Регулировочная характеристика вентильного двигателя

Элементы теории вентильного привода

Определение вентильного двигателя

Обозначение в зарубежной литературе

Конструкция

Статор

Ротор

В зависимости от количества магнитов, расположенных в поперечном сечении ротора двигатель будет иметь то или иное количество полюсов.

В погружных вентильных электродвигателях используемых в нефтяной отрасли ротор содержит постоянные магниты. Как правило погружные ВД выпускаются 8-ми и 4-х полюсными.

При одной и той же частоте вращения электромагнитного поля статора, частота вращения вентильного электродвигателя с большим количеством пар полюсов будет меньше. Так, если скорость вращения 8-ми полюсного электродвигателя 1500 об/мин, то 4-х полюсный при той же частоте поля будет вращаться с частотой 3000 об/мин.

Принцип работы

Принцип работы вентильного электродвигателя

Здесь, одно из ключевых отличий вентильного (синхронного) и асинхронного двигателей.

Принцип работы асинхронного электродвигателя

Его ротор представляет собой обмотку с короткозамкнутыми витками , по виду напоминающую беличью клетку прутья которой — стержни с торцов соединенные кольцами.

Вращающееся электромагнитное поле статора наводит в роторе ЭДС, в стержнях ротора начинает течь ток, в результате чего возникает магнитное поле, которое и заставляет вращаться ротор вслед за магнитным полем, создаваемым статором. Именно то, что поле статора движется относительно ротора является условием возникновения электромагнитного поля в роторе. Если ротор заставить вращаться с той же скоростью, что и магнитное поле, создаваемое статором, то ЭДС в роторе наводится не будет! Таким образом скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда меньше скорости вращения поля.

Синхронный же двигатель не требует возбуждения ЭДС ротора от магнитного поля, создаваемого статором, магнитное поле здесь уже присутствует без его участия. Поэтому ротор синхронного электродвигателе вращается строго с частотой поля, создаваемого обмотками статора. Если установить частоту вращения синхронного двигателя равной 3000 об/мин, то это значит, что и магнитное поле двигателя, создаваемого обмотками статора равна 3000 об/мин. Частота вращения асинхронного двигателя в тех же условиях будет 2910 об/мин.

Система управления вентильным электродвигателем

Инвертором в данном случае называют электронную систему, осуществляющую подачу напряжения, частота которого не зависит от частоты питающего напряжения на обмотки электродвигателя.

Инвертором оснащаются не только синхронные (вентильные) электродвигатели, но асинхронные — там где требуется регулирование частоты вращения.

Существуют два основных подхода (принципа) в управлении вентильными электродвигателями:

  • 1. Управления коммутацией (6-ти пульсное управление);
  • 2. Векторное управление.

Управление коммутацией

И еще раз обратим ваше внимание! Не частота вращения ротора изменяется от частоты вращения поля, а поле подстраивается под частоту вращения ротора. Инвертор регулирует частоту вращения ротора изменяя ток и/или напряжение коммутируемое к обмоткам.

Определение положения ротора

Для определения положения ротора существуют различные методы:

  • при помощи датчиков (например датчика Холла);
  • бездатчиковый.

В погружных вентильных электродвигателях используется бездатчиковый метод определения положения ротора, т.к. применение датчиков в данном случае невозможно в силу специфики эксплуатации.

В бездатчиковом методе при вращении двигателя определение положение ротора осуществляется по значению ЭДС, наводимой в свободной фазе (к которой в данной момент не подводится питающее напряжение) обмотки статора. При движении ротора ЭДС в свободной фазе меняется и переход ее через 0 является «отметкой» положения ротора.

При таком методе управления в обмотках статора течет ток по форме близкий к трапецеидальному.

Данный способ управления характеризует простота и надежность, что позволяет управлять вентильным электродвигателем не только на коротких расстояниях, но и на длинных линиях — сотни метров и даже километры, что актуально для нефтяного погружного оборудования.

Векторное управление

Метод позволяет очень точно управлять электродвигателем. Метод наиболее ресурсоемкий в плане математических вычислений, однако развитие микропроцессорной техники позволяет компенсировать это. Применение его на коротких линиях очень эффективно, однако использование на длинных линиях ставит перед разработчиками множество преград, решение которых — нетривиальная задача.

Источник

Вентильный двигатель

Машины постоянного тока, как правило, имеют более высокие технико-экономические показатели (линейность характеристик, высокий КПД, малые габариты и пр.), чем машины переменного тока. Существенный недостаток — наличие щеточного аппарата, который снижает надежность, увеличивает момент инерции, создает радиопомехи, взрывоопасность и т.д. Поэтому, естественно, актуальна задача создания бесконтактного (бесколлекторного) двигателя постоянного тока.

Читайте также:  От датчика скорости зависит работа двигателя

Решение этой задачи оказалось возможным с появлением полупроводниковых приборов. В бесконтактном двигателе постоянного тока, именуемом вентильным двигателем постоянного тока , щеточный аппарат заменен полупроводниковым коммутатором, якорь неподвижен, ротор представляет собой постоянный магнит.

Принцип работы вентильного двигателя

Под вентильным двигателем понимают систему регулируемого электропривода, состоящую из электродвигателя переменного тока, конструктивно подобного синхронной машине, вентильного преобразователя и устройств управления, обеспечивающих коммутацию цепей обмоток электродвигателя в зависимости от положения ротора двигателя. В этом смысле вентильный двигатель подобен двигателю постоянного тока, в котором посредством коллекторного коммутатора подключается тот виток обмотки якоря, который находится под полюсами возбуждения.

Вентильный двигатель постоянного тока представляет собой сложное электромеханическое устройство, в котором сочетаются простейшая электрическая машина и электронная система управления.

Двигателям постоянного тока присущи серьезные недостатки, обусловленные, главным образом, наличием щеточно-коллекторного аппарата:

1. Недостаточная надежность коллекторного аппарата, необходимость его периодического обслуживания.

2. Ограниченные величины напряжения на якоре и, следовательно, мощности двигателей постоянного тока, что ограничивает их применение для высокоскоростных приводов большой мощности.

3. Ограниченная перегрузочная способность двигателей постоянного тока, ограничение темпа изменения тока якоря, что существенно для высокодинамичных электроприводов.

В вентильном двигателе указанные недостатки не проявляются, поскольку здесь щеточно-коллекторный коммутатор заменен бесконтактным коммутатором, выполненным на тиристорах (для приводов большой мощности) или на транзисторах (для приводов мощностью до 200кВт). Исходя из этого, вентильный двигатель, который конструктивно выполняется на базе синхронной машины, часто называют бесконтактным двигателем постоянного тока.

По управляемости вентильный двигатель также подобен двигателю постоянного тока — его скорость регулируется изменением величины подводимого постоянного напряжения. Благодаря своим хорошим регулировочным качествам вентильные двигатели получили широкое применение для привода различных роботов, металлорежущих станков, промышленных машин и механизмов.

Электропривод по системе транзисторный коммутатор-вентильный двигатель с постоянными магнитами

Вентильный двигатель рассматриваемого типа выполнен на базе трехфазной синхронной машины с постоянными магнитами на роторе. Трехфазные обмотки статора питаются постоянным током, подаваемым поочередно в две последовательно соединенные фазные обмотки. Переключение обмоток производится транзисторным коммутатором, выполненным по трехфазной мостовой схеме. Транзисторные ключи открываются и закрываются в зависимости от положения ротора двигателя. Схема вентильного двигателя представлена на рис.1.

Рис.1. Схема вентильного двигателя с транзисторным коммутатором

Момент, создаваемый двигателем, определяется взаимодействием двух потоков:

• статора, создаваемого током в обмотках статора,

• ротора, создаваемого высокоэнергетическими постоянными магнитами (на основе сплавов самарий-кобальт и других).

где: θ — пространственный угол между векторами потоков статора и ротора; рп — число пар полюсов.

Магнитный поток статора стремится повернуть ротор с постоянными магнитами, так, чтобы поток ротора совпал по направлению с потоком статора (вспомним магнитную стрелку, компаса).

Наибольший момент, создаваемый на валу ротора, будет при угле между векторами потоков равным π/2 и будет уменьшаться до нуля по мере сближения векторов потоков. Эта зависимость показана на рис.2.

Рассмотрим пространственную диаграмму векторов потоков, соответствующую двигательному режиму (при числе пар полюсов pn=1). Предположим, что в данный момент включены транзисторы VT3 и VT2, (см. схему рис.1). Тогда ток проходит через обмотку фазы В и в обратном направлении через обмотку фазы А. Результирующий вектор м.д.с. статора будет занимать в пространстве положение F3 (см.рис.3).

Если ротор занимает в этот момент положение, показанное на рис.4., то двигатель будет развивать в соответствии с 1 максимальный момент, под действием которого ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. По мере уменьшения угла θ момент будет уменьшаться. Когда ротор повернется на 30° необходимо в соответствии с графиком на рис.2. переключить ток в фазах двигателя, так, чтобы результирующий вектор м.д.с. статора занял положение F4 (см. рис.3). Для этого нужно отключить транзистор VT3 и включить транзистор VT5.

Переключение фаз выполняет транзисторный коммутатор VT1-VT6, управляемый от датчика положения ротора DR; при этом угол θ поддерживается в пределах 90°±30°, что соответствует максимальному значению момента с наименьшими пульсациями. При рn=1 за один оборот ротора должно быть произведено шесть переключений, благодаря которым м.д.с. статора совершит полный оборот (см. рис.3). При числе пар полюсов больше единицы поворот вектора м.д.с. статора, а, следовательно, и ротора, составит 360/рn градусов.

Читайте также:  Как сделать защиту на двигатель 21 10 готово

Рис.2. Зависимость момента двигателя от угла между векторами потоков статора и ротора (при рn=1)

Рис.3. Пространственная диаграмма м.д.с. статора при переключении фаз вентильного двигателя

Рис.4. Пространственная диаграмма потоков в двигательном режиме

Регулирование величины момента производится изменением величины м.д.с. статора, т.е. изменением средней величины тока в обмотках статора

где: R1 — сопротивление обмотки статора.

Поскольку поток двигателя постоянен, то э.д.с. Ея, наводимая в двух последовательно включенных обмотках статора будет пропорциональна скорости ротора. Уравнение электрического равновесия для цепей статора будет

При отключении ключей ток в обмотках статора мгновенно не исчезает, а замыкается через обратные диоды и фильтровый конденсатор С.

Следовательно, регулируя напряжение питания двигателя U1, можно регулировать величину тока статора и момента двигателя

Нетрудно заметить, что полученные выражения подобны аналогичным выражениям для двигателя постоянного тока, вследствие чего механические характеристики вентильного двигателя в данной схеме подобны характеристикам двигателя постоянного тока независимого возбуждения при Ф=const.

Изменение напряжения питания вентильного двигателя в рассматриваемой схеме производится методом широтно-импульсного регулирования. Изменяя скважность импульсов транзисторов VT1-VT6 в периоды их включенного состояния, можно регулировать среднюю величину напряжения, подаваемого на обмотки статора двигателя.

Для осуществления режима торможения алгоритм работы транзисторного коммутатора должен быть изменен таким образом, чтобы вектор м.д.с. статора отставал от вектора потока ротора. Тогда момент двигателя станет отрицательным. Поскольку на входе преобразователя установлен неуправляемый выпрямитель, то рекуперация энергии торможения в данной схеме невозможна.

При торможении происходит подзаряд конденсатора фильтра С. Ограничение напряжения на конденсаторах осуществляется путем подключения разрядного сопротивления через транзистор VT7. Таким образом, энергия торможения рассеивается в разрядном сопротивлении.

Источник

Управление вентильным электродвигателем

Слово «вентильный» в названии двигателя происходит от слова «вентиль», обозначающего полупроводниковый ключ. Таким образом, привод в принципе можно назвать вентильным, если режим его работы регулируется специальным преобразователем на управляемых полупроводниковых ключах.

Непосредственно вентильный привод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из синхронной машины с постоянными магнитами на роторе и электронного коммутатора (при помощи которого питаются обмотки статора) с системой автоматического управления на базе датчиков.

В тех многочисленных областях техники, где раньше традиционно устанавливали асинхронные двигатели или машины постоянного тока, сегодня часто можно встретить именно вентильные двигатели, поскольку магнитные материалы дешевеют, а база силовой полупроводниковой электроники и систем управления очень быстро развивается.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе отличаются рядом преимуществ:

нет щеточно-коллекторного узла, поэтому ресурс двигателя больше, а надежность его выше, чем у машин со скользящими контактами, к тому же диапазон рабочих скоростей выше;

широкий диапазон питающих напряжений обмоток; допускается значительная перегрузка по моменту — более 5 раз;

высокая динамика момента;

возможна регулировка скорости с сохранением момента на низких скоростях или с сохранением мощности на высоких скоростях;

минимальные потери на холостом ходу;

небольшие массогабаритные характеристики.

Магниты состава «неодим-железо-бор» вполне способны создавать индукцию в зазоре порядка 0,8 Тл, то есть на уровне асинхронных машин, причем основные электромагнитные потери в таком роторе отсутствуют. Значит линейная нагрузка на ротор может быть повышена без повышения общих потерь.

Этим и обуславливается более высокая электромеханическая эффективность вентильных двигателей по сравнению с другими бесколлекторными машинами, например с асинхронными двигателями. По этой же причине вентильные двигатели занимают сегодня достойное место в каталогах ведущих зарубежных и отечественных производителей.

Управление ключами инвертора вентильного электродвигателя традиционно выполняется в функции положения его ротора. Высокие эксплуатационные характеристики, достигаемые таким образом, делают вентильный привод весьма перспективным в диапазоне малых и средних мощностей для систем автоматики, станков, роботов, манипуляторов, координатных устройств, линий обработки и сборки, систем наведения и слежения, для авиации, медицины, транспорта и т.д.

В частности, выпускаются тяговые дисковые вентильные двигатели мощностью более 100 кВт для городского электротранспорта. Здесь применяются магниты «неодим-железо-бор» с легирующими добавками, увеличивающими коэрцитивную силу и повышающими рабочую температуру магнитов до 170°С, чтобы мотор мог легко выдерживать кратковременные пятикратные перегрузки по току и по моменту.

Читайте также:  Низкие обороты двигателя значение

Приводы рулевого управления подводных, наземных и летательных аппаратов, мотор-колеса, стиральные машины — много где сегодня находят полезное применение вентильные двигатели.

Вентильные двигатели бывают двух видов: постоянного тока (BLDC — brushless DC) и переменного тока (PMAC — permanent magnet AC). В двигателях постоянного тока трапециевидная ЭДС вращения в обмотках обусловлена расположением магнитов ротора и обмоток статора. В двигателях переменного тока ЭДС вращения синусоидальная. В рамках данной статьи мы поговорим об управлении вентильными двигателями очень распространенного вида — BLDC (постоянного тока).

Вентильный двигатель постоянного тока и принцип управления им BLDC моторы отличает наличие полупроводникового коммутатора, выступающего вместо щеточно-коллекторного узла, свойственного машинам постоянного тока с обмоткой на статоре и с магнитным ротором.

Переключение коммутатора вентильного мотора происходит в зависимости от текущего положения ротора (в функции положения ротора). Чаще всего обмотка статора трехфазная, такая же как у асинхронного двигателя с соединением звездой, а конструкция ротора с постоянными магнитами может быть различной.

Движущий момент в BLDC образуется в результате взаимодействия магнитных потоков статора и ротора: магнитный поток статора все время стремится как бы развернуть ротор в такое положение, чтобы магнитный поток установленных на нем постоянных магнитов совпал по направлению с магнитным потоком статора.

Аналогичным образом магнитное поле Земли ориентирует стрелку компаса — оно разворачивает ее «по полю». Датчик положения ротора позволяет сохранить угол между потоками постоянным на уровне 90±30°, в таком положении вращающий момент оказывается максимальным.

Полупроводниковый коммутатор для питания обмоток статора BLDC – это управляемый полупроводниковый преобразователь с жестким алгоритмом 120° коммутации напряжений или токов трех рабочих фаз.

Пример функциональной схемы силовой части преобразователя с возможностью генераторного торможения приведен на рисунке выше. Здесь инвертор с амплитудно-импульсной модуляцией выхода выполнен на IGBT-транзисторах, причем амплитуда регулируется благодаря широтно-импульсной модуляции на промежуточном звене постоянного тока.

Вообще для данной цели используются: тиристорные преобразователи частоты с автономным инвертором напряжения или тока с управлением по питанию и транзисторные преобразователи частоты с автономным инвертором напряжения с управлением в режиме ШИМ или с релейным регулированием тока на выходе.

В итоге электромеханические характеристики двигателя получаются аналогичными традиционным машинам постоянного тока с магнитоэлектрическим или независимым возбуждением, потому системы управления BLDC и строятся по классическому принципу подчиненного регулирования координат привода постоянного тока с контурами частоты вращения ротора и тока статора.

В качестве датчика для правильной работы коммутатора может применяться емкостной либо индуктивный дискретный сенсор, согласованный с мотором по полюсам, или система на базе датчиков Холла с постоянными магнитами.

Так или иначе, наличие датчика часто усложняет конструкцию машины в целом, к тому же в некоторых применениях датчик положения ротора вообще невозможно установить. Поэтому нередко на практике прибегают к использованию «бездатчиковых» систем управления. Алгоритм «бездатчикового» управления (sensorless) основывается на анализе данных прямо с клемм преобразователя и текущей частоты ротора или питания.

Наиболее популярный «бездатчиковый» алгоритм основан на вычислении ЭДС для одной из отключенных от питания в данный момент фаз двигателя. Фиксируется переход ЭДС отключенной фазы через ноль, определяется сдвиг в 90°, вычисляется момент времени, на который должна прийтись середина следующего токового импульса. Преимущество этого способа заключается в его простоте, однако есть и недостатки: на малых скоростях определить момент перехода через ноль достаточно непросто; задержка окажется точной только при постоянной скорости вращения.

Между тем, для более точного управления применяют усложненные методы оценки положения ротора: по потокосцеплению фаз, по третьей гармонике ЭДС на обмотках, по изменениям индуктивностей фазных обмоток.

Рассмотрим пример с наблюдением за потокосцеплениями. Известно, что пульсации момента BLDC при питании двигателя прямоугольными импульсами напряжения, достигают 25%, что приводит к неравномерности вращения, создает ограничение для регулировки скорости снизу. Поэтому в фазах статора при помощи замкнутых контуров регулирования формируются токи близкие по форме к прямоугольным.

Источник

Adblock
detector