Современное состояние электромеханики характеризуется постепенным переходом от нерегулируемого электропривода к регулируемому, что обусловлено необходимостью повышения качества производственных операций и увеличения производительности. Перспективным в этом направлении является бесколлекторный электропривод постоянного и переменного тока, который обладает повышенной надежностью по сравнению с коллекторным за счет более надежного электромеханического преобразователя (ЭМП). Несмотря на значительные успехи по применению традиционных двигателей (асинхронные двигатели с частотным управлением, вентильные двигатели (ВД)), оснащенных современными устройствами управления и силовыми полупроводниковыми преобразователями (СПП), проблема создания и исследования новых типов двигателей и их узлов (ЭМП, СПП, микропроцессорных устройств управления (МУУ)) для регулируемого бесколлекторного электропривода продолжает оставаться актуальной. К новым типам двигателей предъявляются повышенные требования по надежности, удельным массогабаритным показателям, КПД, стоимости и возможности продолжительно работать в тяжелых условиях эксплуатации без обслуживания.

С учетом этих требований внимание ученых во всем мире привлекают вентильные реактивные двигатели (ВРД), которые имеют пассивный ферромагнитный ротор. Эти электрические машины представляют органичное объединение последних достижений в области электромеханики, силовой полупроводниковой техники и цифровых вычислительных устройств.

Стремительное развитие ВРД началось с исследований П. Лоуренсона в 70-х – 90-х г.г. ХХ века, который показал перспективы применения этих электрических машин в силовом электроприводе [1]. Исследования были продолжены во многих странах мира, в том числе в СНГ. В Украине получили известность работы В.И. Ткачука, М.З. Дудника, С.В. Карася, Е.Б. Ковалева, Г.В. Демченко, В.В. Рымши и ряда других исследователей. В России значительный вклад внесли ученые М.Г. Бычков, Н.Ф. Ильинский, В.А. Кузнецов, Д.А. Бут, В.Я. Беспалов, Л.А. Садовский и др. Современные достижения в области теоретического описания, математического моделирования и конструирования ВРД показывают их преимущества по сравнению с аналогами и позволяют предположить успешное применение этих двигателей в различных отраслях промышленности и на электрическом транспорте [2].

Актуальность темы: В настоящее время существует перспектива замены асинхронного электропривода на првод с ВРД. Поэтому необходимо исследовать особенности работы ВРД при питании от сети переменного тока.

Цель и задачи исследования:Разработать схему питаниея ВРД от сети переменного тока, исследовать его работу при таком питании. Оценить влияние применяемой схемы на характеристики двигателя.

Рисунок 1(анимация) – работа ВРД.

Общая характеристика ВРД

Вентильные реактивные двигатели (ВРД) появились в результате поиска новых ЭМП для регулируемого электропривода и явились дальнейшим развитием теории и практики электрических машин. Свое название ВРД получили в соответствии с тем, что принцип их работы основан на реактивном вращающем моменте, а коммутация фаз статора обеспечивается управляемыми полупроводниковыми ключами (вентилями).

Такие двигатели не имеют обмотки на роторе. Вращающий момент создается за счет намагничивания ферромагнитного ротора магнитным потоком статора, действующая электромагнитная сила стремится изменить его угловое положение в сторону увеличения энергии магнитного поля.

ВРД состоит из нескольких неразрывно связанных и функционально дополняющих друг друга узлов: ЭМП, силового полупроводникового преобразователя (СПП), устройства управления (УУ) и датчика положения ротора (ДПР) (рисунок 1). Обычно питание ВРД обеспечивается от источника постоянного напряжения. Но двигатель имеет перспективу применения при различных условиях питания. Поэтому необходимо разработать схему питания ВРД от сети переменного тока и исследовать особенности его работы при таком питании. В нашей работе предложена схема питания ВРД от неуправляемого трехфазного выпрямителя (В), снабженного емкостным буфером энергии (БЭ), в котором аккумулируется энергия отключаемой фазы двигателя. По сути мы получаем схему выпрямитель – инвертор, где в качестве инвертора служит СПП.

Рисунок 2 – Структурная схема вентильного реактивного двигателя.

Неразрывность этих узлов принципиально отличает ВРД от других типов двигателей, имеющих в своем составе аналогичные узлы, например, син-хронных реактивных двигателей, асинхронных двигателей с частотным управ-лением. Без таких узлов, как СПП и УУ ВРД неработоспособен в принципе и от них в значительной степени зависит эффективность его работы. Из этого следу-ет, что высокие технические характеристики ВРД можно получить только при комплексном рассмотрении всех составляющих ВРД, в отличие от традицион-ного подхода, когда возможно отдельное рассмотрение электрической машины как ЭМП энергии.

Для ЭМП ВРД характерны следующие особенности:

• Статор и ротор имеют явновыраженные полюса, причем число полюсов обычно небольшое (до 16).

• Число полюсов статора Zc и число полюсов ротора Zp не равны между собой и связаны соотношением [3]:

где k - целое число, m - число фаз двигателя.

Наибольшее распространение получили конфигурации магнитной системы 6/4, 12/8, 12/10 – для трехфазных двигателей, 8/6 и 16/12 – для четырехфазных (первая цифра – число полюсов статора, вторая – число полюсов ротора). Эти конфигурации показаны на рис. 2.

Рисунок 3 – Разновидности конфигураций магнитной системы ВРД

Характерная особенность высокоскоростных двигателей – небольшое число фаз (до 3-х), низкоскоростные двигатели имеют чаще всего четыре фазы. ВРД с конфигурациями 12/10, 16/12 имеют по четыре полуобмотки на фазу, которые запитываются одновременно.

• Статор выполняется шихтованным с сосредоточенной обмоткой, причем каждая фаза обмотки состоит из двух полуобмоток, расположенных на диаметрально противоположных полюсах статора и соединенных последовательно и согласно.

• Простой в изготовлении шихтованный ротор обмотки не имеет.

• Скорость и направление вращения ротора и пространственного вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, не совпадают. Связь между электрическими и механическими углами выражается через число пар полюсов ротора

• Несинусоидальность тока и потока требует применения нестандартных подходов при описании и анализе процессов, протекающих в ВРД.

Особенности СПП ВРД вытекают из свойств ЭМП.

• Питание осуществляется от источника напряжения постоянного тока.

• Необходимость формирования однонаправленного тока фаз со сложной формой требует применения однотактных схем преобразователей с возможностью гибкого управления током.

Современное состояние исследований в области ВРД

Двигатели с реактивным вращающим моментом были разработаны достаточно давно – во второй половине ХIХ века – но не получили развития из-за трудностей с практическим применением [5]. Несмотря на некоторые очевидные преимущества перед другими типами двигателей, существовали неразрешимые проблемы, связанные с управлением этими электрическими машинами. С появлением полупроводниковых управляемых ключей началось развитие ВД различных конструкций. В большинстве случаев ВД рассматривались в качестве маломощных исполнительных двигателей в устройствах вычислительной, бытовой техники. Получили распространение ВД с постоянными магнитами, шаговые двигатели, которые являются ближайшими аналогами ВРД

Понадобилось практически 100 лет с момента изобретения явнополюсных двигателей с реактивным моментом, чтобы появились предпосылки для их дальнейшего изучения и разработки ВРД в 70-х годах ХХ-го века П. Лоуренсоном. Работы П. Лоуренсона стимулировали как теоретические исследования, так и практические разработки ВРД. Положительные результаты испытаний таких двигателей привели к созданию в разных странах специализированных фирм по производству ВРД (SRD Ltd., Task Drives, Dresser, Maccon), выпуску первых промышленных серий ВРД в Англии, Италии, США, охватывающих диапазон мощностей 0,5…250 кВт [1, 4]. Как указано в [5], в настоящее время теория и практика ВРД переживают период наиболее быстрого развития по сравнению со всеми другими видами электрических машин, предполагается широкое применение ВРД в интеллектуальном приводе, робототехнике, электромеханотронных комплексах и электромобильном транспорте.

Устройство ВРД привлекает своей простотой и надежностью, однако вся сложность заключается в достижении высоких характеристик двигателя путем эффективного управления. Исследования показали перспективность разработки этого научного направления, поскольку ВРД по своим характеристикам приближается к двигателю постоянного тока с последовательным возбуждением, превосходя последний по надежности и эффективности. Особые преимущества имеются у мощных ВРД, которые характеризуются лучшими массогабаритными и энергетическими показателями [1], чем другие аналогичные двигатели (табл. 1.1).

Таблица 1 – Показатели трех типов электропривода с высотой вала 112 мм.

Тип электропривода	Номинальная мощность, кВт	Номинальная мощность к объему активных ма-териалов	КПД
Постоянного тока	7	1	76
Асинхронный	9	1,2	81
ВРД	11	1,7	85

Представляет значительный интерес сравнение ВРД со своим ближайшим аналогом – ВД с постоянными магнитами – по техническим характеристикам. По данным [13], из двух двигателей одинаковой мощности, ВРД имел меньший КПД (на 1-2 %) при стоимости более чем в 3 раза меньшей аналога – ВД с постоянными магнитами. При производстве ЭМП ВРД не используются дорогостоящие активные материалы и технологии. Существуют возможности еще большего улучшения удельных показателей ВРД за счет увеличения токовых нагрузок при улучшении охлаждения, что позволит ВРД успешно конкурировать с ВД с постоянными магнитами и в области специальных применений (например, в аэрокосмических аппаратах) [3].

В настоящее время разработками в области ВРД занимается большинство развитых стран (США, Англия, Германия, Франция, Япония, Россия, Китай, Польша, Украина и др.). По активности публикаций и зарегистрированным патентам лидирует США. Стоит отметить высокую активность университетских центров во всем мире в направлении развития теории и практики ВРД.

В Украине ВРД еще недостаточно известны и почти не применяются. На этом фоне выделяются исследования, проводимые в Национальном техническом университете «Львівська політехніка» по вопросам разработки маломощных ВРД с буферами энергии [5], и в Донецком национальном техническом университете, где совместно с ОАО «Первомайский электромеханический завод им. К. Маркса» ведутся работы по созданию тягового электропривода с ВРД [15, 16].

Мои разработки

Для исследования особенностей работы ВРД от сети переменного тока создана математическая модель неуправляемого трехфазного выпрямителя и модель ВРД в среде MathCAD.

В модели выпрямителя питающая сеть представлена источниками фазного синусоидального напряжения и активными сопротивлениями фаз. Реальная ВАХ диодов заменена кусочно-линейной аппроксимацией. В открытом состоянии диод представлен линейным сопротивлением, участок снижения потенциального барьера учитывается введением дополнительной ЭДС. Не учитывается разброс характеристик диодов. В закрытом состоянии диод представлен обратным сопротивлением. БЭ моделируется последовательно включенными активным сопротивлением и источником напряжения. Модель В с БЭ представляет собой систему уравнений (1), составленную на основе схемы замещения преобразователя (рисунок 2) по методу узловых потенциалов.

Рисунок 3 – Схема замещения выпрямителя.

При моделировании средствами MathCAD на каждом шаге итерации определяется напряжение на диодах и на выходе выпрямителя. По ним формируется конфигурация схемы (открытое или закрытое состояние диодов) и определяется напряжение на ёмкости.

ЭМП ВРД является наиболее сложным для математического моделирования узлом, в котором происходит преобразование энергии из электромагнитной в механическую, при этом адекватность полученной модели существенно зависит от принятых допущений. В модели ВРД уравнение электрической цепи, описывающее взаимодействие фаз обмотки двигателя и элементов СПП, составлено с учетом дифференциальной индуктивности. При последовательной коммутации фаз, а также в случае одновременного возбуждения двух фаз принимается допущение, что моменты этих фаз суммируются, т.е. действует принцип наложения. Будем считать, что фазы ВРД не оказывают магнитного влияния друг на друга. При определении мгновенного момента принимается допущение, что этот момент равен статическому моменту фазы при тех же условиях.

Современный СПП выполнен на IGBT-транзисторах, которые используются с достаточным запасом по динамическим свойствам, поэтому преобразователь может рассматриваться упрощенно, без учета переходных процессов переключения полупроводниковых ключей. При рассмотрении процессов в СПП учитываются текущий режим коммутации фазы и соответствующее этому режиму коммутации общее активное сопротивление участка цепи. Полупроводниковые элементы СПП моделируются в проводящем состоянии активными сопротивлениями, а в непроводящем – разрывами.

Моделирование ВРД связано с численным решением дифференциального уравнения электрической цепи, образованной фазами обмотки ВРД и цепями СПП с учетом режима коммутации [1]. После перехода к частным производным потокосцепления и преобразования уравнение принимает вид:

где E – напряжение питания двигателя;

fj(t) – функция, определяемая режимом коммутации фазы;

– потокосцепление насыщения фазы;

W – число витков фазы;

– функция магнитной проводимости фазы;

ij(t) – ток фазы;

rf j – активное сопротивление электрической цепи;

j – номер фазы (a, b, c, d).

Уравнение движения ВРД:

где – угловая скорость ротора;

J – момент инерции вращающихся частей ВРД;

мгновенный момент фазы ВРД;

Mc(t) – момент сопротивления нагрузки.

Совместное решение полученных алгебраических и дифференциальных уравнений позволяют определить токи, напряжения и момент ВРД при питании от сети переменного тока, а так же его выходные характеристики.

На рисунках 4 и 5 представлены результаты начального этапа моделирования: на рисунке 4 – график выходного напряжения при моделировании работы выпрямителя с БЭ при питании ВРД (без учета рекуперации энергии ), на рисунке 5 – графики тркрв фазных обмоток ВРД.

Рисунок 4 – График выходного напряжения выпрямителя.

Рисунок 5 – График тока фаз ВРД.

Исследование работы ВРД при питании от сети переменного тока позволит расширить их область приминения в замен асинхронным двигателям. Благодаря получееным характеристикам можно определить степень влияния питающего напряжения на качество работы ВРД, включая исследования несимметрии и несинусоидальности. Думаю, что результаты моей магистерской работы станут первым шагом для написания кандидатской диссертации.

Перечень ссылок.

1. Lawrenson P.A. Variable-Speed switched reluctance motors. – IEEE Proc. Vol. 127, No. 4, July 1980. - P.184-190.

2. Ильинский Н.Ф. Перспективы применения вентильно-индукторного электро-привода в современных технологиях // Электротехника. - 1997. –№2. - С. 1-3.

3. Кузнецов В.А., Садовский Л.А., Виноградов В.Л., Лопатин В.В. Особенности расчета индукторных двигателей для вентильного электропривода // Электротехни-ка. – 1998, №6. - С. 35-43

4. Ткачук В.І. Явнополюсні вентильні реактивні двигуни з буферами енергії: Ав-тореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук: 05.09.01/ Державний університет „Львівська політехніка” . - Львів, 1999. – 37 с.

5. Бут Д.А. Электромеханика сегодня и завтра // Электричество. 1995. №1. С. 2-10.

6. Дудник М.З., Васильев Л.А., Мнускин Ю.В Тяговый вентильно-реактивный электропривод с микропроцессорным управлением. // Вестник Харьковского госу-дарственного политехнического университета. Серия: Новые решения в современ-ных технологиях, выпуск 84: Харьков: ХГПУ, 2000. – С. 81-84.

7. Васильев Л.А., Мнускин Ю.В. Повышение эффективности вентильно-реактивного двигателя. // В зб. наукових праць ДонДТУ. Серія: „Електромеханіка і енергетика”, вип. 17: Донецьк: ДонДТУ, 2000. – С. 102-105.

8. Дудник М.З., Васильев Л.А., Мнускин Ю.В., Мельник В.Н. Эксперименталь-ное исследование вентильного реактивного привода с микропроцессорным управле-нием. // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. №1 (47): Луганськ: СНУ, 2002. – С. 203-208.

9. Васильев Л.А., Мнускин Ю.В. Синтез характеристик вентильного реактивного привода с микропроцессорным управлением. // В зб. наукових праць ДонНТУ. Се-рія: електротехніка і енергетика. Вип. 28. Донецьк, ДонНТУ, 2001. – С. 89-93