3.2. Cинхронные электроприводы

Cинхронные электроприводы выполняются на основе синхронных двигателей. Синхронные двигатели имеют высокий коэффициент мощности и высокие значения энергетических характеристик, но по сравнению с другими двигателями имеют более высокую стоимость. Поэтому синхронные электроприводы применяются чаще всего для повышения коэффициента мощности электрических сетей, а также для обеспечения высоких энергетических показателей электроприводов.

Синхронные двигатели делят на:

1. двигатели классической конструкции;

2. вентильные двигатели;

3. бесконтактные двигатели постоянного тока;

4. шаговые двигатели;

5. гистерезисные двигатели;

6. двигатели специальных конструкций.

Наибольшее применение в промышленности нашли приводы с вентильными, бесконтактными и шаговыми двигателями. Рассмотрим вентильный тип электропривода на примере построения привода ЭПБ2.

3.2.1. Вентильный электропривод эпб2

Вентильный электропривод ЭПБ2 имеет следующие основные технические характеристики.

1. Мощность – 400 Вт … 7 кВт.

2. Диапазон регулирования частоты вращения – Д=10 000.

3. Максимальная частота вращения в зависимости от марки двигателя составляет от 1000 об/мин до 4000 об/мин.

4. Погрешность регулирования на максимальной скорости – 0,5%, на минимальной скорости – 25%.

5. Полоса пропускания – 100 Гц.

6. Номинальное напряжение – 500 В, 300 В.

7. Номинальный развиваемый момент – 2,3 … 70 Н·м; мощность при максимальной скорости составляет от 0,75 кВт до 10 кВт.

8. Токи двигателей – 10 … 30 А.

9. Наработка на отказ – 15 000 часов.

10. Используемые марки вентильных двигателей – 2ДВУ115, ДВУ165, 2ДВУ165, ДВУ215, 2ДВУ215; первая цифра 2 в обозначении марки двигателя означает, что ротор двигателя выполнен в виде редкоземельного постоянного магнита, а отсутствие такой цифры означает, что ротор выполнен в виде ферритового постоянного магнита.

11. Масса двигателей – от 5 кг до 75 кг; момент инерции ротора – от 3­_­­ до 330­_­­ .

Поясним вначале конструктивные особенности вентильного двигателя.

Статор вентильного двигателя выполнен по типу статора асинхронного двигателя. На нем уложена трехфазная распределенная обмотка, которая создает трапецеидальное распределение магнитной индукции. Каждая фаза статорной обмотки занимает одну треть поверхности статора, а магнитные оси фаз сдвинуты на 120°. Ротор вентильного двигателя представляет собой постоянный магнит.

В статоре двигателя путем определенного переключения фазных обмоток статора создается вращающееся магнитное поле. Поле ротора взаимодействует с полем статора, вследствие чего ротор вращается за полем статора.

Рассмотрим более детально работу вентильного двигателя. Будем полагать вначале, что включена только фазы А статорной обмотки (см. рис.1). Обмотка этой фазы, как отмечалось выше, занимает одну треть поверхности статора. Будем полагать также, что по обмотке фазы А протекает ток, направление которого отмечено знаками «точка» и «косой крест». Этот ток создает магнитное поле статора, показанное на рис.1 двумя линиями магнитной индукции. На рис.1 показаны также южный S_c и северный N_c полюсы поля статора при рассматриваемом расположении обмотки фазы А статора и при указанном направлении тока этой обмотки.

Рис.1. Электромагнитная схема вентильного двигателя

Обмотка фазы А статора создает некоторую магнитодвижущую силу (МДС) _{, которая направлена по магнитной оси этой обмотки от полюса} N_c к полюсу S_c.

Предположим далее, что ротор (магнит) располагается произвольно, но так, что угол θ (см. рис.1) между продольной магнитной осью ротора и МДС _{является острым. Тогда, очевидно, с}еверный полюс N_p ротора будет притягиваться к южному полюсу S_с статора, а южный полюс S_р ротора – к северному полюсу N_с статора. При этом возникнет электромагнитный момент М, действующий по часовой стрелке. Под действием этого момента ротор начнет вращение также по часовой стрелке. Если МДС _{будет оставаться неподвижной , то электромагнитный момент будет действовать по часовой стрелке до тех пор,} пока ротор не пройдет положение, при котом θ = 0. После прохождения ротором этого положения электромагнитный момент, очевидно, изменит направление. Поэтому ротор вначале начнет притормаживать, а затем совершать обратное движение к положению, при котором θ = 0. Из изложенного ясно, что ротор будет совершать колебательные движения около положения, при котором θ = 0. Из-за трения эти колебания будут носить затухающий характер и, конечном итоге, ротор остановиться в положении, когда θ = 0. Это положение является равновесным, в силу чего его будем называть устойчивым положением ротора. Заметим, что в устойчивом положении магнитная ось ротора и направление вектора МДС совпадают.

Очевидно, что для дальнейшего вращения ротора по часовой стрелке необходимо, чтобы и МДС также совершала вращение по часовой стрелке. Такое вращение МДС может быть организовано путем определенной коммутации обмоток статора. Рассмотрим, каковы должны быть оптимальные условия вращения МДС _.

_{Для этого остановимся вначале на основных свойствах электромагнитного момента, поскольку его свойства определяют, прежде всего, характеристики вращения ротора. В устойчивом положении ротора, т.е.} при θ = 0, _{электромагнитный момент также равен нулю. В противном случае будет нарушено равновесное состояние ротора.} Приходим, таким образом, к выводу, что при θ = 0 электромагнитный момент М = 0.

Заметим далее, что конструкция вентильного двигателя выполнена так, что при других значениях угла θ электромагнитный момент М двигателя в первом приближении может быть определен по следующей формуле:

М =М_maxsin θ, (1)

где М_max – максимальное значение электромагнитного момента. Из формулы (1) видно, что при θ=90⁰, развиваемый двигателем электромагнитный момент будет максимальным, т.е. М=М_max.

Из изложенного ясно, что если при θ = 90° начать непрерывное вращение МДС , то также непрерывно начнет вращаться и ротор. Если при этом обеспечивать (какими-либо средствами) выполнение условия θ= 90°, то при вращении ротора на его валу будет действовать максимальный электромагнитный момент. Реализовать данную идею можно, если иметь устройство слежения за углом θ и электронный коммутатор, переключающий обмотки фаз статора по определенному алгоритму. Для реализации устройства слежения за углом θ на ротор устанавливается датчик положения ротора (ДПР). Конструкции разработанных к настоящему времени ДПР весьма разнообразны. ДПР передает значение угла θ в электронный коммутатор, который и производит переключение обмоток статора так, чтобы МДС совершала требуемое вращение.

Если электронный коммутатор обеспечивает непрерывное вращение или квазинепрерывное (почти непрерывное) вращение МДС , то такой двигатель называется вентильным. Если электронный коммутатор обеспечивает дискретное (скачкообразное) вращение МДС , то такой двигатель называется бесконтактным двигателем постоянного тока.

Реализовать дискретное вращение существенно проще, чем непрерывное. Но при дискретном вращении МДС возникают пульсации электромагнитного момента и соответственно частоты вращения ротора. Кроме того, снижается и среднее значение электромагнитного момента, что ухудшает энергетические характеристики машины.

Рассмотрим более детально, каким образом осуществляется управление вращением МДС с помощью электронного коммутатора электропривода ЭПБ2, учитывая, что силовая часть коммутатора выполняется в виде транзисторного автономного инвертора напряжения (см. рис. 2).

Рис. 2. Функциональная схема включения вентильного двигателя и АИН

В рассматриваемом электроприводе на каждом такте включаются только 2 ключа автономного инвертора напряжения. При этом коммутация ключей осуществляется в следующем порядке:

на 1 такте – VT₁, VT₂;

на 2 такте – VT₃, VT₂;

на 3 такте – VT₃, VT₄;

на 4 такте – VT₅, VT₄;

на 5 такте – VT₅, VT₆;

на 6 такте – VT₁, VT₆.

Рассмотрим процесс вращения МДС обмоток статора. Для этого построим векторные диаграммы расположения МДС, учитывая что продольные магнитные оси обмоток фаз А, В, С статора расположены в пространстве так, как это показано на рис. 3, а. Это, во-первых. Во-вторых, будем полагать для простоты, что обмотки фаз статора имеют одинаковые сопротивления чисто активного характера. Тогда ток i, протекающий по указанным обмоткам будет определяться только входным напряжением U АИН, а также активным сопротивлением обмоток, и не будет зависеть от времени. Это означает, что ток обмоток и, следовательно, МДС всех фаз можно считать неизменными величинами в течение всего периода времени подключения их к АИН. Учитывая сказанное, векторная диаграмма МДС на первом такте работы примет вид, изображенный на рис. 3, б. Прямоугольник, изображенный на этом рисунке, представляет собой ротор, выполненный в виде полосового магнита. На него действует, как это отмечалось выше, электромагнитный момент, который приводит ротор во вращение. Можно показать, что переход к следующему такту нужно произвести при θ=60⁰. Тогда средний электромагнитный момент будет иметь максимальное значение.

а) б)

Рис. 3. Схема пространственного расположения продольных магнитных осей обмоток фаз А, В и С статора (а) и векторная диаграмма МДС

обмоток статора (б) для первого такта коммутации ключей:

– МДС фазы А статора; – МДС фазы С статора; – результирующая МДС обмоток статора

На втором такте к источнику напряжения U подключаются последовательно обмотки фаз С и В. При этом по указанным обмоткам будет протекать один и тот же ток i, который будет создавать МДС и соответственно фаз В и С статора. Векторные диаграммы указанных МДС, а также результирующей МДС статора имеют вид, представленный на рис. 4, б.

Учитывая изложенное, нетрудно показать, что в начале второго такта угол θ=120°. При таком угле силы электромагнитного притяжения будут вращать ротор вслед за результирующей МДС F по часовой стрелке.

Нетрудно видеть, что при указанном алгоритме коммутации транзисторов инвертора результирующая МДС F вращается скачками, что будет вызывать пульсирующий характер движения ротора. Для снижения пульсаций необходимо обеспечить на втором такте (и на всех последующих тактах) широтно-импульсную коммутацию транзисторов, открытых на данном такте. Конкретный вид такой коммутации следует предложить самостоятельно. При этом следует полагать, что ширина импульсов внутри одного такта должна зависеть от угла θ.

Определим далее частоту вращения ротора, а также те факторы, изменяя которые можно изменять частоту вращения ротора. При подключении обмоток статора на источник постоянного напряжения U возникает явление электромагнитной индукции, в результате чего создается ЭДС индукции е в обмотках статора. При этом внешнее напряжение U уравновешивает эту ЭДС е и падение напряжения на активном сопротивлении обмоток.

а) б)

Рис. 4. Схема пространственного расположения продольных магнитных осей обмоток фаз А, В и С статора (а) и векторная диаграмма МДС

обмоток статора (б) для первого такта коммутации ключей:

– МДС фазы С статора; – МДС фазы В статора;

– результирующая МДС обмоток статора

Будем полагать, что падение напряжения на активном сопротивлении равно нулю. Следовательно,

U= е. (2)

Можно показать, что

e = c_e Ф ω, (3)

где с_е – конструктивный коэффициент; Ф – магнитный поток ротора, ω – угловая скорость вращения ротора. Из (2) и (3) следует

U = c_e Ф ω. (4)

Откуда

. (5)

Магнитный поток Ф создается постоянным магнитом, следовательно, Ф = const. Причем значение этой константы известно. Поэтому, угловая скорость ω однозначно определяется внешним напряжением U. Это означает, что при регулировании напряжения U можно однозначно регулировать угловую скорость ω.

Для регулирования статорных напряжений в рассматриваемом электроприводе организовано широтно-импульсное управление транзисторами автономного инвертора напряжения.

Изложенный материал представляет собой описание работы силовой части вентильного электропривода ЭПБ2.

В целом ЭПБ2 построен по принципу подчиненного управления. Электропривод содержит две обратные связи: по скорости и по току. Контур тока является внутренним, а контур по скорости – внешним. Оба контура содержат регуляторы скорости и тока соответственно. Контур тока настроен на технический оптимум, а контур скорости – на симметричный оптимум. Регулятор скорости является пропорционально-интегральным регулятором. Он обеспечивает астатические свойства электропривода. Учитывая изложенное, упрощенная функциональная схема вентильного электропривода ЭПБ2 может быть изображена в виде, представленном на рис. 5.

Рис. 5. Упрощенная функциональная схема

вентильного электропривода ЭПБ2:

НВ – неуправляемый выпрямитель; АИН – автономный инвертор напряжения; ДПР – датчик положения ротора; ТГ – тахогенератор; ω_з – задающий сигнал по скорости ω; РС – регулятор скорости; РТ – регулятор тока; СШИУ – система широтно-импульсного управления; ЛУ – логическое

устройство; ДТ – датчик токов обмоток статора