha }=-u_{q}\cdot \sin {\theta },}

U β = {\displaystyle u_{\beta }=} u q ⋅ cos ⁡ θ , {\displaystyle u_{q}\cdot \cos {\theta },}

где - угол поворота ротора (и системы вращающихся координат) относительно оси α {\displaystyle \alpha } неподвижной системы координат. Для измерения мгновенного значения угла θ {\displaystyle \theta } на валу ВД устанавливается датчик положения ротора (ДПР).

По сути, u q {\displaystyle u_{q}} является в этом случае заданием значения амплитуды фазных напряжений. А ПК, осуществляя позиционную модуляцию сигнала u q {\displaystyle u_{q}} , формирует гармонические сигналы u α , u β {\displaystyle u_{\alpha },u_{\beta }} , которые усилитель мощности (УМ) преобразует в фазные напряжения u A , u B {\displaystyle u_{A},u_{B}} . Синхронный двигатель в составе вентильного двигателя часто называют синхронным электромеханическим преобразователем (СЭМП).

Как правило, электронная часть ВД коммутирует фазы статора синхронной машины так, чтобы вектор магнитного потока статора был ортогонален вектору магнитного потока ротора (т. н. векторное управление). При соблюдении ортогональности потоков статора и ротора обеспечивается поддержание максимального вращающего момента ВД в условиях изменения частоты вращения, что предотвращает выпадение ротора из синхронизма и обеспечивает работу синхронной машины с максимально возможным для неё КПД . Для определения текущего положения потока ротора вместо датчика положения ротора могут использоваться токовые датчики (косвенное измерение положения).

Электронная часть современного ВД содержит микроконтроллер и транзисторный мост, а для формирования фазных токов используется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Микроконтроллер отслеживает соблюдение заданных законов управления, а также производит диагностику системы и её программную защиту от аварийных ситуаций.

Иногда датчик положения ротора отсутствует, а положение оценивается системой управления по измерениям токовых датчиков с помощью наблюдателей (т. н. «бездатчиковое» управление ВД). В таких случаях, за счёт удаления дорогостоящего и, зачастую, громоздкого датчика положения, уменьшается цена и массо-габаритные показатели электропривода с ВД, однако усложняется управление, снижается точность определения положения и скорости.

В приложениях средней и большой мощности в систему могут дополнительно включаться электрические фильтры для смягчения негативных эффектов ШИМ: перенапряжений на обмотках, подшипниковых токов и снижения КПД . Впрочем, это характерно для всех типов двигателей.

Применение

Благодаря высокой надёжности и хорошей управляемости, вентильные двигатели применяются в широком спектре приложений: от компьютерных вентиляторов и CD/DVD-приводов до роботов и космических ракет. Широкое применение ВД нашли в промышленности, особенно в системах регулирования скорости с большим диапазоном и высоким темпом пусков, остановок и реверса; авиационной технике, автомобильном машиностроении, биомедицинской аппаратуре, бытовой технике и проч.

Достоинства и недостатки

Вентильные двигатели призваны объединить в себе лучшие качества двигателей переменного тока и двигателей постоянного тока. Это обусловливает их достоинства.

Достоинства:

• Широкий диапазон изменения частоты вращения
• Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих частого обслуживания (коллектора)
• Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
• Большая перегрузочная способность по моменту
• Высокие энергетические показатели (КПД выше 90 %)
• Большой срок службы и высокая надёжность за счёт отсутствия скользящих электрических контактов .

Вентильные двигатели характеризуются и некоторыми недостатками, главный из которых - высокая стоимость. Однако, говоря о высокой стоимости, следует учитывать и тот факт, что вентильные двигатели обычно используются в дорогостоящих системах с повышенными требованиями по точности и надёжности.

Недостатки:

• Высокая стоимость двигателя, обусловленная частым использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора. Стоимость электропривода с ВД, однако, сопоставима со стоимостью аналогичного электропривода на основе ДПТ с независимым возбуждением (регулировочные характеристики такого двигателя и ВД сопоставимы). Вообще говоря, в вентильном двигателе может быть использован и ротор с электромагнитным возбуждением, однако это сопряжено с комплексом практических неудобств. В ряде случаев предпочтительным оказывается применение асинхронного двигателя с преобразователем частоты .
• Относительно сложная структура двигателя и управление им.

Конструкция

Конструктивно современные вентильные привода состоят из электромеханической части (синхронной машины и датчика положения ротора) и из управляющей части (микроконтроллер и силовой мост).

По расположению ротора вентильные двигатели делятся на внутрироторные (англ. inrunner) и внешнероторные (англ. outrunner).

Упоминая о конструкции ВД, полезно иметь в виду и неконструктивный элемент системы - программу (логику) управления.

Синхронная машина, используемая в ВД, состоит из шихтованного (собранного из отдельных электрически изолированных листов электротехнической стали - для снижения вихревых токов) статора, в котором расположена многофазная (обычно двух- или трёхфазная) обмотка и ротора (обычно на постоянных магнитах).

В качестве датчиков положения ротора в БДПТ применяются датчики Холла , а в ВД - вращающиеся трансформаторы и накапливающие датчики . В т. н. «бездатчиковых» системах информация о положении определяется системой управления по мгновенным значениям фазных токов.

Информация о положении ротора обрабатывается микропроцессором, который, согласно программе управления, вырабатывает управляющие ШИМ-сигналы. Низковольтные ШИМ-сигналы микроконтроллера затем преобразуются усилителем мощности (обычно транзисторным мостом) в силовые напряжения, подаваемые на двигатель.

Совокупность датчика положения ротора и электронного узла в ВД и БДПТ можно с определённой долей достоверности сравнить с щёточно-коллекторным узлом ДПТ. Однако следует помнить, что двигатели редко применяются вне электропривода. Таким образом, электронная аппаратура характерна для ВД почти в той же степени, что и для ДПТ.

Статор

Статор имеет традиционную конструкцию. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника. Обмотка разбита на фазы, которые уложены в пазы таким образом, что пространственно сдвинуты друг относительно друга на угол, определяемый числом фаз. Известно, что для равномерного вращения вала двигателя машины переменного тока достаточно двух фаз. Обычно синхронные машины, применяемые в ВД, трёхфазные, однако встречаются также и ВД с четырёх- и шестифазными обмотками.

Поскольку они позволяют получить более высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах - фотоэлектрическом , индуктивном, трансформаторном , на эффекте Холла и проч. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические датчики, обладающие низкой инерционностью и обеспечивающие малые запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Обычно фотоэлектрический датчик содержит три неподвижных фотоприёмника, между которыми находится вращающаяся маска с рисками, жёстко закреплённая на валу ротора ВД. Упрощённо датчик показан на рис. 1, где маска изображена серым цветом, а светодиоды - жёлтым. Таким образом, ДПР обеспечивает информацию о текущем положении ротора ВД для системы управления.

Вентильный двигатель (ВД)

Одним из наиболее перспективных и универсальных типов электроприводов с синхронными машинами является бесколлекторный или бесконтактный вентильный двигатель, в котором регулирование скорости и момента осуществляется подводимым напряжением, током возбуждения и углом опережения включения вентилей при самоуправлении по частоте питания. Он обладает регулировочными качествами машин постоянного тока и надёжностью систем переменного тока.

Надежность обычного СД выше надежности любой другой машины, а по стоимости она уступает только асинхронной с короткозамкнутым ротором. Бесконтактность СД обеспечивается как обычным способом (с помощью бесщеточных систем возбуждения с вращающимися выпрямителями), так и новыми (применением постоянных магнитов на роторе, когтеобразного ротора и обмотки возбуждения на статоре и т.д.).

Ввиду простоты наибольшее распространение получили вентильные двигатели постоянного (а) и переменного тока (б) с преобразователями, работающими в режиме источника тока.

В отличие от частотно-регулируемого привода, в вентильном двигателе коммутация тиристоров осуществляется за счет ЭДС двигателя (машинная). Машинная коммутация позволяет отказаться от высоковольтных громоздких реактивных элементов в инверторе. Это значительно упрощает схему и уменьшает ее габаритную мощность, и в конечном итоге улучшает качество преобразования энергии. Но при пуске и низких скоростях происходит срыв коммутации из-за отсутствия или малой величины ЭДС. В вентильном двигателе постоянного тока возможны следующие способы пуска:

· асинхронный;

· с искусственной коммутацией;

· с принудительной коммутацией.

Первый способ при своей кажущейся простоте имеет серьезные недостатки - пуск неуправляемый и необходимы переключения в силовых, как правило, высоковольтных цепях.

Второй способ пуска предусматривает применение автономного инвертора, в котором используется реактивная энергия коммутирующих элементов (емкостей и дросселей). В этом случае заметно усложняется схема, увеличиваются вес и стоимость инвертора.

Третий способ пуска с принудительной коммутацией осуществляется отсечкой управляющих импульсов или цикличным переводом выпрямителя в инверторный режим на время коммутации тиристоров инвертора. Этот способ требует минимальных затрат. Характерными недостатками являются уменьшение пускового момента двигателя и некоторое увеличение потребляемой реактивной мощности.

Пуск с принудительной коммутацией выполняется также в схеме с неуправляемым выпрямителем. Инвертор в этом случае осуществляет широтно-импульсное регулирование напряжения. Этот способ требует применения в инверторе транзисторов или запираемых тиристоров.

Наиболее просто проблема пуска решается в системе с циклоконвертором (б), в которой функции выпрямления и инвертирования выполняют одни и те же тиристоры, чем достигается преобразование напряжения и частоты источника непосредственно в напряжение и частоту двигателя. Такая система содержит большее число тиристоров, чем преобразователь со звеном постоянного тока, но благодаря отсутствию пусковых устройств, однократному преобразованию энергии и уменьшению теплового тока тиристора она экономична и надежна.

В схеме с циклоконвертором естественная коммутация осуществляется во всем скоростном диапазоне работы ВД как между тиристорами в работающих группах, так и между тиристорами однополярных групп. Последнее происходит при совпадении во времени сигналов на переключение фаз сети и двигателя. Машинная коммутация выполняется за счет ЭДС двигателя между тиристорами однополярных групп при частотах выше 0,1...0,15 частоты вращения двигателя.

Реверсирование ВД осуществляется просто и возможно двумя путями:

· увеличение угла опережения больше 90 0 ;

· реверсированием двух фаз сигналов с ДПР.

Полоса пропускания коммутатора ВД регулируется изменением угла опережения b 0 или b (углы между током и соответственно ЭДС холостого хода и напряжением машины). Существуют следующие способы управления коммутатором ВД:

· b 0 =b 0min =f (g, q) при d=d min =const;

· b=b min =f (g) при d=d min =const,

где b 0 =b+q; q - угол нагрузки синхронной машины; b=g+d; g - угол коммутации (учитывает коммутационное перекрытие фаз); d - угол запаса (учитывает погрешность системы управления и время восстановления запирающих свойств тиристоров).

При способе управления b=const угол опережения остается постоянным во всех режимах работы привода и рассчитывается в соответствии с максимальной величиной нагрузки. При этом току холостого хода соответствует наибольшее значение угла запаса (40...50°), хотя для восстановления запирающих свойств тиристоров достаточно иметь 3...5°.