Анализ эффективности регулирования энергопотребления вентильного двигателя с непрерывным токовым управлением Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 62-83:621.313.13.014.2:621.382

В . А. Соловьев, Т . О . Князькова

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С НЕПРЕРЫВНЫМ ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Определены основные энергетические показатели вентильного двигателя с непрерывным формированием синусоидальных фазных токов при различных алгоритмах его управления напряжением питания при помощи импульсного регулятора постоянного напряжения.

E-mail: solovjevva@bk.ru, knyazt@ya.ru

Ключевые слова: вентильный двигатель, потребляемая мощность,

импульсный регулятор постоянного напряжения.

В коммутаторе вентильного двигателя (ВД) с обратной связью по фазным токам при непрерывном способе их формирования силовые транзисторы коммутатора работают в активном режиме, что повышает рассеиваемую в них мощность, особенно при низких частотах вращения. Это не только отрицательно отражается на надежности ВД, но и дополнительно увеличивает его энергопотребление и тем самым снижает эффективность происходящего в нем электромеханического преобразования энергии.

Мощность потерь в коммутаторе можно уменьшить изменением напряжения питания ВД при помощи импульсного регулятора постоянного напряжения (ИРПН) [1] до значений, при которых выполнялось бы с минимальным запасом условие

итр > итр.н , (1)

где итр - напряжение между коллектором и эмиттером силового транзистора; ир.н - напряжение между коллектором и эмиттером силового транзистора на границе насыщения.

Эффективность регулирования напряжения питания ВД с непрерывным токовым управлением с помощью ИРПН оценим по средней мощности Рп, потребляемой ВД и ИРПН совместно, и средней мощности потерь в силовых транзисторах коммутатора ЛРк при работе в установившемся двигательном режиме. Отметим, что использовать электромагнитный КПД ВД для этой цели можно не всегда, так как при неподвижном роторе электродвигателя независимо от значений перечисленных показателей КПД равен нулю.

В качестве объекта исследования был выбран двухфазный ВД с нереверсивным питанием фазных обмоток синусоидальными токами. Мощность Рп, потребляемая ВД от источника постоянного тока с но-

минальным напряжением, и мощность потерь ЛРк рассчитывают по выражениям, приведенным в работе [2].

При регулировании напряжения питания ВД с помощью ИРПН для вычисления мощности Рп справедливо выражение

Р„ =-1? (2)

к о

ПИРПН

где а - угол поворота ротора ВД, отсчитываемый от момента естественной коммутации, в электрических радианах; ак = п / 2 - угол поворота ротора ВД между двумя последовательными коммутациями секций фазных обмоток (межкоммутационный интервал), в электрических радианах; ивд(а) - зависимость напряжения питания ВД от угла поворота его ротора; /Вд—) - зависимость тока, потребляемого ВД, от угла поворота ротора, /Вд—) = /с1—) +/с2—); /с1—), /с2—) - зависимости токов первой и второй включенных секций фазных обмоток от угла поворота ротора ВД; Пирпн(а) - зависимость КПД ИРПН от угла поворота ротора ВД.

Примем, что ИРПН работает в режиме непрерывного тока дросселя, а частота коммутаций в нем относительно невелика. Поэтому можно пренебречь мощностью динамических потерь ЛРпин ИРПН и для расчета его КПД воспользоваться упрощенным выражением, которое с учетом особенностей поставленной задачи имеет вид

( ) Еи.п -Етр_иВД (а)__(3)

пирпн (а)= е -— (РД _ ч. —. (3)

Еи.п иВД — ) + ((р + Яф )ВД (а)

где Еи.п - ЭДС источника питания; Етр - ЭДС, соответствующая начальному пороговому напряжению силового транзистора ИРПН; Ятр - дифференциальное сопротивление открытого силового транзистора ИРПН; Яф - активное сопротивление дросселя фильтра ИРПН.

Подставляя (3) в (2), получаем

1 — е — Е

Рп =— | ипЕ тр [ивд (—вд —)+(( + Яф))д —)]dа. (4)

ак 0 Еи.п

Определяя выражения для величин Рп и АРк при регулировании напряжения питания рассматриваемого ВД необходимо учесть, что форма напряжения на межкоммутационном интервале зависит от структуры и алгоритма работы блока управления ИРПН. Возможные ее варианты иллюстрируют приведенные на рисунке временные диаграммы напряжений фазной обмотки с синусоидальной зависимостью тока на межкоммутационном интервале. Из них следует, что в первом варианте (рисунок а) регулируемое ИРПН напряжение постоянно на всем межкоммутационном интервале

Временные диаграммы напряжений секции фазной обмотки ВД c регулируемым энергопотреблением:

а - итр(а) = Цр.н при а = ак; б - итр(а) = Цр.н при ак /2 < а < ак; = итр н при а < а< ак

- итр(а) =

иВД (а)_ KUEn,

(5)

где Ки - коэффициент регулирования напряжения питания ВД, Ки > > v + Ктп + Ктр; V- относительная частота вращения ВД, v = О / О; О- частота вращения ВД; О - базовая частота вращения идеального холостого хода ВД, О0 = ип/ СЕ; СЕ - конструктивная постоянная ВД; и и.п - напряжение источника питания ВД; Ктп - коэффициент загрузки ВД по току, Ктп = 1с тах / /с.п; 1с тах - амплитуда токов секций фазных обмоток; 1сп - пусковой ток секции фазной обмотки, 1сп = иип / Яс; Яс - активное сопротивление секции фазной обмотки; Ктр - коэффициент, учитывающий падение напряжения на силовом транзисторе на границе насыщения, К^ = итр.н / ии п.

При такой зависимости ивд(а) (5) условие работы силовых транзисторов коммутатора с итр(а) = итр.н обеспечивается только при а = = 0 и а = ак.

Во втором варианте (рисунок б) напряжение питания ВД изменяется по следующим зависимостям:

ивд

ивд

(а)_ Еип[Ктр + (v +Ктл)cosa] при 0 < а< а /2, (6а) (а) = ЕиЛ [ Ктр + (v +Кт.п) sin а] при ак /2 < а < ак, (6б)

поэтому условие мтр(а) = итр.н для силового транзистора фазы с коси-нусоидальной зависимостью тока соблюдается уже при 0 < а < ак /2, а для силового транзистора с синусоидальной зависимостью тока -при ак /2 < а< ак.

В третьем варианте (рисунок в) фазная обмотка с синусоидальной зависимостью тока питается напряжением, определяемым по формуле (6б), а фазная обмотка с косинусоидальной зависимостью тока -напряжением, полученным по формуле (6а). При этих значениях напряжения на всем межкоммутационном интервале на соответствующих силовых транзисторах поддерживается напряжение

u

тр

(а)_ КтрЕап = итр.н. (7)

Выражения для величин Рп и ЛРк при регулировании напряжения питания ВД с помощью ИРПН получаем интегрированием соответствующих зависимостей [2], подставляя в них поочередно формулы (5)-(7) и выражения для фазных токов. При первой форме напряжения питания ВД ивд(а) имеем

Е - Е

P _ и.п тр

Е,,

4

— Еи.п 4п Кт.п Ки +

п

((р + Rф )Iс2пК2п

(8)

AP =— E„„LK

п

и.п с.п т.п

Ku -П ( + Кт.п)

(9)

при второй форме

P = Еи.п Етр

Е

1 + - |Еи.п4пКт.п ( + Кт.п ) +

v 2 п )

Еи.п4п Кт.п Ктр +

п

+ П)(( + Rф )Iс2.пКт2п

(10)

Арк =|-П-1] е^лкл (v +кт.п )+-Еил1слКтлКтр; (11)

v п 2) П

при третьей форме

Е,,„ — Е

Р =-

и.п тр

Еп

Е I К

и.п с.п т.п

' 4

V + Кт.п +пКтр 1+(( + R))Кт2п], (12)

АРК = - Еип Iс.п Кт.п Ктр. (13)

п

Результаты расчета мощности, потребляемой от источника питания, и мощности потерь в коммутаторе ВД при регулировании и без регулирования энергопотребления представлены в таблице. Расчет выполнен для ВД типа ДБМ 120-1-0,8-2 [3], нагруженного номинальным моментом Мном = 1 Нм, при котором Ктп = 0,22, мощность потерь в меди АРм = 47 Вт. Для относительных единиц Рп*, АРк* базовой величиной принята мощность, потребляемая этим ВД при Ктп = = 1. ЭДС источника питания соответствовала номинальному напряжению Еип = ии.п = 27 В, а Ктр = 0,08.

Таблица

Значения мощности, потребляемой ВД от источника питания, и мощности потерь в коммутаторе ВД при основных формах напряжения питания

Форма напряжения питания ВД V Рп, Вт АРк, Вт Р * 1 п АРк*

0,6 272 97 0,220 0,078

МВД—) = Еи.п 0,3 272 161 0,220 0,130

0 272 225 0,220 0,182

итр—) итр.н 0,6 269 70 0,217 0,056

при а = —к 0,3 183 52 0,148 0,042

0 98 35 0,079 0,028

Окончание таблицы

Форма напряжения v Рп, ЛРК, Р * 1 п АР,

питания ВД Вт Вт

Ма) итр.н при ак /2 < а < ак 0,6 244 46 0,197 0,037

0,3 168 40 0,135 0,030

0 91 28 0,073 0,023

итр(а) итр.н 0,6 214 22 0,173 0,018

при а < а< ак 0,3 147 22 0,119 0,018

0 80 22 0,064 0,018

Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что регулирование напряжения питания ВД с непрерывным формированием фазных токов с помощью ИРПН в зависимости от формы этого напряжения при частотах вращения, близких к нулю, позволяет уменьшить энергопотребление электродвигателя в 2-3 раза, а мощность потерь в коммутаторе в 5-10 раз. Теоретические результаты подтверждены испытаниями макетных образцов электротехнических систем с автоматическим регулированием энергопотребления трех ВД типа ДБМ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соловьев В.А. Электромеханический регулятор натяжения основы с двухканальной системой управления двигателем постоянного тока // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2000. - № 4. - С. 103-106.

2. Соловьев В. А. Вентильный электродвигатель с обратной связью по токам фазных обмоток // Электричество. - 1995. - № 1. - С. 56-61.

3. Беленький Ю. М., Зеленков Г. С., Микеров А. Г. Опыт разработки и применения бесконтактных моментных приводов. - Л.: ЛДНТП, 1987. - 28 с.

Статья поступила в редакцию 15.11.2011