11. Электроприводы с вентильным, вентильно-индукторным и шаговым двигателями

Электроприводы этой группы имеют существенное отличие от рассмотренных ранее ЭП. В состав любого из них обязательно входит полупроводниковый преобразователь, без которого работа этих электроприводов не возможна. Последние достижения в области полупроводниковой техники позволили создать надежные полупроводниковые преобразователи с требуемыми для этих электроприводов характеристиками. Благодаря этому область применения ЭП с вентильными, вентильно - индукторными и шаговыми двигателями неуклонно растет.

11.1. Электропривод с вентильным двигателем [9]

Вентильным двигателем (ВД) называется электромашинно- вентильная система, состоящая из (см. рис.150):

-синхронной машины (СМ) любого типа;

- датчика положения ротора (ДПР);

- преобразователя частоты (ПЧ), называемого также вентильным коммутатором;

- системы управления (СУ) преобразователем частоты.

В вентильном двигателе индуктор находится на роторе, а обмотка якоря находится на статоре. Напряжение питания обмотки якоря формируется полупроводниковым коммутатором и датчиком положения ротора (ДПР). В двигателях же постоянного тока для этой цели использовался коллектор со щетками. Отметим также, что основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения магнитного поля всегда 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, располагающиеся на внутренней расточки статора. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для работы БД достаточно иметь двухфазную обмотку якоря, однако двигатели средней и большой мощности имеют многофазную обмотку (трехфазную, шестифазную и т.д.). По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели, имеющие трапецеидальную (BLDC) или синусоидальную (PMSM) форму противоЭДС. При трапецеидальной форме противоЭДС форма кривой фазного тока обмотки якоря также должна быть трапецеидальной, при синусоидальной форме противоЭДС – форма фазного тока должен быть синусоидальной. Ротор изготавливается, как правило, с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов. В настоящее время получили широкое распространение магниты из сплавов редкоземельных элементов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Принцип работы и характеристики вентильного двигателя (ВД). ВД различаются по конструктивному исполнению машины, типу ПЧ и устройству СУ, однако при многообразии возможных сочетаний типов конструкций и принципов исполнения все они имеют следующие характерные признаки: возможность внешнего регулирования скорости вращения по напряжению питания, току возбуждения и углу опережения зажигания вентилей относительно фазных ЭДС синхронной машины и саморегулирования по частоте напряжения питания.

Так как эти же признаки присущи двигателям постоянного тока (ДПТ), коллектор которых по существу является механическим ПЧ, электромеханические характеристика ВД аналогичны характеристикам ДПТ.

Очевидные достоинства ВД:

- сочетания регулировочных свойств ДПТ и надежности асинхронных машин.

- возможность существенного повышения частоты вращения ввиду отсутствия щеточно-коллекторного узла;

- возможность работы в агрессивных средах.

Диапазон мощностей ВД очень широк: от долей ватта до десятков мегаватт, а скорости вращения от единиц до 150 000 об/мин.

ВД применяются для построения систем электроприводов:

- устройств автоматики;

- транспортных средств;

- промышленного оборудования;

- запуска гидро- и турбогенераторов электростанций.

По сравнению с синхронными приводами, питаемыми от независимо управляемого ПЧ, в котором питающая частота напряжения, подаваемого на обмотку якоря, задается преобразователем, приводы с ВД имеют следующие основные преимущества:

- обладают свойством автокоммутации, то есть преобразования питающего напряжения в частоту и фазу вращения ротора, благодаря чему снижаются качания синхронной машины, независимо от толчков нагрузки и частоты вращения. Поэтому допускается изготовление таких двигателей без демпферной обмотки. Отсутствие демпферной обмотки увеличивает индуктивное сопротивление для высших гармонических составляющих тока, снижая тем самым требования к гармоническому составу выходного напряжения ПЧ, подаваемого на обмотку якоря;

- перегрузочная способность привода не зависит от опрокидывающего момента, а определяется лишь установленной мощностью преобразователя частоты. Одновременно исчезает опасность выпадения машины из синхронизма;

- при пуске может быть получен повышенный вращающий момент;

- автокоммутация устанавливается так, чтобы машина независимо от частоты вращения и момента работала с cos = 1;

- проще управление ПЧ, поскольку вместо регулирования выходных напряжения и частоты достаточно изменять только выходное напряжение, так как необходимое значение выходной частоты обеспечивается самим двигателем вследствие автокоммутации.

Напряжение источника питания U через ПЧ подается на обмотку якоря синхронной машины СМ (рис. 150). Вал машины механически связан с бесконтактным датчиком углового положения ротора ДПР.

Рис. 150. Функциональная схема ВД

Датчик преобразует мгновенное дискретное значение угла  поворота ротора СМ в совокупности электрических сигналов. Эти сигналы воздействуют на входные цепи системы управления СУ и приводят к формированию выходных сигналов f(), содержащих информацию о мгновенном дискретном угле поворота ротора машины. Под действием выходных сигналов СУ происходит переключение элементов ПЧ таким образом, чтобы коммутация тока в обмотке якоря СМ всегда приводила к созданию вращающего момента заданного направления.

В случае использования тихоходной многополюсной машины можно применять серийный датчик положения ротора, ДПР, соединяя его с валом СМ через редуктор Р, передаточное отношение которого i_р = р_п2/р_п1­ (р_п1­ – число пар полюсов машины; р_п2 – число пар полюсов датчика положения ротора).

Возможно управление ВД по положению магнитного потока. В этом случае магнитные чувствительные элементы ДПР укрепляются на наружной поверхности шихтованного статора равномерно по фазным зонам.

Выбор вида ПЧ производится с учетом числа фаз и частоты напряжения питающей сети, схемы соединения обмоток якоря СМ и максимальной частоты вращения ВД. При питании ВД от источника постоянного тока в качестве ПЧ используют инвертор.

Двухполупериодный трехфазный вентильный двигатель. В двигателях повышенной мощности применяются схемы, в которых ток каждой фазы обмотки якоря протекает на интервалах обоих полупериодов напряжения обмотки якоря. Эти схемы принято называть двухполупериодными.

Схема двухполупериодного трехфазного ВД приведена на рис. 151, а.

ПЧ выполнен по схеме трехфазного мостового инвертора напряжения. Ток в каждой секции может менять направление, что обеспечивает лучшее использование обмотки и всего объема двигателя. ДПР имеет 6 чувствительных элементов, например, трансформаторов, каждый из которых управляет соответствующим транзисторным ключом ПЧ. При этом чувствительные элементы а, b, с управляют нижними ключами ПЧ (VТ1, VТ2, VТ3), а чувствительные элементы x, y, z , комплект которых смещен по отношению к чувствительные элементы а, b, с на 180^о, управляют ключами VТ4, VТ5, VТ6.

Таким образом, если возбуждение одного из элементов приводит к протеканию тока в соответствующей секции в одном направлении, то возбуждение другого, принадлежащего ДПР той же секции и сдвинутого на 180^о чувствительного элемента, обеспечивает изменение направления тока в этой секции на противоположное.

Так как угловой сдвиг между соседними ЧЭ составляет 60^о, то в возбужденном состоянии (здесь понимается наличие выходного напряжения во вторичной обмотке трансформатора ДПР) практически всегда находятся два ЧЭ, а открытыми два транзисторных ключа. К источнику питания всегда оказываются подключенными две секции обмотки якоря СМ. В положении, показанном на рис. 151, а, возбуждены элементы а и z. Открытыми оказываются ключи VТ1 и VТ2, а ток от источника проходит по секциям 1 и 2. В витках секции токи направлены, как показано на рис. 151, б в позиции I. Результирующий магнитный поток якоря согласно правилу правого винта имеет направление указанное сплошной стрелкой, а магнитная ось ротора – штриховой стрелкой. Магнитная ось ротора будет стремиться занять направление магнитного поля якоря, и ротор начнет вращаться в направлении хода часовой стрелки. После поворота ротора на 60^о возбудятся элементы у и с, и секция I отключится, а цепь тока будет образована из секций 2 и 3. Магнитный поток якоря скачкообразно изменит свое направление в позицию II. Далее коммутация тока в обмотках якоря осуществляется, как очевидно, через 60^o поворота ротора.

Весь цикл изменения направления магнитного потока якоря показан позициями I – VI на рис. 151, б. Диаграмма моментов, создаваемых парами секций 1–2, 1–3, 2–3 и диаграмма суммарного момента ВД представлена на рис. 151, в. Трехсекционный двигатель с реверсивным питанием имеет преимущество перед аналогичным двигателем с нереверсивным питанием, обусловленное лучшим использованием меди обмотки и объема активных частей, а также, как правила, более высоким КПД. Однако эти достоинства получены за счет усложнения схемы ПЧ и ДПР. Поэтому к реверсивному питанию прибегают в тех случаях, когда к ВД предъявляются жестокие требования по габаритным размерам, массе, малым пульсациям момента и уровню КПД.

Трехсекционные схемы с реверсивным питанием можно выполнить на том же ПЧ и ДПР при соединении секций в треугольник (замкнутая обмотка). Особенность такой схемы будет состоять в изменении угла установки обоймы ЧЭ ДПР по отношению к магнитным осям секций ВД. При схеме соединения обмоток якоря в звезду ЧЭ ориентированы по нормали к магнитным осям секций, токами которых они управляют, а при соединении обмоток якоря в треугольник - комплект ЧЭ должен быть смещен на 30^о по отношению к указанному положению.

По энергетическим показателям и использованию объема двигателя характеристики схем с реверсивным питанием при соединении секции в звезду и треугольник практически равноценны. За счет использования логических элементов в СУ для двухполупериодных ВД с можно применять ДПР от однополупериодных двигателей, что позволяет несколько упростить конструкцию двигателя. В ВД в качестве управляемых ключей силовой схемы коммутатора находят широкое применение транзисторы.

Р

Y

В

Х

ис. 151. Принципиальная схема (а) и временные диаграммы двухполупериодного трехфазного ВД (б, в)

Транзисторы силовой схемы коммутатора должны быть рассчитаны в большинстве случаев на протекание максимального тока, значение которого определяется активным сопротивление коммутируемых секций обмотки ВД и напряжением питания.

Максимально допустимое напряжение перехода эмиттер-коллектор силового транзистора должно быть несколько больше напряжения питания для ВД с двухполупериодным питание секций и больше удвоенного напряжения питания – для ВД с однополупериодным питанием секций.

Для обеспечения рекуперации энергии электродвигателя при торможении и для предотвращения перенапряжений на транзисторах силовой схема коммутатора параллельно каждому транзистору должен быть подключен диод обратного тока так как это показано на рис.152.

Система управления (СУ) ВД предназначена для выполнения следующих операций:

– пуска двигателя;

– регулирования частоты вращения;

– изменения вида электромеханической характеристики;

– торможения;

– изменения направления вращения (реверсирования).

Рис. 152. Схема транзисторного коммутатора вентильного двигателя

Динамическое торможение ВД производится:

• выпрямлением ЭДС вращения, возникающих в обмотках якоря и замыканием выпрямленного тока на тормозной резистор при отключенном питании силовой цепи преобразователя;

• переводом преобразователя в режим инвертирования и рекуперацией в сеть энергии, генерируемой машиной.

Как и в двигателях постоянного тока, в ВД возможно управление скоростью вращения путем изменения напряжения питания (амплитуд­ное управление). Механические характеристики ВД при уменьшении на­пряжения смещаются параллельно в соот­ветствии с пропорциональным уменьшением пускового момента и скорости идеального холостого хода, отвечающих различным уровням напряжения питания. Регулировочные характеристики в этом случае линейны. Амплитудное управление ВД используется сравнительно редко, поскольку требует регулируемого силового источника напряжения. Поэтому в приводах с ВД широкое распространение получили всевозможные импульсные спосо­бы управления, при которых коммутатор дополнительно выполняет и функция силового регулирующего органа. При этом частота управля­ющих импульсов (несущая частота) значительно превышает частоту коммутации фаз по сигналам ДПР (модулирующую частоту). Находят применение широтно- импульсные способы управления с однополярной (несимметричной) и с двуполярной (симметричной) модуляцией.

Вывод основных расчетных соотношений вентильного двигателя

При рассмотрении электромагнитных процессов в вентильных дви­гателях (ВД) постоянного тока используются два различных подхода. При первом подходе двигатель рассматривается как машина постоянно­го тока, в которой коммутатор поддерживает направление намагничи­вающей силы обмотки, перпендикулярное оси магнитного потока возбуждения. При втором подходе двигатель считается синхронным с пе­ременной частотой питающего напряжения, зависящей от угловой ско­рости ротора. Как первый, так и второй подходы адекватно отражают суть электромагнитных процессов, протекающих в ВД постоянного то­ка.

Тем не менее, при рассмотрении ВД с позиции теории синхронных машин аналитические выражения для механических и рабочих характе­ристик получаются более компактными и дают возможность легко вы­явить влияние параметров обмоток электродвигателя на вид его ха­рактеристик. При этом полагают, что к обмоткам синхронного двига­теля приложено синусоидальное напряжение, амплитуда которого U_1m равна амплитуде первой гармоники напряжения, формируемого коммута­тором. Для ВД с возбуждением от постоянных магнитов без потери точности можно пренебречь различием магнитной проводимости по про­дольной и поперечной осям машины.

Составим уравнение равновесия напряжения обмотки якоря и выведем выражение для поперечной составляющей тока обмотки якоря, воспользовавшись векторной диаграммой синхронного двигателя (см. рис. 153).

(256)

где: х₁ = х_а + х_sI – синхронное индуктивное сопротивление фазы;

x_а – индуктивное сопротивление реакции якоря;

x_s1- индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора;

r₁- активное сопротивление фазы обмотки статора;

Е₀ – ЭДС холостого хода двигателя от потока возбуждения;

U₁- действующее значение первой гармоники (основной) напряжения переменного тока, прикладываемого к обмотке фазы статора;

I – действующее значение первой гармоники тока обмотки статора;

I_q- поперечная составляющая тока фазы обмотки статора;

I_d –продольная составляющая тока фазы обмотки статора;

θ - угол осями обмоток статора и ДПР ВД.

Электромагнитная мощность каждой фазы

(257)

Вращающий момент вентильного двигателя в целом (258)

(259)

Ω - угловая скорость вращения двигателя;

р_п - число пар полюсов двигателя;

W₁- число витков обмотки фазы двигателя;

Ф₀- поток индуктора двигателя.

Рис. 153. Векторная диаграмма ВД

Подставим в (258) выражения (257) и (259), получим

(260)

Положив в (260) Ω =0 и, учтя, что при неподвижном роторе f=0, а, следовательно, и х₁=0 определим выражение для пускового момента

(261)

Откуда видно, что наибольший момент пусковой будет при  = 0.

При Ω 0 наибольшее значение электромагнитной мощности и вращающего момента, как видно из векторной диаграммы, имеет место при   , т. е. когда ток находится в фазе с ЭДС Е₀ , так как зависит от частоты f, то есть от скорости вращения ротора, некоторое значение угла  окажется оптимальным лишь для одной скорости вращения. Поэтому в реверсивных двигателях и двигателях с частым пуском устанавливают  = 0 (иногда говорят =0), что равносильно установке щеток в двигателе постоянного тока на геометрической нейтрали.

Считая в (260)  = 0, для малых скоростей вращения при х₁<< r₁, найдем

(262)

Заменив р_пk_pФ₀ = k_эм, получим выражение для механической характеристики

(263)

– идентичное выражению механической характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Казалось бы, и характеристики ВД должны совпадать с характеристиками обычного двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Однако они совпадают лишь при относительно небольших скоростях вращения ротора в двигательном режиме. Более точное выражение механической характеристики соответствует формуле (264), полученному из (260) при  = 0.

, (264)

Механические характеристики ВД при допущении х₁=0 практически линейны.

Однако реальные механические характеристики ВД отличаются от линейных. На нелинейность механических реальных характеристик влияет величина постоянной времени обмотки статора

τ=Ω ₀L₁/r₁.

Причем, чем больше τ, тем больше нелинейность механической характеристики (см. рис.154).

На рис. 154 показано влияние на вид механических характеристик индуктивного сопротивления обмоток (x₁/r₁₎= (Ω ₀L₁/r₁), где Ω₀ = U₁/k_эм – скорость идеального холостого хода, полученная из (263) при М=0.

Таким образом, механические характеристика ВД совпадают с механическими характеристиками ДПТ только при при условии L₁0.

Рис.154. Влияние индуктивного сопротивления обмотки статора на жесткость механических характеристик ВД

Передаточная функция ВД

Уравнение движения ВД

(265)

Подставим в него , получим

Для реверсивного двигателя выражение передаточной функции

(266)

где (267)

Для нереверсивного ВД (268)

Изменение направления вращения (реверсирование) ВД обычно производится бесконтактным переключением цепей питания комплектов ЧЭ ДПР. Кратковременное реверсирование может быть использовано для торможения ВД противовключением.

Датчики положения ротора дискретного типа. Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Датчики положения ротора можно разделить на две большие группы:

-параметрические датчики; - аналоговые датчики.

В качестве аналоговых датчиков положения находят применение вращающиеся трансформаторы, индуктосины, редуктосины. С помощью этих датчиков силовые ключи коммутатора управляются по закону, близкому к синусоидальному (позиционная обратная связь). Это позволяет существенно снизить пульсации электромагнитного момента двигателя. Схемы коммутаторов таких ВД сложные, поэтому они применяются лишь в системах с повышенными требованиями к пульсациям электромагнитного момента при низких скоростях вращения. Чувствительные элементы в параметрических датчиках изменяют свое состояние дискретно. Такие датчики фиксируют конечное число положения ротора, равное числу силовых ключей коммутатора, и называются дискретными. МДС обмотки статора ВД в этом случае совершает колебания около нормали к вектору магнитного потока в пределах некоторого угла ±α_к/2, где α_к - угол поворота ротора между двумя последовательными моментами подключения секций обмоток к источнику питания (период коммутации). Это приводит к заметным пульсациям момента двигателя. Рассмотрим работу параметрических датчиков положения. Работа параметрических датчиков может быть основана на разных принципах — фотоэлектрическом, индуктивном и с использованием эффекте Холла и т. д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безинерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора. ДПР состоит из двух основных элементов. Один из них сигнальный (управляющий) связан с ротором двигателя и при достижении им заданного углового положения входит во взаимодействие с другим элементом – чувствительным, связанным со статором. В результате взаимодействия названных элементов происходит преобразование углового перемещения первого элемента и изменение какого либо электрического или магнитного параметра, второго элемента. Сигнальный элемент может передавать информацию о своем положении различными видами энергии: энергией магнитного поля или электрического поля; лучевой энергией света или радиоактивного излучения и др. Поэтому классифицировать ДПР можно прежде всего по виду используемой для передачи управляющего воздействия энергии и типу источника энергии. Далее классифицировать ДПР следует по типу ЧЭ, преобразующих тот или иной вид энергии в изменение магнитного или электрического параметра. Это прежде всего различного рода индуктивные, емкостные, гальваномагнитные элементы и фотоэлементы. Дальнейшая классификация может проводится по виду выходного сигнала (дискретный или аналоговый), роду тока (постоянный или переменный), требованиям к управляемости, конструктивному выполнению и т. д. Для электродвигателей с различным числом полюсов ДПР будут отличаться угловым расположением ЧЭ в обойме и числом сигнальных секторов якоря. Угловой размер сектора якоря в геометрических градусах равен

, (269)

где р_п – число пар полюсов ВД;

m – число секций (фаз) силовой обмотки.

Число сигнальных секторов равно числу пар полюсов: N = р_п.

В качестве примера на рис. 155 показано наиболее целесообразное расположение ЧЭ трехсекционных двигателей с одно и двухполупериодным питанием секций для различного числа пар полюсов.

Как следует из (269), угловой размер сигнального сектора ДПР для многополюсных двигателей становится малым, что может привести к снижению разрешающей способности датчика по углу поворота ротора. Поэтому в ряде случаев для многополюсных двигателей окажется рациональным использование ДПР с сигнальным сектором в 120, причем ДПР соединяется с ротором двигателя через ускоряющий редуктор, передаточное отношение которого равно числу пар полюсов двигателя.

В реверсивных управляемых двигателях применяют более сложные схемы ДПР. Как правило, реверс достигается за счет использования двух комплектов ЧЭ, расположенных в одной обойме датчика. ЧЭ различных комплектов, но управляющие одной и той же секцией двигателя сдвинуты относительно друг друга на угол 180/р_п. Направление вращения зависит от того, на какой из комплектов ЧЭ подано питание. Такое решение позволяет упростить схему коммутатора, исключив специальные переключатели выходных обмоток ЧЭ или силовых обмоток двигателя.

По типу используемых ЧЭ ДПР делятся на следующие виды:

1. ДПР с индуктивными элементами.

В качестве ЧЭ в таких ДПР используются:

• индуктивные и трансформаторные элементы с переменным воздушным зазором;

• индуктивные и трансформаторные элементы с насыщением магнитопровода потоком постоянного магнита (дроссели и трансформаторы насыщения).

Для двигателей широкого применения наилучшими свойствами в настоящее время обладают ДПР, у которых в качестве ЧЭ используют дроссели и трансформаторы насыщения с ферритовыми сердечниками, а в качестве сигнального элемента – постоянные магниты. В ряде случаев постоянные магниты устанавливают против каждого ЧЭ на обойме ДПР, а сигнальный элемент выполняют в виде немагнитного экрана, закрепленного на валу двигателя. Работа такого ДПР основана на прерывании магнитного потока возбуждения ЧЭ с помощью экрана.

Питание ДПР с индуктивными элементами производится от ГВЧ (30-100 кГц). Повышение частоты позволяет при заданных размерах ЧЭ увеличить выходную мощность и уменьшить остаточный сигнал. Для уменьшения потерь на перемагничивание следует выбирать сердечники с более узкой петлей гистерезиса.

2. ДПР с гальваномагнитными элементами.

В качестве ЧЭ в таких ДПР используются:

– элементы Холла;

– магниторезисторы;

– магнитодиоды, магнитотранзисторы или магнитотиристоры.