1. Вступ


2. Загальна характеристика ВРД


3. Сучасний стан досліджень в області ВРД


4. Основні результати


5. Висновок


6. Перелік посилань

         Досягнення в галузі електричних машин, розвиток напівпровідникової і обчислювальної техніки визначили появу вентильних реактивних двигунів (ВРД), галузь застосування яких у регульованому електроприводі поступово розширюється поряд із синхронними і асинхронними машинами.

         Підвищений інтерес у цілому до регульованого електропривода пояснюється не тільки зростаючими вимогами до якості технологічних процесів, але й тим, що останнім часом все більшу актуальність набувають питання, пов'язані з енергозбереженням. Ефективне вирішення цих проблем у більшості випадків стає можливим тільки за умов використання регульованого електропривода.

         На сьогоднішній день у цій області відмічається витиснення електропривода на основі колекторних машин постійного струму і поступове збільшення потреби ринку в безконтактних регульованих електроприводах.

         Найчастіше в регульованому приводі застосовуються серійні асинхронні двигуни (АД). Однак ряд питань, пов'язаних зі зниженням коефіцієнта корисної дії (ККД) і необхідністю завищення встановленої потужності АД у частотно-регульованому приводі ставить перед дослідниками в цій області нові задачі. У цьому відношенні застосування електропривода на основі ВРД можна розглядати як альтернативу частотно-регульованому електроприводу.

         ВРД мають певні переваги в порівнянні з іншими типами електричних машин. До них відносять простоту конструкції електромеханічного перетворювача, високу надійність. По регулювальних характеристиках ВРД не поступаються колекторним машинам постійного струму і АД з частотним регулюванням. Це і обумовлює розширення галузі застосування ВРД і увагу до них з боку розробників.

         Дослідження в області ВРД ведуться в різних напрямках. Можна відзначити значні успіхи в математичному моделюванні процесів електромеханічного перетворення енергії у вентильних реактивних машинах. Однак питання, пов'язані з визначенням енергетичних характеристик ВРД з урахуванням втрат у сталі вимагають окремого розгляду. Це важлива задача з точки зору оцінки теплового стану, раціонального вибору електромагнітних навантажень, визначення граничних режимів роботи вентильних реактивних машин.

         Мета роботи полягає в розробці математичної моделі, що дозволяє визначати характеристики ВРД з урахуванням локального насичення зубцової зони двигуна, а також втрат в сталі.

         Задачі, розв'язувані в роботі:
- дослідження магнітного поля ВРД;
- визначення втрат в сталі від вихрових струмів;
- визначення гістерезисних втрат в ВРД;
- обчислення енергетичних характеристик ВРД.

         Передбачувана наукова новизна полягає в розробці методики визначення втрат в сталі ВРД, створенні і реалізації математичної моделі, що дозволяє визначати характеристики ВРД з урахуванням магнітних втрат.

         Плановані практичні результати полягають у визначенні енергетичних характеристик ВРД з урахуванням втрат в сталі і локального насичення зубцової зони.

         В основу принципа дії ВРД покладено використання реактивного обертаючого моменту. Електромеханічний перетворювач (ЕМП) ВРД має явнополюсну конструкцію статора і ротора із шихтованої сталі. На зубцях статора розміщені зосереджені обмотки фаз двигуна. Ротор виконується безобмотувальним. Обертаючий момент у ВРД створюється послідовними циклами комутації фаз двигуна. При цьому ротор у кожному циклі намагається зайняти таке положення, яке відповідає мінімальному опору магнітної системи двигуна магнітному потоку увімкненої фази. В цьому положенні енергія магнітного поля максимальна, а повітряний зазор мінімальний (рис. 1).

Рисунок 1 – Принцип дії ВРД (анімація: 8 кадрів, 8 повторів, 104 Кб)

         Принципово важливим для роботи ВРД є наявність визначника положення ротора (ВПР), силового напівпровідникового перетворювача (СНП) і пристрою управління (ПУ) (рис. 2).

Рисунок 2 – Структура ВРД

         ВРД може мати різну конфігурацію магнітної системи. Для її позначення використовують дріб, у чисельнику якої кількість полюсів статора Z_c, а в знаменнику – ротора Z_р. Існує наступний зв'язок між кількістю полюсів статора і ротора [1]:

Z_c = Z_р± 2k,

         где k = 1, 2, 3 – натуральний ряд чисел.
         У свою чергу кількість комутацій S, що приходяться на один оберт ротора, визначається кількістю фаз ВРД m і полюсів ротора Z_р [2]:

S = mZ_р.

         Таким чином, кількість полюсів статора і ротора ВРД різна. При комутації фаз двигуна ротор і вектор результуючого магнітного потоку статора Ф обертаються у протилежних напрямках. Більш строго, Ф не обертається, подібно тому, як це відбувається в машинах змінного струму, а послідовно займає в просторі дискретні положення. Причому кількість цих положень звичайно дорівнює Z_c/2, тому що напрям реактивного моменту не залежить від напряму протікання струму в обмотках, що використовується для зменшення кількості елементів СНП.

         Найбільш розповсюджені трифазні і чотирифазні двигуни з симетричним ротором 6/4, 8/6 і 12/8 [3]. Ці конфігурації показані на рис. 3.

         У ВРД 12/8 і 12/10 може використовуватися чотири котушки на фазу двигуна замість двох. У цьому випадку зменшується довжина середньої лінії магнітної індукції і відповідно втрати в сталі. Також це дозволяє зменшити амплітуди радіальних сил, що діють на полюси двигуна, знижуючи акустичний шум при роботі ВРД [4].

Рисунок 3 – Найбільш розповсюджені конфігурації магнітних систем ВРД: 6/4 (а), 8/6 (б), 12/8 (в)

         Процеси електромеханічного перетворення енергії в ЕМП ВРД неможливо розглядати незалежно від інших елементів його структурної схеми: ПУ безпосередньо керує цими процесами за допомогою СНП, а також зворотного зв'язка по кутовій координаті та частоті обертання від ВПР.

         Крім загальних вимог, які стосуються високої надійності і низької вартості, до всіх вузлів ВРД висуваються вимоги, обумовлені функціональним призначенням кожного елемента. Для ПУ це швидкодія. Використання мікропроцесорного управління замість «жорсткої» логіки надає більш широкі можливості для отримання заданих характеристик, дозволяє сполучати реалізацію складних алгоритмів керування, функцій захисту і самодіагностики.

         СНП призначений для комутації фаз ВРД. Перетворювач повинен забезпечувати ефективне здійснення алгоритмів управління, реалізованих ПУ, що досягається не тільки за рахунок схемних рішень, але і за допомогою сучасних напівпровідникових елементів. Основна особливість ЕМП полягає в тому, що напрям реактивного моменту не залежить від напряму протікання струму у фазах. Це дозволяє живити фази двигуна однополярним струмом, зменшуючи не тільки кількість елементів перетворювача, але й у цілому спрощуючи структуру всіх вузлів ВРД.

         ВПР використовується для визначення кута положення ротора, частоти обертання. Незважаючи на те, що можуть використовуватися різні конструкції ВПР всі вони повинні відповідати вимогам високої швидкодії і стабільності характеристик у широкому діапазоні зміни умов експлуатації.

         Патент на винахід електромагнітного двигуна був отриманий в 1838 році [3]. Незважаючи на те, що в основі цієї електричної машини було використання тих же принципів, вона досить віддалено нагадувала сучасні ВРД: комутація фаз здійснювалася за допомогою колектора, відрізнялася і конструкція магнітної системи. Однак недоліки такого двигуна стали очевидними вже на ранньому етапі: наявність колектора істотно знижувала надійність, а в електромагнітному моменті були присутні пульсації. Перш ніж ці недоліки були подолані пройшло більше півтора століття і в цьому визначальну роль зіграв розвиток напівпровідникової техніки, що дозволило відмовитися від застосування колектора, замінивши його на напівпровідниковий перетворювач. Використання сучасних мікропроцесорних пристроїв дозволяє успішно вирішувати задачі керування ВРД. Проте, питання, пов'язані з пульсаціями моменту, підвищеним акустичним шумом, бездатчиковими способами керування і ряд інших залишаються актуальними і на сьогоднішній день.

         ВРД – не єдина електрична машина, в якій використовується реактивний момент. Принцип дії синхронних реактивних і шагових двигунів також оснований на використанні реактивного обертаючого момента. Однак сихронні реактивні двигуни (СРД) отримують живлення безпосередньо від мережі змінного струму, що стає неможливим в умовах двосторонньої зубчатості ВРД, а також СРД мають відносно невисокі енергетичні і масогабаритні показники. Шагові двигуни застосовуються в пристроях автоматики і тому основні вимоги, які висуваються до них, стосуються в першу чергу точності відпрацьовування сигналів, а енергетичні показники відходять на другий план.

         Недоліком вентильних двигунів на постійних магнітах (ВДПМ) у порівнянні з ВРД є необхідність використання рідкоземельних магнітів, які істотно збільшують вартість електричної машини, і їхнє застосування при потужностях, більших за 25 кВт може стати недоцільним з економічної точки зору [2]. В [5] також вказується на те, що низька магнітна проникність постійних магнітів вимагає використання більшої магніторушійної сили для подолання опору магнітного кола, що у свою чергу стає причиною зниження ККД. Слід зазначити, що у випадку ВДПМ можуть виникати проблеми, пов'язані з розмагнічуванням магнітів, а також необхідністю використання спеціального технологічного устаткування для ремонту, але разом з тим у ВДПМ відсутні втрати на збудження.

         Основна перевага ВРД у порівнянні з АД полягає в відсутності обмотки на роторі і, отже, втрат в ній. ВРД вигідно відрізняється меншою потребою в активних матеріалах. Собівартість ЕМП виявляється в 1,7-2 рази нижчою за собівартості АД з короткозамкненим ротором [6]. АД може отримувати живлення безпосередньо від мережі змінного струму, але в цьому випадку можливості для регулювання виявляються обмеженими. Застосування перетворювачів частоти ставить АД і ВРД в один ряд. Але також необхідно враховувати і те, що при використанні звичайних серійних АД в частотному приводі на 5-6% зростають втрати через вищі гармоніки і потрібне завищення встановленої потужності [7]. Разом з тим для ВРД не достатньо використовувати тільки СНП - потрібен і зворотний зв'язок по кутовій координаті. Це обумовлює необхідність застосування датчика або бездатчикової системи визначення кута положення ротора.

         Таким чином, досить проста конструкція ЕМП обумовлює ряд переваг ВРД: відносно низька трудомісткість виготовлення, економія активних матеріалів до 30%, високі енергетичні і масогабаритні показники разом з високою надійністю [6].

         Цілий ряд фірм в світі займається виробництвом цих електричних машин. Спеціалізовані компанії існують у Японії, США, Великобританії, Швеції, Бельгії, Італії та інших країнах (Aisin Seiki, Emerson/SRDL, Elektro Magnetix Ltd, Emotron A/b, Picanol, Sicmemotori) [2]. Дослідження в цьому напрямку проводяться й в Україні. Необхідно відзначити дослідження в області ВРД з буферами енергії у Львівському національному технічному університеті [8], розробки ВРД і їх систем управління в Одеському національному технічному університеті [9], а також дослідження тягового електропривода на основі ВРД у Донецьком національному технічному університеті [10].

         Дослідження особливостей роботи вентильного реактивного двигуна при живленні від мережі змінного струму було виконано в рамках магістерської роботи Лужнєва А.І.

         Варто підкреслити, що дослідження ВРД проводяться в різних напрямках і не оминають жодного елемента структурної схеми ВРД. Щодо цього визначення енергетичних характеристик ВРД становить практичний інтерес, оскільки енергетичні показники можуть розглядатися як критерій ефективності різних конструктивних рішень і алгоритмів управління. Без визначення енергетичних характеристик не може бути вирішена задача раціонального вибору електромагнітних навантажень, оцінений тепловий стан ВРД.

         Перехід до обчислення енергетичних характеристик ВРД вимагає використання складної математичної моделі. Якщо втрати в міді можуть бути визначені за діючим значенням фазного струму, то розрахунок втрат в сталі – більш складна задача. Це пов'язане з тим, що магнітний потік ВРД має виражений несинусоїдальний характер і форма його кривої відрізняється для різних частин магнітної системи двигуна.

         У рамках математичної моделі ВРД для середніх значень, представленої в [8], при обчисленні втрат у сталі розглядаються тільки втрати від вихрових струмів, вплив вищих гармонік індукції враховується коефіцієнтом додаткових втрат.

         Автори [11] при обчисленні магнітних втрат у ВРД виходять з того, що основні втрати в сталі виділяються в ярмі статора і для їхньої оцінки використовується максимум потокозчеплення в циклі комутації.

         В [12] запропонована методика розрахунку втрат у сталі ВРД, яка базується на використанні схем заміщення магнітної системи двигуна. Для визначення магнітних втрат використовується розкладання в ряд Фур'є кривих індукції для різних частин магнітопроводу. Сумарні магнітні втрати розраховуються методом накладення для окремих гармонійних складових індукції з врахуванням розділення втрат від вихрових струмів і гістерезису. Використання методики розрахунку магнітних втрат на основі схем заміщення не дозволяє врахувати нерівномірність розподілу індукції на окремих ділянках магнітної системи. Разом з тим окремого аналізу вимагає вплив локального насичення зубцової зони на енергетичні характеристики ВРД, що не може бути повною мірою реалізовано в рамках описаного вище підходу.

         В [13] для розрахунку втрат у сталі ВРД використовуються метод кінцевих елементів (МКЕ). Індукція в різних частинах магнітної системи двигуна розраховується інтегруванням електрорушійної сили, індукованої в одновиткових котушках, розміщених на полюсах і ярмах статора і ротора кінцево-елементної моделі. Потім до отриманих кривих індукції також застосовується гармонійний аналіз і розрахунок сумарних магнітних втрат на основі принципу суперпозиції.

         Дослідження втрат в сталі СРД за допомогою МКЕ виконане в [14]. Основна відмінність викладеного підходу полягає в детальній дискретизації поперечного переріза двигуна, особливо зубцової зони статора і ротора, для обчислення магнітних втрат на окремих ділянках. Методика розрахунку втрат, яка використовується авторами, передбачає визначення втрат у сталі окремо для ортогональних складових вектора індукції на кожній з ділянок магнітної системи. Автори вважають, що такий метод може бути застосований для розрахунку магнітних втрат в електричних машинах, що мають несинусоїдальне збудження.

         Задача розрахунку втрат в сталі ускладнюються тим, що для окремих ділянок магнітної системи ВРД характер перемагнічування не є пульсаційним. Як приклад на рис. 4 наведені фрагменти векторних картин магнітного поля досліджуваного ВРД потужністю 130 Вт на ділянках ярем статора і ротора. Ці картини ілюструють складний характер перемагнічування окремих областей магнітної системи двигуна. З рис. 4 видно, що на окремих ділянках ярем статора і ротора має місце періодична зміна напрямку вектора магнітної індукції, що свідчить про наявність обертального перемагнічування. Аналогічні явища відбуваються в зонах локального насичення зубців при обертанні ротора. Таким чином, на тих ділянках магнітного кола, де існує тільки одна складова поля, яка змінюється в часі, має місце пульсаційне перемагнічування. На інших ділянках, де виникають дві різні по амплітуді пульсаційні складові, перемагнічування носить еліптичний характер.

Рисунок 4 – Фрагменти векторних картин магнітного поля при збудженні різних фаз ВРД: для області ярма статора (а) і (б), і ярма ротора (в) і (г)

         Магнітні втрати при еліптичному перемагнічуванні більші за втрати при пульсаційному перемагнічуванні і складно залежать від амплітуди індукції, причому гістерезисні втрати і втрати від вихрових струмів, викликані обертальним перемагнічуванням, залежать від неї по-різному [15]. Крім того, при наявності постійної складової гістерезисні втрати будуть істотно більшими, ніж при її відсутності [16]. В першому наближенні, збільшення втрат при еліптичному перемагнічуванні може бути враховане за допомогою поправочних коефіцієнтів, значення яких можна оцінити з експериментальних даних.

         Вирішення цих питань вимагає подальших теоретичних і експериментальних досліджень, розробки математичної моделі, яка дозволяє враховувати вплив форми кривої фазного струму ВРД на його енергетичні характеристики з урахуванням характеру перемагнічування ділянок магнітного кола і локального насичення зубцової зони.

         Для дослідження характеристик ВРД широко застосовується математичне моделювання. Виділяються два підходи в методах визначення характеристик магнітної системи двигуна і їхньому описі. В рамках першого підходу використовується аналіз схем заміщення магнітної системи двигуна [17]. Ґрунтуючись на припущенні про рівномірність розподілу індукції по поперечному перерізу окремих ділянок магнітного кола двигуна, даний підхід не дозволяє повною мірою врахувати локальне насичення зубцової зони. Досить перспективним є другий підхід, який передбачає розрахунок магнітної системи ВРД польовим методом, зокрема МКЕ.

         Математичний опис характеристик магнітної системи також відіграє досить важливу роль. Щодо цього також виділяються два напрямки. В рамках першого використовують процедуру сплайнової інтерполяції [18]. Недолік даного підходу полягає в тому, що він обмежує можливість застосування аналітичних методів для аналізу процесів електромеханічного перетворення енергії у ВРД. У рамках другого напрямку використовується аналітичний опис отриманих характеристик.

         За допомогою МКЕ в плоскопаралельній постанові задачі розрахунку магнітного поля було отримане сімейство кривих провідностей магнітної системи ВРД потужністю 130 Вт, яке показане на рис. 5 у вигляді поверхні. Ця поверхня наочно ілюструє зміну магнітної провідності у функції двох змінних: струму й кута положення ротора.

Рисунок 5 – Поверхня провідностей магнітної системи досліджуваного ВРД

         Для апроксимації цих залежностей використовувався вираз, оснований на косинусоїдальній зміні магнітної провідності від кута положення ротора:

        где Λ_max(i) - залежність провідності магнітної системи для положення «зубець-зубець» від струму фази;
Λ_min - мінімальне значення провідності, яке відповідає положенню «зубець-паз»;
θ - кут поміж вісями полюсів статора і ротора;
Z_р - кількість полюсів ротора.
        Залежність Λ_max(i) апроксимувалася виразом:

        где Ψ₁, I₁ - потокозчеплення і струм відповідно в точці сполучення лінійної і нелінійної ділянок апроксимуємої кривої намагнічування для положення «зубець-зубець»;
w - кількість витків в обмоці фази ВРД;
a₁, a₂ - коефіцієнти апроксимації;
i - струм фази ВРД.
        Відповідно до теорії електромеханічного перетворення енергії отримано аналітичний вираз для електромагнітного момента ВРД:

         На рис. 6 наведені криві електромагнітного моменту для розглянутого двигуна, розраховані за виразом (1) (показані суцільними лініями), а також електромагнітний момент, отриманий за допомогою тензора натягу в програмі FEMM (показаний штриховими лініями) [19].

Рисунок 6 – Залежність електромагнітного момента ВРД від кута положення ротора

         З рис. 6 видно, що точність апроксимації погіршується при кутах положення ротора близьких до узгодженого і неузгодженого. Це пояснюється тим, що реальна форма кривих провідності відрізняється від косинусоїдальної.

         Отриманий вираз (1) дозволяє обчислювати статичний електромагнітний момент ВРД і може застосовуватися при оптимізації енергетичних процесів за цикл комутації. У рамках даної роботи передбачається виконати дослідження енергетичних характеристик ВРД з врахуванням локального насичення зубцової зони.

1. Голландцев Ю.А. Уравнения вентильного индукторно-реактивного двигателя при одиночной коммутации фаз // Электротехника. 2003. № 7. С.45–51.
2. Miller T.J.E. Optimal Design of Switched Reluctance Motors // IEEE transactions on industrial electronics. 2002. Vol. 49, № 1. P.15–27.
3. Matveev A. Development of methods, algorithms and software for optimal design of switched reluctance drives: PROEFSCHRIFT ter verkrijging van de graad van doctor. – Eindhoven, 2006. – 248 p.
4. Кузнецов В.А., Садовский Л.А., Виноградов В.Л., Лопатин В.В. Особенности расчета индукторных двигателей для вентильного электропривода // Электротехника. 1998. № 6. С.35–43.
5. Шабаев В.А. Анализ критериев технико-экономического оптимума применения вентильно-индукторных двигателей // Электротехника. 2008. № 4. С.44–51.
6. Ильинский Н.Ф. Перспективы применения вентильно – индукторного электропривода в современных технологиях // Электротехника. 1997. № 2. С.1–3.
7. Беспалов В.Я. Перспективы создания отечественных электродвигателей нового поколения для частотно-регулируемого электропривода // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2006. № 3.
8. Ткачук В.И. Расчет статических характеристик вентильного реактивного двигателя // Електромашинобудування та електрообладнання. 1998. № 51. С.63–67.
9. Радимов И.Н., Рымша В.В. Влияние параметров коммутации на характеристики вентильно-реактивного электропривода // [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.blpm-motors.com/articles/Angle_SRM.pdf
10. 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.
11. Никифоров Б.В., Цветков А.А. Исследования вентильного индукторного двигателя в составе насосного агрегата // Электротехника. 2007. № 6. С.24–33.
12. Nakamura K., Fujio S., Ichinokura O. A Method for Calculating Iron Loss of an SR Motor Based on Reluctance Network Analysis and Comparison of Symmetric and Asymmetric Excitation // IEEE transactions on magnetics. 2006. Vol. 42, № 10. P.3440–3442.
13. D’hulster F., Stockman K., Desmet J., Belmans R. Advanced nonlinear modelling techniques for switched reluctance machines // Proceedings of the IASTED International Conference on Modelling, Simulation and Optimization. 2003. P.44–51.
14. Hudak P., Hrabovcova V., Rafajdus P., Mihok J. Core loss analysis of the reluctance synchronous motor with barrier rotors // Journal of electrical engineering. 2004. Vol. 55, № 9–10. P.273–276.
15. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 928 с.
16. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. – М.: Энергия, 1981. – 392 с.
17. Bekkouche B., Chaouch A., Mezari Y. A switched reluctance motors analyse using permeance network method // International Journal of Applied Engineering Research. 2006. Vol. 1, № 2. P.137–152.
18. Кузнецов В.А., Матвеев А.В. Дискретная математическая модель вентильно-индукторного двигателя // Электричество. 2000. № 8. С.22–27.
19. Finite element method magnetics // [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://femm.foster-miller.net

         Примітка:

         При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2009 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.