Лужнев А.И.,Мнускин Ю.В.
Современное состояние электромеханики характеризуется постепенным пе-реходом от нерегулируемого электропривода к регулируемому, что обусловле-но необходимостью повышения качества производственных операций и увели-чения производительности. Перспективным в этом направлении является бес-коллекторный электропривод постоянного тока с вентильными реактивными двигателями (ВРД), которые обладают повышенной надежностью электроме-ханического преобразователя (ЭМП) при более высоких или не уступающих технико-экономических характеристиках по сравнению с АД или вентильны-ми двигателями с постоянными магнитами.
Принцип действия ВРД основан на использовании реактивного вращающего момента, а коммутация фаз статора обеспечивается управляемыми полупроводниковыми ключами (вентилями).
ВРД состоит из ЭМП, силового полупроводникового преобразователя (СПП), устройства управления (УУ) и датчика положения ротора (ДПР) (рисунок 1). Питание ВРД обеспечивается от источника постоянного напряжения.
Несмотря на значительные успехи в теории и практическом конструирова-нии ВРД существует ряд специфических проблем, которые сдерживают широ-кое распространение ВРД и требуют дальнейшего изучения.
Актуальной проблемой является усовершенствование конструкции ЭМП с целью снижения пульсаций момента путём выравнивания его угловой характе-ристики. В [1] предложено компенсировать неравномерность электромагнитно-го момента двумя способами: с помощью алгоритмов нелинейного токового управления, использующих специально подобранную форму токовой волны, которая обеспечивает выравнивание момента и с помощью специальных регу-ляторов с применением обратных связей по электромагнитному моменту или производной частоты вращения.
В [2] также предложен способ компенсации неравномерности момента путём одновременного питания двух фаз четырёхфазного двухстаторного ВРД, в котором первый статор повернут относительно второго на 90 электрических градусов. Путём формирования питающих импульсов двух фаз пропорцио-нальными sin2? выравнивается угловая зависимость электромагнитного момен-та М=f(?). Однако использование данного способа значительно усложняет кон-струкцию ЭМП и схему питания фаз.
Еще одна проблема ВРД – повышенный уровень шумов. В [3] рассмотрены 5 источников шума двигателя, определены методы его снижения. Все эти источ-ники описываются резонансными звеньями не ниже второго порядка, в которых могут возникать как ударные колебания при разрывах производных возму-щающих или управляющих воздействий, так и резонансные явления по первой или высшим гармоникам. При этом управляющим воздействием является пи-тающее напряжение, а возмущающим – противоЭДС двигателя. Проблема снижения шумов требует дальнейших экспериментальных и теоретических ис-следований и может быть решена только при комплексном подходе с усовер-шенствованием конструкции двигателя и плавным формированием токов фаз.
Тепловые модели ВРД, предложенные отдельными авторами, не дают дос-товерного представления о распределении тепла в различных частях машины. Традиционные методики теплового расчёта ВРД требуют адаптации к особен-ностям конструкции и функционирования двигателя. Например, в [4] тепловая модель основана на расчете температуры перегрева в наиболее нагретой зоне с использованием способа интегральных аналогов с введением критерия подо-бия. Такой метод является достаточно приближённым, так как при оценке теп-лового состояния необходимо учитывать резкое изменение магнитного потока при коммутации обмоток, локальное насыщение зубцовой зоны, повышенную частоту перемагничивания ротора.
СПП является одним из наиболее изученных узлов ВРД. В [5] проанализиро-ваны основные варианты силовых и управляющих схем. Отмечено, что извест-ные силовые схемы не используют всех возможностей двигателя. В частности, не достаточно изучена несимметричная коммутация фаз, которая позволяет по-высить мощность ВРД, требуется усовершенствование схем защиты и форми-рования безопасной траектории переключения силовых элементов.
Современное направление развития УУ ВРД – использование вычислительных возможностей микропроцессорных контроллеров для реализации требуемых выходных характеристик двигателя, обеспечения заданных технико-экономических показателей. Возможность программного формирования харак-теристик (ПФХ) ВРД исследована в [5]. Для осуществления ПФХ произведен сравнительный анализ способов управления ВРД и предложено использовать комбинацию токового и широтно-фазового управления, которая обеспечивает эффективное формирование заданного электромагнитного момента при пита-нии от нерегулируемого источника напряжения, а также позволяет получить максимальную энергетическую отдачу ВРД при высоких качественных харак-теристиках. Предложенная структура микропроцессорного УУ реализует ПФХ путём сравнения текущих и заданных координат ВРД и выработки соответст-вующих управляющих воздействий – тока уставки, углов включения и выклю-чения фаз. Управляющие воздействия определяются УУ в каждой точке вы-ходных характеристик с использованием текущих значений напряжения пита-ния, частоты вращения и углового положения ротора, режима работы, положе-ния органов управления ВРД. Анализ полученных результатов показывает, что необходимо дополнительно исследовать особенности ПФХ, соответствующих распространённым видам нагрузки, не рассмотренным в работе [5], а также по-вышать точность ПФХ.
Точность ПФХ в значительной мере зависит от точности определения углового положения ротора с помощью ДПР. Для повышения точности наиболее распространённых оптических ДПР необходимо увеличивать их габариты, обеспечить минимальную ширину зоны срабатывания и максимальное быстро-действие каждого элемента датчика. С учётом этих требований перспективным решением может стать применение лазерных светодиодов в качестве фотоизлу-чателей ДПР. Общий недостаток всех ДПР – невысокая надёжность работы в экстремальных условиях (вибрации, повышенная температура, влажность, за-пылённость, электромагнитные помехи), сложность конструкции. Поэтому всё интенсивнее развиваются косвенные способы, основанные на определении уг-лового положения ротора с использованием известной экспериментальной или теоретической зависимости потокосцепления ?(?). В этом случае точность оп-ределения положения ротора зависит от точности и времени проведения расчё-та потокосцепления, поэтому требуется повышенное быстродействие УУ.
В целом можно отметить, что современное развитие ВРД позволяет предпо-ложить всё большее их распространение, особенно в области высокотехноло-гичных применений (например, перспективные виды электротранспорта). Ре-шение актуальных проблем ВРД позволит повысить их конкурентоспособность и расширить область применения путём замены традиционных электрических машин в регулируемом электроприводе.
Перечень ссылок
1. Шабаев В.А., Лазарев М.В., Захаров А.В. Алгоритмы управления вентильно-индукторным электроприводом, обеспечивающие уменьшение неравномер-ности электромагнитного момента // Электротехника. 2005. №5. - С. 54-56.
2. Шайхиев А.Р. Улучшение тяговых свойств электроподвижного состава с вентильно-индукторным тяговым электроприводом с учётом ограничения по сцеплению. Автореферат диссертации на соискание учёной степени канди-дата технических наук. Ростов-на-Дону, 2004.- 20 с.
3. Шабаев В.А. Анализ шума вентильно-индукторного двигателя // Электро-техника. 2005. №5. - С. 62-64.
4. Ильинский Н.Ф., Докукин А.Л., Кузьмичёв В.А. Тепловые модели вентиль-но-индукторного электродвигателя. // Электричество. 2005. № 8. - С.27-33.
5. Мнускин Ю.В. Вентильный реактивный двигатель с программным форми-рованием выходных характеристик. Диссертация на соискание учёной сте-пени кандидата технических наук. Донецк, 2005.- 221 с.