CC BY
115УДК 621.313.12
Технические науки
Королев В. И., студент 2 курс магистратуры, кафедра «Электромеханика,
электрические и электронные аппараты» Национальный Исследовательский университет «МЭИ», Россия, г. Москва
ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР
Аннотация: Процесс совершенствования традиционных типов электрических машин продолжается более ста лет. За это время были достигнуты значительные успехи. Однако требования, предъявляемые современными электромеханическими устройствами к электрическим машинам, продолжают расти. Поэтому все больший интерес приобретают новые виды электрических машин, одним из которых является вентильно-индукторный генератор. Целью данной работы является изучение вентильно-индукторного генератора и способов регулирования его работы.
Ключевые слова: Индукторная машина, вентильно-индукторная машина, индуктивность, преобразование энергии, регулирование режима работы.
Annotation: The process of improving traditional types of electric machines has been going on for over a hundred years. Significant successes have been achieved during this time. However, the requirements of modern electro-mechanical devices for electric machines continue to grow. Therefore, new types of electric machines are gaining more and more interest, one of which is the switched-reluctance generator. The aim of this work is to study the switched-reluctance generator and methods for regulating its operation.
Key words: Inductor machine, switched-reluctance machine, inductivity, conversion of energy, monitor control.
Электрическая машина является одним из основных элементов любого электромеханического устройства. Поэтому улучшение его характеристик связано с совершенствованием электрической машины, в частности с оптимизацией процесса электромеханического преобразования энергии. Долгое время решение этой задачи прочно связывалось с применением более эффективных материалов, технологий производства и конструктивных решений. Перспективы дальнейшего роста эффективности электромеханического преобразования энергии связаны с непосредственным управлением этим процессом, что обуславливает повышенный интерес со стороны электромехаников к системам регулируемого электропривода.
Качественный скачок в этом направлении обозначен разработкой интеллектуальных электромеханических преобразователей энергии, которые одновременно осуществляют и преобразование энергии, и управление им. Эти устройства представляют собой, с одной стороны, электрическую машину, а с другой - интегрированную систему регулируемого электропривода, то есть система управления является неотъемлемой частью процесса преобразования энергии, что открывает широкие возможности в сфере, как разработки алгоритмов управления, так и использования принципиально новых конструкций электрических машин.
Одним из интеллектуальных электромеханических преобразователей энергии является вентильно-индукторный генератор (ВИГ) [2]. ВИГ представляет собой достаточно сложную электромеханическую систему. В ее состав входят: индукторная машина (ИМ), блок преобразования питания (БПП), система управления и датчик положения ротора (ДПР) (рисунок 1). Функциональное назначение этих элементов ВИГ очевидно: блок преобразования питания обеспечивает питание фаз ИМ однополярными импульсами напряжения прямоугольной формы; ИМ осуществляет электромеханическое преобразование энергии; система управления в
соответствии с заложенным в нее алгоритмом и сигналами обратной связи, поступающими от датчика положения ротора, управляет данным процессом.
Рисунок 1. Блок-схема вентильно-индукторного генератора.
Рисунок 2 показывает поперечное сечение 4-х фазного ВИГ с явнополюсной конструкцией статора и ротора. Ротор приводится в движение благодаря внешнему источнику механической энергии, например воздушной турбине. Ток I будет возбуждать обмотку статора, и создавать магнитное поле.
Зубцы ст атора
Рисунок 2. 4-х фазный вентильно-индукторного генератора в разрезе.
Статор и ротор ИМ - зубчатые, из шихтованной электротехнической стали. Конфигурацию ВИМ принято обозначать дробью, в числителе которой
указывают число зубцов статора, а в знаменателе число зубцов ротора ст/ 7 .
/ ^рот
Обмотка статора ИМ выполняется в виде сосредоточенных, размещенных на зубцах катушек, что обеспечивает высокую технологичность их изготовления. Ротор ИМ не имеет обмотки, что повышает надежность и уменьшает стоимость ВИМ по сравнению с другими типами вентильного привода.
Рассмотрим способ работы ВИГ: выходное напряжение ВИГа будет определено благодаря изменению удельного магнитного сопротивления в зависимости от позиции ротора. Этот принцип дает возможность абсолютно иного способа управлением относительно других генераторов. ВИГ по своему существу пассивен из-за отсутствия поля возбуждения. Эта проблема может быть решена с помощью источника питания, используемого для возбуждения машины[1, с. 355]. Суть работы ВИГ и его самовозбуждения состоит в том, чтобы иметь 2 фазы работы на каждый период (возбуждения и генератораторный). На первой части периода работы, обмотки статора будут возбуждаться внешним источником питания (батарея или конденсатор), и электрическая энергия, подведенная к обмоткам статора, будет преобразована в энергию магнитного поля. На второй части периода, магнитное поле и механическая энергия вращения ротора будут преобразованы в электрическую энергию, которая будет отдаваться в сеть или для накопления энергии внешнего источника. Контроль над этими стадиями на протяжении периода может осуществляться достаточно гибко благодаря системе управления.
Принцип действия ИМ основан на реактивном взаимодействии зубцов статора и ротора. Потокосцепления катушек зависят от взаимного
углового положения зубцов статора и ротора и тока катушек I.
с1ф (И с1ф (16
и = + + -777-Г- (1)
£¿1 (И (1в (И 4 У Зубцы ротора ИМ, под действием протекающего в катушках фазы тока,
стараются занять положение, соответствующее наибольшему значению энергии
магнитного поля.[2, с. 2] Соответственно, когда ротор выходит из положения,
появляется сила, направленная против движения ротора. В обмотке статора наводится ЭДС, с обратным, относительно возбуждающей ЭДС, знаком. Под действием этой ЭДС начинает протекать ток, который является генерируемым данной машиной.
Так как р = Ь • I ( 2 ) ,
то можно перейти от потокосцепления к индуктивности.
Индуктивность зависит от положения ротора; существуют разные методики для описания взаимосвязи между индуктивностью и положением ротора. Первая методика состоит в использовании линейного соотношения между индуктивностью и положением ротора. Вторая методика состоит в использовании нелинейной зависимости. На рисунке 3 показана линейная зависимость.
Нелинейная зависимость описывается последовательностью Фурье; Индуктивность, это функция тока возбуждения и угла поворота ротора Ц0Д); значение индуктивности постоянно и периодично с периодом равным (2п/Рг), где Рг это количество полюсов ротора. Применяя ряд Фурье и приняв во внимание симметричность относительно оси у на участке [-п/Рг,п/Рг], получим выражение 3, описывающее взаимосвязь между индуктивностью, током и углом поворота ротора:
В качестве результата подсчета индуктивности можно принять первые 3 гармоники:
Ьгпах
Ь(в, 0 = ¿о(0 + %™=1Ьп(1)С05ПРгв (3)
Ь(в, 0 = ¿о(0 + ¿х(0со5 Ргв + ¿2(0со5 2Рг0 + ¿3(0со5 3Ргв (4) Величины 4-х неизвестных индуктивностей можно определить из 4-х известных:
Максимальная величина индуктивности Ьтах в точке 0=0 Минимальная величина индуктивности Ьтщ в точке 0=п/Рг Величина индуктивности Ьа в точке 0=п/2Рг Величина индуктивности Ьь в точке 0=п/3Рг
Тогда четыре неизвестные индуктивности определяются: _ 1 ■ ■ 1 ■
— ^ [^гпах(0 + ^7шп(0] +
_ 1 .1.2.5 .
— 4^шах(0 — ^а(0 "I" ^ ^Ь(0 —
_ 1 ■ ■ 1 ■
= ^ [^шах(0 + ^7шп(0] — 2
(5)
и = -I
тах
12 1
(0 + 2 ¿а(0 — з^ьСО - Ьтшп(0
Система уравнений 5 демонстрирует связь между индуктивностью, положением ротора и током. Индуктивность Ь изменятся как показано на рисунке 4. Максимальное значение индуктивности будет наблюдаться, когда статор и ротор согласованы, как показано на рисунке 4.
Поток может быть определен из индуктивности, связь между потоком и положением ротора можно определить, используя выражение 4.
Рисунок 4. Зависимость индуктивности от положения ротора.
Энергия в обмотке статора ВИГ разделяется на две составляющие: первая это возбуждающая или двигающая энергия и вторая это энергия, которая
преобразуется в электрическую. Равенство 6 описывает метод определения преобразуемой энергии. Электрическая энергия может быть представлена как
дА дв.
1 = СОПБ1
А = & <р(6. ОсИ
,„ --------- (б),
где А-работа электрического поля.
Зона В рисунка 5 представляет собой энергию, затраченную в двигательном этапе работы, а зона А представляет собой энергию, которая превращается в электрическую
а,
о
Ток, А
Рисунок 5. Энергия, которая превратится в электрическую или механическую.
Выходная мощность будет зависеть от плотности потока, которая в свою очередь зависит от индуктивного сопротивления машины. Анализируя зону А можно заметить, что в зависимости от тока возбуждения включение будет разделено на интервалы по 0,2 А. Равенство 6 показывает подсчет зоны А:
71+1
А = Й1о/п5 ¿(0,^)хШ (7)
71+1.
Равенство 4 используется для определения Ь ( в,——)
Равенство 8 представляет равенство 7 при токе возбуждения равным 1А.
А
= (¿(в, 0.2)
х
■ 2-, 0.2 I
+ ¿(0,0.4) х
Г-2-.0.4
0.2
+ ¿(0,0.6) X
;2п
0.6
+
0.4
Ь0,0.8X1220.60.8 + Ь 0,1 Х2220.81 (8)
Зона В соответственно равняется произведению максимального тока А и максимального потока за вычетом зоны, которая рассчитывается в выражении 8
По сравнению с большинством электрических машин вентильно-индукторная обладает рядом преимуществ:
простота конструкции: ротор и статор выполнены в виде пакетов листового магнитомягкого материала.
Отсутствие обмоток на роторе: обмотки располагаются только на статоре. Катушки изготавливаются отдельно, и устанавливаются на полюса статора;
• высокая ремонтопригодность;
• отсутствие механического коммутатора (коллектора, щеток);
• высокие массогабаритные характеристики;
• высокая надёжность ВИМ;
• высокий диапазон частот вращения: от единиц до сотен тысяч об/мин;
• активный регулятор мощности;
• возможность регулирования машины таким образом, чтобы выходная мощность и напряжение были постоянны при разных частотах вращения[3, с. 6].
Также в ВИМ есть некоторые недостатки, по сравнению с классическими машинами:
• Высокий уровень шумов и вибраций;
• Плохое использование стали;
• Значительные отходы при штамповке.
Таким образом становится понятно, что вентильно-индукторная машина способна функционировать в режиме генератора. Использование вентильно -индукторных генераторов позволяет получить высокие регулировочные и энергетические показатели и дает возможность проектировать сложные модульные системы с минимальным количеством соединений и установкой интеллектуальных систем управления либо непосредственно в оборудование, либо рядом с ним. Для обеспечения требуемых выходных показателей необходимо производить регулировку напряжения возбуждения. Так же для
реализации данного режима необходимо выбирать электронные ключи из расчета, что частота коммутации, в зависимости от точности регулирования, может в сотни раз превосходить частоту коммутации фаз.
Библиографический список:
1. Kumar A., Sanjay M., Anumpa M. Comparison of Methods of Minimization of Cogging Torque in Wind Generators Using FE Analysis, Indian inst, Sci, 2006, pages 355-362.
2. Николаев В.В. Рыбников В.А., Разработка интегрированного стартер-генератора на основе вентильно-индукторной машины, стр 2.
3. H. Chen, Implementation of a Three-phase Switched Reluctance Generator System for Wind Power Applications, 14th Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Victoria, 2008, page 1-6.
