Лужнев А.И.,Васильев Л.А.,Мнускин Ю.В.
Электропривод с вентильным реактивным двигателем (ВРД) является одним из наиболее перспективных видов регулируемого электропривода. ВРД представляют органичное объединение последних достижений в области электромеханики, силовой полупроводниковой техники и цифровых вычислительных устройств.
ВРД появились в результате поиска новых электромеханических преобразователей (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).
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 1 – Структурная схема ВРД.
Для исследования 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.
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.
Перечень ссылок.
1. Васильев Л.А., Мнускин Ю.В. Синтез характеристик вентильного реактивного привода с микропроцессорным управлением. // В зб. наукових праць ДонНТУ. Серія: електротехніка і енергетика. Вип. 28. Донецьк, ДонНТУ, 2001. – С. 89-93.