CC BY
140
УДК 621.314.1
АНАЛИЗ СХЕМ ПИТАНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Инж. АЛЕКСАНДРОВСКИЙ С. В., канд. техн. наук, доц. ПЕТРЕНКО Ю. Н.
Белорусский национальный технический университет
Вентильно-индукторные двигатели (ВИД) являются надежными, простыми по конструкции и недорогими электрическими машинами, которые могут наравне конкурировать с асинхронными двигателями и синхронными двигателями с постоянными магнитами. К настоящему моменту в мировой практике накоплен большой опыт проектирования и применения ВИД мощностью от десятков ватт до 1000 кВт. ВИД находит все более широкое применение в опытном и серийном производстве благодаря повышенной надежности, простоте конструкции и технологичности. ВИД превосходит асинхронный электропривод по трудоемкости изготовления в 1,5-2,0 раза; имеет более высокое значение КПД (на 2-6 %).
При отсутствии постоянных магнитов в конструкции ротора питание фазных обмоток ВИД производится однополярными импульсами, что позволяет использовать более дешевые и надежные преобразователи, чем инверторы для машин переменного тока. Однако есть ряд специфических областей, где к электроприводу, и преобразователю в частности, предъявляются высокие требования. Эти требования приводят к усложнению схем преобразователей и как следствие - к увеличению стоимости всего электропривода в целом [1].
Каждый преобразователь для питания ВИД должен обеспечить три этапа цикла коммутации обмотки двигателя. На первом этапе к обмотке прикладывается максимальное напряжение для быстрого увеличения магнитного потока. На втором этапе происходит регулирование напряжения питания с целью поддержания магнитного потока (тока) на заданном уровне. На третьем этапе производится отключение обмотки с быстрым гашением магнитного поля во избежание возникновения тормозных моментов [2].
Несмотря на сходство в конструкции шаговые и вентильно-индуктор-ные двигатели имеют некоторые различия. Использование традиционных методов анализа и синтеза, основанных на математическом аппарате структурных схем, применительно к вентильно-индукторному двигателю невозможно в связи с существенной нелинейностью магнитной цепи и тем, что противо-ЭДС является функцией не только скорости вращения ротора, но и функцией тока в обмотках статора. В связи с этим актуальна разработка математической модели, по которой можно производить расчеты электромагнитных процессов.
Вместе с тем, вентильно-индукторный привод имеет и ряд специфических особенностей, наиболее характерные из которых следующие:
• питание фазных обмоток однополярными импульсами;
• дискретный характер управления;
• изменение в широком диапазоне состояния магнитной системы;
• двусторонняя зубчатость магнитной системы двигателя.
В основу математического описания вентильно-индукторного двигателя могут быть положены уравнения электрического равновесия фаз двигателя и электромагнитного момента.
Уравнение электрических цепей, отражающее преобразование электрической энергии в магнитную, имеет вид
ик = ikRk +-
d Y
dt
(1)
где Uk - напряжение питания k-й фазной обмотки двигателя; ik - ток k-й фазной обмотки; Rk - активное сопротивление k-й фазной обмотки; yk -потокосцепление k-й фазной обмотки.
Потокосцепление фазы является нелинейной функцией как тока фазы, так и углового положения ротора относительно статора, и определяется конфигурацией двигателя.
Энергия магнитного поля в вентильно-индукторном двигателе при отсутствии ее преобразования в механическую энергию (угол поворота ротора 0 = const) находится интегрированием
Wm =f id У.
(2)
Преобразование магнитной энергии в механическую без обмена энергией с источником питания происходит при постоянстве потокосцепления (ld¥/dt = 0) и связано с изменением магнитной проводимости воздушного зазора в функции угла поворота ротора 0. Исходя из этого рассчитаем электромагнитный момент каждой фазы
M, =- lim
k ле^о i Д0
де
(3)
Yk =const
Мгновенный электромагнитный момент вентильного индукторного привода определяется суммой моментов отдельных фаз, находящихся одновременно под током.
В настоящее время для коммутации обмоток ВИД разработано и применяется большое количество преобразователей. Многообразие решений по топологии схем питания обмоток ВИД объясняется двумя факторами:
1) стремлением улучшить электромагнитные процессы с целью получения требуемых электромеханических характеристик;
2) минимизацией затрат на компоненты схем (в основном транзисторы, диоды и конденсаторы).
Силовые преобразователи можно классифицировать на несколько групп. Среди них можно выделить четыре основные группы.
К первой группе относятся «классическая» полумостовая схема и ее модификации (рис. 1а). Классическая схема представляет собой полумостовой преобразователь с двумя транзисторами и двумя диодами, включенными по диагонали. В такой схеме при подаче управляющих импульсов на оба транзистора к обмотке прикладывается полное напряжение питания (режим Р1), что позволяет увеличить величину тока и соответственно маг-
нитного потока. При подаче управляющего импульса на один из транзисторов обмотка оказывается замкнутой накоротко через ключ и обратный диод (режим Р2). Чередование режимов Р1 и Р2 на втором этапе работы фазы позволяет поддерживать величину магнитного потока обмотки на заданном уровне с относительно небольшой частотой переключения ключей. При отсутствии управляющих импульсов на транзисторах к обмотке через обратные диоды прикладывается отрицательное напряжение (при условии, что до этого по обмотке протекал ток), что приводит к быстрому гашению магнитного поля [3].
Рис. 1. Схемы питания обмоток вентильно-индукторного двигателя
В модификациях классической схемы один из ключей подключает две и более фаз, что уменьшает общее количество силовых транзисторов в преобразователе. Регулирование напряжения на обмотках производится за счет управления транзистором соответствующей обмотки. Так как в схеме питания имеется общий ключ на несколько фаз, то в некоторых конфигурациях ВИД, например 6/4, режим Р2 не выполняется. Применение таких схем целесообразно в ВИД с числом фаз т > 4.
Ко второй группе относятся преобразователи с накоплением энергии. В данную группу входят преобразователи с магнитным и емкостным накоплением энергии (рис. 1б). В первом случае энергия поля обмотки фазы при отключении ее от источника в виде магнитного поля другой катушки магнитносвязанной с первой. Для этих целей в конструкции ВИД предусматривают наличие бифилярных или аксиальных обмоток. Наличие дополнительных обмоток приводит к усложнению конструкции двигателя и увеличению его стоимости. Поэтому такие электромеханические преобразователи не нашли широкого применения.
В преобразователях второй подгруппы энергия магнитного поля отключаемой обмотки накапливается в виде электрической энергии в дополнительных конденсаторах и используется в дальнейшем для быстрого уве-
личения тока включаемой обмотки. Это позволяет значительно улучшить электромагнитные переходные процессы, протекающие в ВИД. Отдача магнитной энергии в конденсаторы приводит к значительному повышению напряжения, что требует применения полупроводниковых приборов более высокого класса по напряжению. Различают схемы с параллельным и последовательным включением конденсаторов.
К третьей группе относятся преобразователи с дополнительным звеном постоянного тока, в качестве которого используются повышающие преобразователи напряжения (рис. 1в). Такие преобразователи позволяют регулировать величину напряжения в звене постоянного тока и обеспечивать оптимальные электромагнитные переходные процессы во всем диапазоне регулирования скорости ВИП при изменяющихся нагрузках на валу двигателя. Такие преобразователи находят применение в высокоскоростном электроприводе.
К четвертой группе относятся преобразователи, в которых энергия магнитного поля отключаемой фазы не возвращается в источник, а рассеивается в виде теплоты на гасящем сопротивлении и/или обмотке (рис. 1г). Эти схемы являются самыми простыми и дешевыми. Но вместе с этим они обладают и самым низким значением КПД.
На основании выражений (1)-(3), уравнения движения электропривода и схем преобразователей (рис. 1) разработана имитационная модель вен-тильно-индукторного электропривода [4, 5]. По полученной модели произведены расчеты переходных процессов тока и момента при работе привода с максимально допустимой нагрузкой с номинальной частотой вращения. В этом случае время коммутации фазы сопоставимо с электромагнитной постоянной времени, что важно при формировании импульса тока фазы. Результат расчета в виде графиков тока и момента для схемы, изображенной на рис. 1а, представлен на рис. 2.
При анализе работы схем питания в качестве эталона примем график тока «классического» преобразователя (рис. 2).
150
М, Н-м 100
50
0
-50
0,190 0,192 0,194 0,196 0,198 ?, с 0,200
250 I, А 150 100 50 0
-50
0,190 0,192 0,194 0,196 0,198 ?, с 0,200
Рис. 2. Графики электромагнитных процессов в обмотке ВИД: а - электромагнитный момент; б - ток
а
ЛГ \ Л1 Г\ r\í
V V VI V V
1 1 I : { 1 1
б
ж л т—А ум
П г
К-- 14
1 ^
Наличие дополнительного конденсатора в цепи постоянного тока существенного прироста скорости нарастания тока и момента не дает. В то же время и значительного повышения напряжения в звене постоянного тока также не наблюдается. Так, в схеме с последовательным включением конденсаторов увеличение напряжения по сравнению с номинальным значением составило 10-15 %, а с параллельным - 6-12 %. Такая ситуация может быть обусловлена тем, что энергия отключаемой фазы передается как в накопительный конденсатор, так и в обмотку включаемой фазы.
При повышении напряжения постоянного тока на 20 %, как и следовало ожидать, ток достигает заданного значения значительно раньше, чем в эталонной модели. Исходя из этого можно заключить, что схемы с повышающим преобразователем напряжения целесообразно применять в тех случаях, когда требуется регулирование скорости вверх от номинальной.
Применение гасящего сопротивления приводит к тому, что ток отключаемой фазы не спадает до нуля. Это приводит к наличию небольшого тормозного момента, который уменьшает общий момент двигателя. При этом чем меньше величина сопротивления реостата, тем больший ток протекает по обмотке.
В Ы В О Д
Выбор конкретного типа преобразователя для питания ВИД производится в результате комплексного подхода в зависимости от параметров двигателя (число фаз, номинальная скорость и мощность) и условий эксплуатации электропривода.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. S t e f a n o v i c, V. R. SRM inverter topologies: A comparative evaluation / V. R. Ste-fanovic, S. Vukosavic // IEEE Trans. Ind. Applicat - 1991. - Vol. 27, No. 6. - Р. 1034-1047.
2. Б ы ч к о в, М. Г. Оптимизация режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления / М. Г. Бычков // Вестник МЭИ. - 1998. - № 6. - С. 73-81.
3. О с т р и р о в, В. Н. Сравнительный анализ схем силовых преобразователей для вентильно-индукторного электропривода массового применения / В. Н. Остриров, С. Ю. Уткин // Приводная техника. - 2000. - № 4. - С. 44-50.
4. А л е к с а н д р о в с к и й, С. В. Формирование электромагнитных процессов в вен-тильно-индукторном электроприводе / С. В. Александровский, Ю. Н. Петренко // Современные методы проектирования машин: в 7 т. - Т. 6: Автоматизация проектирования и информационные технологии. - Минск, 2004. - Вып. 2. - С. 145-148.
5. Александровский, С. В. Математическое моделирование вентильно-индукторного привода / С. В. Александровский, Ю. Н. Петренко // Информационные технологии в промышленности: тез. докл. 5-й междунар. науч.-техн. конф., Минск, 22-24 окт. 2008 г.: ОИПИ НАН Беларуси; редкол.: Е. В. Владимиров [и др.]. - Минск, 2008. - С. 93-94.
Представлена кафедрой электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов Поступила 20.05.2010
