ДонНТУ
Портал магистров ДонНТУ
Простота управления двигателем постоянного тока обусловливала до недавнего времени его преимущественное применение в регулируемом электроприводе. Слабым звеном в этом приводе является сам двигатель, дорогой в изготовлении из-за сложности коллектора и потребности в дефицитном материале – меди, обладающий повышенной инерционностью и ограниченной перегрузочной способностью. Лучшие динамические и стоимостные показатели имеют асинхронные и синхронные двигатели, а также двигатели индукторного и вентильно-индукторного типов. Если этим двигателям с помощью управляемых полупроводниковых средств придать свойства бесколлекторного двигателя постоянного тока, то могут быть использованы простые структуры управления электропривода постоянного тока, обеспечивающие высокие регулировочные свойства и динамические показатели [1].
Вентильный двигатель – двигатель, в котором коммутация секций (фаз) обмотки статора (якоря) осуществляется с помощью полупроводникового коммутатора, управляемого сигналами, позволяющими выявить положение ротора по отношению к статору [2].
Вентильные двигатели обладают целым рядом конструктивных и техникоэксплуатационных преимуществ, по отношению к существующим типам электрических машин:
- отсутствие узлов, требующих техобслуживания – бесколлекторная машина;
- обеспечение взрывобезопасности;
- большая перегрузочная способность по моменту;
- высокое быстродействие, возможность оптимизации режимов работы по скорости и нагрузке;
- наивысшие энергетические показатели;
- высокая надежность и повышенный ресурс работы;
- низкий перегрев электродвигателя, при работе в режимах с возможными перегрузками.
Таким образом, преимущества вентильных двигателей с электронными системами управления объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока, а часто и превосходят их. В связи с этими преимуществами вентильные двигатели вытесняют двигатели постоянного тока с традиционных им сфер применения.
Современные ВД реализуются на основе синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов. В зависимости от конструктивных особенностей СДПМ различают два основных вида вентильных двигателей :
1. Бесконтактные (бесщеточные) двигатели постоянного тока (БДПТ), в англоязычной литературе называемые "brushless DC motors", в которых конструкция синхронной машины магнитоэлектрического возбуждения, т.е. геометрическое расположение витков обмотки якоря на статоре и постоянных магнитов на роторе, обуславливает фазные ЭДС вращения трапецеидальной формы .
2. Бесконтактные двигатели переменного тока – "permanent-magnet brushless AC motors", фазные ЭДС, вращения которых имеют синусоидальный характер. Именно такие системы чаще всего называют вентильными двигателями – ВД.
Бесконтактные двигатели постоянного тока
По принципу действия БДПТ представляет собой обращенную машину постоянного тока с магнитоэлектрическим индуктором на роторе и обмоткой якоря на статоре, функции щеточно-коллекторного узла в которой выполняет полупроводниковый коммутатор, питающий обмотку якоря и переключающийся в функции положения ротора. Наиболее часто используются БДПТ с трехфазной обмоткой на статоре. Статор трехфазного БДПТ идентичен статору асинхронного двигателя.
Момент БДПТ образуется вследствие реакции двух магнитных потоков – статора и ротора. Магнитный поток статора всегда стремится так развернуть ротор с постоянными магнитами, чтобы поток последнего совпал с ним по направлению. При этом с помощью датчика положения ротора электрический угол между двумя потоками в БДПТ всегда сохраняется в диапазоне 90±30O, что соответствует максимальному вращающему моменту.
Для питания обмотки якоря БДПТ принципиально может применяться любой управляемый полупроводниковый преобразователь, реализующий жесткий алгоритм 120-градусной коммутации токов или напряжений трехфазной нагрузки.
Механические и электромеханические (скоростные) характеристики БДПТ полностью аналогичны характеристикам классической машины постоянного тока с независимым или магнитоэлектрическим возбуждением. Поэтому и системы автоматического управления скоростью БДПТ обычно строятся по классическому принципу подчиненного регулирования координат электропривода постоянного тока с контурами тока якоря и частоты вращения.
Вентильные двигатели переменного тока
Синхронные двигатели с синусоидальной формой ЭДС вращения и, соответственно, с синусоидально распределенными по расточке статора трехфазными обмотками якоря сложнее в изготовлении, имеют значительные лобовые части обмоток и требуют, таким образом, большего расхода меди. Однако они превосходят БДПТ по массогабаритным показателям, обеспечивают минимальные пульсации вращающего момента и поэтому используются в глубоко регулируемых и прецизионных системах электропривода, приводах подач металлорежущих станков и измерительных установках.
В отличие от БДПТ, питание обмотки якоря ВД переменного тока осуществляется трехфазно-симметричной системой токов (напряжений), при этом используется ставшая уже стандартной силовая схема преобразователя электрической энергии на базе транзисторного IGBT-инвертора напряжения. Благодаря управлению транзисторами инвертора в режиме модифицированной синусоидальной или пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с относительно высокими частотами (для двигателей малой и средней мощности с номинальной частотой питания 50 Гц частоты ШИМ могут составлять от 1 до 20 кГц) обеспечивается близкая к синусоидальной форма токов ВД [3].
При исследовании режимов работы во вращающихся электрических машинах, целесообразно использовать координатную систему, жестко связанную с ротором. Поскольку ротор исследуемой машины обладает магнитной асимметрией, т.е. различными магнитными проводимостями в двух взаимно перпендикулярных осях, пространственные векторы будут раскладываться на две составляющие. В направлении продольной (d) и поперечной (q) осях, причем направление оси d принимается за вещественную ось, а q – за мнимую [4].
Уравнение, описывающее электрическую часть вентильной машины в координатной
системе d, q, вращающейся со скоростью ротора 
,
с учетом отсутствия роторных обмоток может быть составлено на основе 2-го закона Кирхгофа:
(1) где 
– результирующий вектор напряжения на статорной обмотке;
– активное сопротивление и полная
индуктивность фазы статора;
– вектор потока машины;
– падение напряжения, обусловленное
потоком рассеяния статора;
– падение напряжения, обусловленное
основным магнитным потоком машины, который создается возбуждением ротора.
Учитывая, что вектор 
совпадает
с направлением оси q, раскладывая в выражении (1) вектора на действующие и мнимые части по осям d, q, получаем
систему уравнений:
(2) Вращающий момент двигателя, учитывая совпадения направления вектора
с осью магнитного поля ротора d, можно записать
следующим образом:
(3) Условие механического равновесия описывается выражением:
(4) где 
приведенный момент инерции механической системы;
M – электромагнитный момент, развиваемый вентильным двигателем;
Мс – момент сопротивления на валу двигателя.
Объединяя выражения (2), (3), (4), получаем систему уравнений описывающих работу
вентильной машины.
Упростим запись уравнений, воспользовавшись оператором Лапласа, заменив –
. После преобразований можем получить:
(5) где 
– постоянная времени двигателя.
При построении автоматизированного электропривода на основе ВД используется принцип двухконтурного
подчиненного регулирования скорости вращения. Изменение частоты вращения ВД достигается изменением подводимого к двигателю
напряжения в режиме широтно-импульсного регулирования.
Функциональная схема системы регулирования скорости ВД показана на рис.1.
Как видно, структура САР ВД идентична структуре колекторного двигателя постоянного тока. Она состоит из двух контуров:
внутреннего – контура тока и внешнего – контура скорости. На входе контура скорости установлен задатчик интенсивности ЗІ,
который формирует сигнал пропорцинальный
линейному изменению напряжения в процессе разгона и торможения. Стабилизация тока происходит при помощи регулятора тока
РС датчика тока ДС. Распредилитель импульсов
РІ формирует сигналы управления ключами, получая широтно-модулированный синал от регулятора тока РС. В зависимости от
положення ротора РІ подключает ту или иную пару фаз [5].
Для исследования процессов в приводе на основе ВД была разработана его математическая модель.
При построении математической модели
ВД и электропривода принимается следующий ряд допущений:
трехфазная вентильная машина электрически симметрична, потери в стали не учитываются;
реакция якоря считается незначительной при влиянии на магнитный поток в вентильной машине;
преобразователь частоты идеализирован (предполагается, что силовые транзисторные ключи имеют бесконечно
большое входное сопротивление в закрытом состоянии, а в открытом состоянии
составляет сопротивление подключенной якорной цепи).
Модель для исследования замкнутой системы регулирования имеет вид:
В результате исследований были получены графики переходных
процессов, которые представлены на рис.3.
Анализируя даные графики, можно сделать вывод о том,
что система достаточно точно отрабатывает задание по скорости.
Следующей задачей для меня является построение и исследование системы двухзонного регулирования скорости ВД,
а также проведение экспериментальных исследований с помощью лабораторного стенда, появившегося на кафедре.
1. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. – 265 с.
2. Овчинников И. Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность): Курс лекций. СПб.: КОРОНА-Век, 2006. – 336 с.: ил.
3. Вентильный электропривод. Понятие, преимущества, виды, реализация
(
http://www.ingener.info/pages-page-30-2.html)
4. Буряк А. Д. Исследование процессов и обоснование системы автоматизированного
электропривода шахтного электровоза на основе использования вентильного двигателя
(
http://www.masters.donntu.ru/2006/fema/buryak/diss/index.htm)
5. Казачковський М. М. Комплектні електроприводи. – Дніпропетровськ, Обліково-видавн. 2003. – 224 с.
6. Майборода В. Н. Исследование сервоприводов на основе синхронных машин с постоянными магнитами
(
http://masters.donntu.ru/2008/eltf/mayboroda/diss/index.htm)
7. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. – СПб.: КОРОНА принт, 2001. – 320 с.
8. Коцегуб П. Х. Синтез вентильних приводів постійного струму. – Київ, ІЗМН, 1997. – 122 с.