6. Перспективные электроприводы с нетрадиционными типами двигателей и новейшими источниками питания

Серийные электрические машины переменного тока рассчитаны на применение в электрических цепях с синусоидальными источниками питания. Автономные инверторы современных регулируемых электроприводов переменного тока также, как правило, имеют выходное напряжение синусоидальной формы, хотя для этого необходимо преодолеть определенное усложнение их схемы, так как силовые вентильные элементы, работая в ключевом режиме, синусоидальную форму напряжения и тока создать естественным образом не могут. Да и для самих электрических машин, работающих от преобразователей частоты, синусоидальная форма фазных токов и результирующей МДС в воздушном зазоре может быть подвергнута сомнению, когда заходит речь о рациональном использовании активных материалов. Так, например, амплитудное и среднее значения синусоиды очень отличаются; три синусоидальных фазных тока единичной амплитуды создают не тройную, а лишь полуторакратную амплитуду образующей вектора тока статора в электрической машине.

По этой причине вполне логичным является создание таких вентильных электроприводов, в которых электрическая машина проектируется под вентильный преобразователь, а тогда теряют свою бесспорность такие привычные утверждения, что три фазы – это оптимальное число фаз, что синусоида является наилучшей формой напряжения для электрической машины, питающейся от вентильного преобразователя. Итак, системный подход к разработке вентильного электропривода и, в первую очередь, учет взаимодействия между электрической машиной и преобразователем приводит к нетрадиционным конструкциям электрической машины и вентильного преобразователя, обеспечивающим более высокие удельные показатели электропривода (например, мощность на единицу массы и др.).

Ниже приведены два примера наиболее перспективных вен-

тильных электроприводов с нетрадиционными типами двигателей.

В первом случае рассмотрен ВИП – вентильно-индукторный электропривод, – в отечественной научно-технической литературе хорошо известный благодаря работам М.Г. Чиликина, Б.А. Ивоботенко [13], Н.Ф. Ильинского, Л.А. Садовского, М.Г. Бычкова [9, 10, 20]. В зарубежной литературе ВИП более известен под названием SRD-привод (Switched Reluctance Drive [33, 34, 35]).

Во втором случае описан вентильный электропривод с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения, получивший название FRRM – Field Regulated Reluctance Machine [34, 36].

6.1. Вентильный индукторный электропривод

Индукторные двигатели выполняются с неравным числом зубцов (полюсов) на статоре Z_С и роторе Z_Р. Реверсивные двигатели должны иметь не менее трех фаз. В общем случае для индукторных двигателей должно выполняться соотношение

Z_С = 2 k m, Z_Р = 2 (km  1),

где k = 1, 2, 3... – целое число; m – число фаз. В трехфазных индукторных двигателях чаще встречается соотношение Z_С / Z_Р равным 6 / 4, 12 / 8 и 12 / 10; в четырехфазных – 8 / 6.

Обмотки статора индукторного двигателя создают не вращающиеся, как в обычных двигателях переменного тока, а пульсирующие однополярные потоки фаз, дискретно сдвинутые в воздушном зазоре. Угловая скорость вращения ротора не равна, а кратна угловой скорости перемещения фазных потоков в зазоре. При Z_С  Z_Р эти скорости даже встречны.

Принцип работы простейшего индукторного двигателя поясняется рис. 6.1. Здесь каждая из трех фаз статора образована двумя последовательно и согласно включенными катушками, размещенными на диаметрально противоположных зубцах (полюсах). Токи подаются поочередно в обмотки каждой фазы.

П усть в исходном состоянии двигателя был подан постоянный ток в обмотку статора 1 – 1 , тогда полюса 1 – 1 ротора совместятся с полюсами 1 –1 статора, а полюса 2 – 2 ротора попадут в межполюсное пространство полюсов 2 – 2 и 3 – 3 статора. Если теперь ток в обмотке 1 – 1 статора уменьшить до нуля, а в обмотку 2 – 2 подать постоянный ток, то ротор придет во вращение так, чтобы полюса 2 – 2 ротора совместились с полюсами 2 – 2 статора (отрезок времени t₁ – t₂ ). В момент времени t₂ производится подача тока в обмотку статора 3 – 3, а обмотка 2 – 2 отключается. Далее в момент времени t₃ снова включается обмотка 1 – 1, и процесс продолжается аналогично.

Полный электрический цикл управления двигателем (поочередное подключение к источнику питания всех трех обмоток статора) приводит к повороту ротора двигателя на одно зубцовое деление ротора, т.е. в рассматриваемом случае на 90. При этом скорости вращения ротора и фазных потоков статора между собой не равны, а при Z_Р  Z_С – даже противоположны: на рис. 6.1а фазные потоки статора перемещаются по часовой стрелке, а ротор – вращается против.

Если из исходного состояния индукторного двигателя (полюса 1 – 1 статора и ротора совпадают, по обмотке 1 – 1 течет ток) внешним механическим усилием поворачивать ротор, а ток в обмотке сохранить, то двигатель будет оказывать сопротивление движению вала ротора, т.е. перейдет в тормозной режим. Диаграмма фазных токов двигателя для этого режима оказывается сдвинутой в направлении вращения ротора.

Переход двигателя в тормозной режим можно осуществить, если в этом режиме с датчика положения ротора снимать последовательность отпирающих импульсов, смещенную вперед (в сторону вращения вала) на один полюсный шаг статора.

Силовые цепи электроприводов с индукторными двигателями содержат меньшее число силовых вентилей, так как через обмотки статора пропускаются однополярные импульсы тока.

В электроприводах малой и средней мощности (рис. 6.2 а) в цепи обмоток 1, 2 и 3 статора включены транзисторы VT1...VT3, которые образуют коммутатор (переключатель) фазных токов статора. Последовательно с ними включен транзистор VT, который работает в режиме широтно-импульсной модуляции и выполняет функции регулируемого источника тока. Диоды VD и VD1...VD3 снимают перенапряжения на силовых переходах транзисторов при переключениях фазных обмоток двигателя.

В двигателях большей мощности каждая из фазных обмоток статора включена по двухтранзисторной мостовой схеме (рис. 6.2 б). В режиме поддержания заданного значения тока фазы в режиме широтно-импульсной модуляции работает один из транзисторов, например, VT1. При этом другой транзистор VT2 полностью открыт. При переключении тока нагрузки с одной фазной обмотки на другую происходит запирание обоих транзисторов и резкое отсекание тока. При этом электромагнитная энергия, запасенная в обмотке статора, сбрасывается в питающую сеть через диоды VD1 и VD2.

С хема управления электроприводом с трехфазным индукторным двигателем (рис. 6.3), помимо силовых элементов, изображенных на рис. 6.2 а и образующих источник тока с коммутатором фазных токов, содержит регулятор скорости AR с блоком ограничения А1, датчики положения ротора BQ и скорости BR. Уровень установившейся скорости вращения электродвигателя определяется величиной входного напряжения U_ВХ. Темп разгона электропривода формируется задатчиком интенсивности AJ. Датчик положения ротора выдает импульсы, которые определяют моменты времени, когда следует переключать токи фазных обмоток статора.

Механическая характеристика электропривода является типовой для электроприводов с подчиненным регулированием. В зоне рабочих нагрузок электропривода, когда регулятор скорости AR работает на линейном участке своей статической характеристики, электропривод поддерживает заданную скорость вращения. При перегрузках электропривода регулятор скорости насыщается и происходит ограничение тока статорных обмоток и момента двигателя.

К безусловным проверенным практикой достоинствам электроприводов с индукторными двигателями следует отнести простую и технологичную конструкцию магнитопровода и фазных катушечных обмоток на статоре, компактный, прочный, не содержащий обмоток ротор, выдерживающий значительные перегрузки и скорость вращения, простую, надежную и сравнительно дешевую схему вентильного преобразователя, пониженный расход меди. Области применения таких электроприводов постоянно расширяются. Так, промышленные серии индукторных двигателей, освоенные странами Европы [20], охватывают диапазон мощностей от 0,5 до 250 кВт, а их выпуск в США доведен до 1 млн. уже в 1995 г.