1 ВВЕДЕННЯ

       Актуальнiсть теми

       Приступаючи до вивчення синхронних електроприводів, необхідно перш за все відзначити, що гілка синхронних електричних машин найбільш перспективна і найближчим часом обіцяє істотний технологічний стрибок. Такий стрибок вже відбувся в інформаційній частині електромеханічної системи (мікропроцесори, мікроконтролери, програмовані логічні інтегральні схеми), такий стрибок відбувся і в силовій напівпровідниковій частині електромеханічної системи (інтелектуальні, інтегральні модулі, силові елементи з новою технологією виготовлення).

       В електромеханіці такий стрибок можна чекати на шляху розвитку синхронних приводiв, тоді як віття, пов'язане з машинами постійного струму і асинхронними машинами, слід визнати тими, що встояли, не обіцяючими нових технологічних проривів.

       Вже сьогодні є розробки безконтактних синхронних машин, володіючих поліпшеними на порядок вагогабаритними показниками. Ці машини мають абсолютно нову, нетрадиційну конструкцію і дуже широкі можливості.

       Наукова новiзна. Мета i наступнi задачи

       Хоча огляд синхронних двигунiв з постiйними магнiтами наведено в лiтературних джерелах, виникають труднощi з рiзною термiнологiєю, моделюванням електроприводу з цим типом двигуна. Математичний опис синхронних двигунiв з постiйними магнiтами наведено в лiтературi [1], але в моделi синхронного двигуна у нерухомiй системi координат допущена помилка. В данiй роботi наведена вiрна Simulink-модель у абсолютних та вiдносних одиницях. Також були розробленi моделi синхронного двигуна у рухомiй системi координат в абсолютних та вiдносних одиницях, якi вкупi з моделлю iз середовища Powerlib пакету Matlab при однакових початкових даних дали абсолютно однаковi результати моделювання, що дозволяє судити о вiрних результатах та однакових припущеннях у моделюваннi. Наступною задачею ставимо побудову електропривода на основi синхронного двигуна з постiйними магнiтами та порiвняння результатiв моделювання сервопривода з експериментальними дослiдженнями серводвигуна, що з’явився на кафедрi електропривода.

2 ОГЛЯД СИНХРОННИХ МАШИН

       Сьогодні найпоширеніший тип електроприводу з двигуном змінного струму включає в себе перетворювач на основі перетворювача частоти з ланкою постійного струму і інвертором з широтно-імпульсною модуляцією. В перетворювач вбудована система керування приводу з мікропроцесорним керуванням і зовнішнім інтерфейсом, забезпечуючим користувачу максимум можливостей для використання приводу в самих різних галузях промисловості.

       В перетворювачах з ланкою постійного струму змінна вихідна напруга формується автономним інвертором напруги постійного струму. Оскільки звичайно як джерело живлення використовується мережа змінного струму, то до складу перетворювача частоти входить керований або некерований випрямляч. Такі перетворювачі принципово не мають обмеження на максимальне значення вихідної частоти. Перетворювачі частоти з ланкою постійного струму підрозділяються на перетворювачі з автономним інвертором струму і автономним інвертором напруги. В даний час найбільш широко використовуються перетворювачі з автономним інвертором напруги.

       Електроприводи з синхронними двигунами можна підрозділити на електроприводи з синхронними двигунами, що мають зовнішнє керування, і самокерованими синхронними двигунами.

       Якщо привід із зовнішнім керуванням виконується як регульований, то двигун одержує живлення від джерела, частота і напруга на виході якого може незалежно регулюватися. Проте регульовані приводи з синхронними двигунами, що мають зовнішнє керування, знаходять обмежене застосування. При нерегульованому електроприводі синхронний двигун живиться безпосередньо від мережі. Такі приводи застосовуються, в основному, в потужних установках, в значній мірі, через можливість забезпечення випереджаючого коефіцієнта потужності шляхом дії на струм збудження двигуна. Це дозволяє підвищити загальний коефіцієнт потужності підприємства, на якому окрім електроприводів з синхронними двигунами є велика кiлькiсть споживачів електроенергії, що є активно-індуктивним навантаженням (наприклад, електроприводів з асинхронними двигунами).

       В електроприводах другої групи частота напруги живлення задається розташованим на роторі двигуна датчиком положення ротора, причому є можливість впливати на положення просторового вектора струму статора відносно пов'язаного з ротором вектора потоку ротора. Для приводу з самокерованим синхронним двигуном використовуються різні назви: "безконтактний двигун постійного струму", "привід з вентильним двигуном", "сервопривод". Останній термін указує на область застосування приводів, що позначаються їм, як допоміжних. Наприклад, на токарних верстатах приводи подачі іноді визначаються як допоміжні, на відміну від приводів головного руху - приводів обертання шпінделя, тобто обертання оброблюваної деталі. До таких приводів пред'являються вимоги високої динамічності. Останнім часом в зарубіжній технічній літературі під серводвигуном звичайно розуміється малоінерційний синхронний саморегульований двигун з постійними магнітами.

       В даній роботі для синхронного електродвигуна з постійними магнітами на роторі разом з датчиком положення ротора і джерелом живлення, керованим у функції положення ротора, прийнятий найпоширеніший в зарубіжній літературі термін "сервопривод". Термін "безконтактний двигун постійного струму" збережено для синхронного двигуна з датчиком положення ротора, струми статора якого мають прямокутну форму.

       Слід коротко зупинитися на принципі дії синхронних машин.

       Основною відмітною особливістю цих машин є те, що поле ротора в них нерухомо щодо ротора і обертається синхронно з ним. В синхронних електромагнітних і магнітоелектричних машинах - це власне поле збудження. В синхронних реактивних - це поле, яке пронизує ротор.

       При проектуванні електроприводу виділення видів синхронних машин пов'язано вже не стільки з фізичними і конструктивними особливостями самої машини, скільки з особливостями її застосування, із способами її керування і способами побудови систем керування.

       Машини з електромагнітним збудженням і явновираженими полюсами знайшли широке розповсюдження в гідрогенераторах. Крім того, вони широко використовуються в судових і автомобільних генераторах. Машини з електромагнітним збудженням з неявновираженими полюсами використовуються в турбогенераторах.

       Ці типи машин тісно пов'язані з енергетикою і практично не використовуються в електроприводі. Теорія цих машин детально висловлена в класичних курсах по електричним машинам. Слід підкреслити, що всі дослідження електроприводів (розімкнених і замкнених) з магнітоелектричними машинами автоматично можна розповсюдити на машини електромагнітні.

       В машинах магнітоелектричних розподіл торкається швидше способу керування, ніж принципу роботи.

       Обмотки статора машини можуть живитися синусоїдальною напругою (струмом), квазісинусоїдальною напругою (струмом) (ШИМ по синусоїдальному закону) і імпульсною напругою (струмом).

       Залежно від цього розрізняються:

       1. Крокові двигуни. В них обмотки статора живляться імпульсною напругою (струмом). Від кожного імпульсу ротор двигуна скоює крок - поворот на певний кут. Кроковий двигун - це вже синхронний двигун разом з напівпровідниковим перетворювачем. Його характеристики залежать від способу побудови і керування цього перетворювача. Крокові двигуни знайшли широке розповсюдження в системах електроавтоматики, керованих по радіоканалу, а також в цифрових системах керування.

       2. Безконтактні машини постійного струму (БМПС) і серводвигуни (ВМ) - це синхронний двигун в замкненій системі, реалізованій з використанням датчика положення ротора (ДПР), перетворювача координат (ПК) і силового напівпровідникового перетворювача (СНП).

       Різниця між БМПС і серводвигуном полягає тільки в способі формування напруги на виході силового напівпровідникового перетворювача.

       В першому випадку формується імпульсна напруга (струм) на обмотках машини. В другому випадку на виході СНП формується синусоїдальна або квазісинусоїдальна напруга (струм).

       Слід помітити, що БМПC відрізняються від крокових машин тим, що є включені в замкнену систему формування напруги. В них напруга формується залежно від положення ротора, і це є їх принциповою відмінністю від крокових, в яких положення ротора залежить від числа керуючих імпульсів.

       Осібно у ряді синхронних машин стоять гістерезисні і реактивні двигуни. Ці машини рідко використовуються в електроприводі.

       Зі всіх розглянутих типів синхронних машин в керованих системах найперспективнішими вважаються серводвигуни.

       Датчик положення ротора (ДПР), перетворювач координат (ПК) і силовий напівпровідниковий перетворювач (СНП) спільно формують на обмотках статора машини фазнi напруги U_A, U_B, U_C так, щоб результуючий вектор напруги завжди був зсунутий на кут θ і нерухомий щодо осі магнітного поля ротора. В цьому випадку і результуючий вектор струму буде зсунутий і нерухомий щодо потоку ротора , що і створює момент на валу машини.

3 МАТЕМАТИЧНИЙ ОПИС СИНХРОННОГО ДВИГУНА З ПОСТІЙНИМИ МАГНІТАМИ I ПОБУДОВА ЙОГО МОДЕЛЕЙ У СЕРЕДОВИЩI SIMULINC ПАКЕТА MATLAB

       Математичний опис синхронної машини з постійними магнітами на роторi в трифазнiй системi координат

       Математичний опис синхронної машини реалізується подібно до асинхронного двигуна. Рівняння напруг на обмотках статора мають вигляд:

       ,

де L_S - фазна iндуктивнiсть статора, R_S - фазний опiр статора, - вектор статорних напруг, - вектор потокозчеплень статора, - вектор потока постiйних магнiтiв, - вектор струмiв статора.

       Вектор описується як:

       Вектор описується як:

       Рівняння для моменту двигуна має вигляд:

       ,

де М - момент двигуна, Z_p - число пар полюсiв.

       Рівняння руху маэ вигляд:

       ,

       ,

де J - момент iнерцii двигуна, - кутова швидкiсть поля двигуна.

       Математичний опис синхронної машини з постійними магнітами на роторi в нерухомiй системi координат α , β

       Перейдемо від опису машини в трьохфазній системи координат до нерухомої системи координат α , β , де вiсь α спiвпадаэ з вiссю A, а вiсь β - перпендикулярна їй.

       Розкладанням узагальнених векторів на дійсну і уявну вісі (нерухомі вісі), отримаємо:

       В останній системі рівнянь проекції потока і напруги на нерухомі вісі координат α , β зв'язані між собою за допомогою датчика положення ротора ДПР. В реверсивних електроприводах ДПР встановлюється таким чином, щоб просторовий вектор напруги був зсунут на 90 електричних градусів відносно просторового вектора потоку. В цьому випадку просторові вектори , на вісі α , β запишуться у вигляді:

       Остаточно маємо:

       За допомогою останньої системи рівнянь можна скласти модель машини у середовищі SIMULINC

       Математичний опис синхронної машини з постійними магнітами на роторi в рухомiй системi координат d, q

       Розкладуючи вектори електромагнітних змінних стану за осями d і q, отримаємо скалярний опис машини. При цьому вiсь d поєднується з віссю потока ротора:

       Із рівняння для моменту двигуна бачимо, що найбільш економний режим має місце при i_d=0 (i_q=max), що забезпечується завдяки: U_Sd=0.

       Математичний опис синхронної машини з постійними магнітами на роторi з використанням бiблiотеки Power System Blockset пакета MATLAB

       Синхронні машини в бібліотеці Machine представлені чотирма блоками. Проте більшість з них реалізують моделі генераторного режиму роботи синхронної машини. Виняток становить магнітоелектрична машина Permanent Magnet Synchronous Machine, що підлягає дослiдженню.

       В полях вікна настройки машини задаються: