ДонНТУ
Портал магістрів ДонНТУ
Простота керування двигуном постійного струму обумовлювала донедавна його переважне застосування в регульованому електроприводі.
Слабкою ланкою в цьому приводі є сам двигун, дорогий у
виготовленні через складність колектора і потреби в дефіцитному матеріалі – міді, що володіє підвищеної інерційністю й обмеженою перевантажувальною здатністю.
Кращі динамічні і вартісні показники мають асинхронні і синхронні двигуни,
а також двигуни індукторного і вентильно-индукторного типів. Якщо цим двигунам за допомогою керованих напівпровідникових засобів
додати властивості бесколлекторного двигуна постійного струму,
то можуть бути використані прості структури керування електропривода постійного струму,
що забезпечують високі регулювальні властивості і динамічні показники [1].
Вентильний двигун – двигун, у якому комутація секцій (фаз) обмотки статора (якоря) здійснюється за допомогою напівпровідникового комутатора, керованого сигналами, що дозволяють виявити положення ротора стосовно статора [2].
ВД володіють багатьма конструктивними і технікоексплуатаційними перевагами, стосовно існуючих типів електричних машин:
- відсутність вузлів, що вимагають техобслуговування – безколекторна машина;
- забезпечення вибухобезпеки;
- велика перевантажувальна здатність по моменту;
- висока швидкодія, можливість оптимізації режимів роботи за швидкістю і навантаженню;
- найвищі енергетичні показники;
- висока надійність і підвищений ресурс роботи;
- низький перегрів електродвигуна, при роботі в режимах з можливими перевантаженнями.
Таким чином, переваги ВД з електронними системами керування поєднують у собі кращі якості безконтактних двигунів
і двигунів постійного струму, а часто і перевершують їх.
У зв`язку з цими перевагами ВД потроху витісняють двигуни постійного струму з традиційних їм сфер застосування.
Сучасні ВД реалізуються на основі синхронних машин із збудженням від постійних магнітів. Залежно від конструктивних особливостей СДПМ
розрізняють два основні види вентильних двигунів:
1. Безконтактні (безщіткові) двигуни постійного струму (БДПС), в англомовній літературі звані "Brushless DC motors",
в яких конструкція синхронної машини магнітоелектричного збудження, тобто геометричне розташування витків обмотки якоря на статорі і постійних магнітів на роторі,
обумовлює фазні ЕРС обертання трапецієдальної форми .
2. Безконтактні двигуни змінного струму – "Permanent-magnet brushless AC motors", фазні ЕДС, обертання яких мають
синусоїдальний характер. Саме такі системи найчастіше називають вентильними двигунами – ВД.
Безконтактні двигуни постійного струму
За принципом дії БДПС є оберненою машиною постійного струму з магнітоелектричним індуктором на роторі і обмоткою якоря на статорі,
функції щітково-колекторного вузла в якій виконує напівпровідниковий комутатор, що живить обмотку якоря і що перемикається у функції положення ротора.
Найчастіше використовуються БДПС з трифазною обмоткою на статорі. Статор трифазного БДПС ідентичний статору асинхронного двигуна.
Момент БДПС утворюється унаслідок реакції двох магнітних потоків – статора і ротора. Магнітний потік статора
завжди прагне так розвернути ротор з постійними магнітами, щоб потік останнього збігся з ним по напряму. При цьому за допомогою датчика
положення ротора електричний кут між двома потоками в БДПС завжди зберігається в діапазоні 90±30o, що відповідає максимальному моменту, що обертає.
Для живлення обмотки якоря БДПС принципово може застосовуватися будь-який керований напівпровідниковий перетворювач,
що реалізовує жорсткий алгоритм 120-градусної комутації струмів або напруги трифазного навантаження.
Механічні і електромеханічні (швидкісні) характеристики БДПС повністю аналогічні характеристикам класичної
машини постійного струму з незалежним або магнітоелектричним збудженням.Тому і системи автоматичного управління швидкістю БДПС зазвичай
будуються за класичним принципом підпорядкованого регулювання координат електроприводу постійного струму з контурами струму якоря і частоти обертання.
Вентильні двигуни змінного струму
Синхронні двигуни з синусоїдальною формою ЕРС обертання і, відповідно, з синусоїдально розподіленими по розточуванню статора трифазними
обмотками якоря складніше у виготовленні, мають значні лобові частини обмоток і вимагають, таким чином, більшої витрати міді.
Проте вони перевершують БДПС за масогабаритними показниками, забезпечують мінімальні пульсації моменту, що обертає, і тому
використовуються в глибоко регульованих і прецизійних системах електроприводу, приводах подач металоріжучих верстатів
і вимірювальних установках.
На відміну від БДПС, живлення обмотки якоря ВД змінного струму здійснюється трифазно-симетричною системою струмів (напруги),
при цьому використовується та,
що стала вже стандартною силова схема перетворювача електричної енергії на базі транзисторного IGBT-інвертора напруги .
Завдяки управлінню транзисторами інвертора в режимі модифікованої синусоїдальної або просторово-векторної широко-імпульсної модуляції (ШІМ) з відносно
високими частотами (для двигунів малої і середньої потужності
з номінальною частотою живлення 50 Гц частоти ШИМ можуть складати від 1 до 20 кГц) забезпечується близька до синусоїдальної форма струмів ВД [3].
При дослідженні режимів роботи в електричних машинах, що обертаються, доцільно використовувати координатну систему,
жорстко пов'язану з ротором. Оскільки ротор досліджуваної машини володіє магнітною асиметрією, тобто різною магнітною
провідністю в двох взаємно перпендикулярних осях, просторові вектори розкладатимуться на дві складові.
У напрямі подовжній (d) і поперечній (q) осях, причому напрям осі d береться за речову вісь,
а q – за уявну [4].
Рівняння, що описує електричну частину вентильної машини в координатній системі d, q,
що обертається із швидкістю ротора 
,
з врахуванням відсутності роторних обмоток може бути складено на основі 2-го закону Кірхгофа:
(1) де 
– результуючий вектор напруги на обмотці статора;
– активний опір та повна
індуктивність фази статора;
– вектор потока машини;
– падіння напруги, обумовлене потоком розсіяння статора;
– падіння напруги, обумовлене потоком розсіяння статора, котрий створюється збудженням ротора.
Враховуючи, що вектор 
збігається з напрямом осі q, розкладаючи у вираженні (1) вектора на частини,
що діють і уявні, по осях d, q, отримуємо систему рівнянь:
(2) Момент двигуна, що обертає, враховуючи збіги напряму вектора 
з віссю магнітного поля ротора d, можна записати таким чином:
(3) Умова механічної рівноваги описується виразом:
(4) де 
приведений момент інерції механічної системи;
M – електромагнітний момент, що розвивається вентильним двигуном;
Мс – момент опору на валу двигуна.
Поєднуючи вирази (2), (3), (4), отримуємо систему рівнянь, що описує роботу
вентильної машини.
Спростимо запис рівнянь, скориставшись оператором Лапласа, змінивши –
. Після перетворень можемо отримати:
(5) 
– стала часу двигуна.
При побудові автоматизованого електропривода на основі
ВД використовується принцип двоконтурного підпорядкованого регулювання швидкості обертання.
Зміна частоти обертання ВД досягається зміною подводимої до двигуна напруги
в режимі широтно-імпульсного регулювання.
Функціональна схема системи регулювання швидкості ВД показана на рис.1
Як видно, структура САР ВД ідентична структурі колекторного двигуна постійного струму.
Вона складається з двох контурів: внутрішнього – контуру струму і зовнішнього – контуру швидкості. На вході
контуру швидкості встановлений задавач інтенсивності ЗІ, що формує сигнал пропорційний лінійній зміні напруги
в процесі розгону і гальмування. Стабілізація струму відбувається за допомогою регулятора струму РС і датчика струму ДС.
Розсереджувач імпульсів РІ формує сигнали керування ключами,одержуючи широтно-модульований синал від регулятора струму РС.
У залежності від положення ротора РІ підключає ту чи іншу пару фаз [5].
Для дослідження процесів в приводі на основі ВД була розроблена його математична модель.
При побудові математичної моделі ВД і електроприводу приймається наступний ряд допущень: трифазна вентильна машина електрично симетрична, втрати в сталі не враховуються; реакція якоря вважається незначною при впливі на магнітний потік у вентильній машині; перетворювач частоти ідеалізується (передбачається, що силові транзисторні ключі мають нескінченно великий вхідний опір в закритому стані, а у відкритому стані складає опір підключеному якірному ланцюгу).
Модель для дослідження замкненої системи регулювання має вид:
В результаті досліджень були отримані графіки перехідних
процесів, які представлені на рис.3.
Аналізуючи дані графіки,можно зробити висновок про те, що система достатньо точно відпрацьовує завдання за швидкістю.
Наступною задачею для мене є побудова та дослідження системи двухзонного регулювання швидкості ВД, а також проведення експериментальних досліджень за допомогою лабораторного стенда, який з`явився на кафедрі.
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.