Вентильный двигатель как генератор

Вентильные реактивные электродвигатели / генераторы (Switched Reluctance Motors / Generators)

Современный уровень развития регулируемых электроприводов в значительной степени определяется достижениями в области силовой полупроводниковой техники: созданием IGBT и MOSFET транзисторов для коммутации силовых электрических цепей. Это позволило специально для систем электропривода создать электрическую машину нового типа c электронной коммутацией фазных обмоток якоря и получившую название SRM (ближайший перевод на русский язык — машина с модуляцией магнитной проводимости). В качестве рабочего термина нами используется вентильный реактивный электродвигатель (ВРД) / генератор (ВРГ) или вентильный реактивный индукторный электродвигатель / генератор.

ВРД следует отличать от синхронного реактивного электродвигателя (СРД), который работает при синусоидально изменяющихся напряжениях, подаваемых на фазы его обмотки якоря без обратной связи по положению ротора, при этом СРД обладает низким КПД.

Электрическая машина типа ВРД устроена проще, чем традиционные машины переменного тока — синхронная и асинхронная, она более технологична и менее материалоемка, что создает предпосылки для достижения высоких показателей надежности, экономичности, низкой стоимости и стойкости ее к воздействиям окружающей среды. Впервые в системе управляемого электропривода удается сбалансировать показатели эффективности электронной управляющей части и электромеханического преобразователя машины.

Появление и развитие электроприводов нового типа означает конец эры коллекторных электрических машин, применение которых в разрабатываемых системах электропривода становится анахронизмом. Даже асинхронная машина, повсеместное распространение которой было обусловлено простотой конструкции и надежностью, уступает по этим параметрам ВРД.

Рис. 1. Структурная схема управлением

Конструктивно электропривод состоит из микропроцессорного блока управления, электронного коммутатора и электромеханического преобразователя (ЭМП). Электромеханический преобразователь обеспечивает преобразование электрической энергии, поступающей от электронного коммутатора, в механическую или осуществляет обратное преобразование механической энергии в электрическую. Микропроцессорный блок управления формирует сигналы коммутатора, который генерирует импульсное напряжение питания ЭМП в зависимости от сигналов, поступающих от датчика положения ротора ЭМП. Возможен вариант без датчика положения ротора, в этом случае положение ротора определяется по величине индуктивности обмоток статора.

Отличительную основу ЭМП составляют магнитопроводы статора и ротора с явно выраженными полюсами, выполненные в виде пакетов из листового магнитомягкого материала. Катушки обмотки якоря расположены на полюсах магнитопровода статора. Катушки, находящиеся на противоположных полюсах, соединены попарно последовательно и образуют фазные секции обмотки якоря. На рис. 2 в качестве примеров показаны ЭМП с шестью (рис. 2а) и восемью (рис. 2б) полюсами на статоре и четырьмя и шестью полюсами на роторе соответственно.

В зависимости от назначения электродвигателя / генератора и предъявляемых к нему в связи с этим требований, количество полюсов на статоре и на роторе может изменяться. В некоторых случаях на полюсах магнитопровода статора могут быть сделаны дополнительные зубцы. Обмотка якоря, в приведенных на рисунке примерах ЭМП, трехфазная (рис.2а) и четырехфазная (рис.2б). Количество полюсов статора и ротора, число фаз обмотки якоря может изменяться в зависимости от назначения электродвигателя / генератора. Подбором чисел полюсов статора и ротора может быть получен вращающий момент существенно больший по сравнению с электрическими машинами других типов.

Рис. 2а
Рис. 2б
Рис. 2. Обмотка якоря трехфазная и четырехфазная

Очевидная конструктивная простота является основным достоинством электромеханического преобразователя ВРД, что позволяет существенно снизить затраты при его изготовлении и обеспечить очень высокую надежность работы электродвигателя / генератора. В качестве примера на рисунках 3, 4, 5 показаны основные части нескольких вариантов ЭМП вентильных реактивных электродвигателей и генераторов.

Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Основные части нескольких вариантов ЭМП вентильных реактивных электродвигателей и генераторов

На рис.6 приведена механическая характеристика ЭМП в режиме с ограничением тока. Естественная механическая характеристика ЭМП при постоянном питающем напряжении аналогична такой же характеристике коллекторного электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Рис. 6. Механическая характеристика ЭМП в режиме с ограничением тока

Особенности электромеханического преобразования энергии в вентильном электродвигателе с переключаемой магнитной проводимостью заключаются в несинусоидальности токов и магнитных потоков в ЭМП и нелинейной зависимости между ними. Эти особенности не позволяют использовать методы, широко применяемые для анализа и синтеза электрических машин переменного тока традиционного конструктивного исполнения. Анализ и синтез ЭМП необходимо осуществлять с непременным учетом дискретности цикла электромеханического преобразования энергии и существенной нелинейной зависимости между токами в фазах и создаваемыми ими магнитными потоками в комплексе «электронный коммутатор — ЭМП».

Читайте также:  Принцип работы дизельного двигателя комон рейл

Для проектирования ЭМП используется современный подход, включающий расчет магнитного поля в нелинейной постановке задачи. При этом учитываются реальные параметры материалов и особенности геометрии устройства. На рис. 7 показаны результаты расчета магнитного поля, представляющие зависимость потокосцепления фазной обмотки от угла поворота ротора и протекающего в ней тока.

Рис. 7. Результаты расчета магнитного поля

Электронный блок управления электродвигателя / генератора представляет собой цифровую систему управления на базе нового поколения 16-разрядных микроконтроллеров производительностью до 40 млн. операций в секунду. Цифровая система управления позволяет резко сократить количество используемых компонентов, увеличить надежность и функциональность системы, уменьшить габаритные размеры электронного блока и его стоимость.

На рис. 8 показан блок электроники для электродвигателей / генераторов мощностью до 8 кВт. (Габариты 170х125х30 мм.)

Рис. 8. Блок электроники для электродвигателей / генераторов мощностью до 8 кВт

Цифровой синтез сигналов, поступающих с электронного коммутатора на ЭМП, осуществляется программно с помощью микропроцессорного блока управления. Программный синтез сигналов позволяет оперативно изменять частоту, форму и амплитуду выходных импульсов в зависимости от состояния датчиков электропривода / генератора, а также обеспечивает оперативное управление режимами его работы.

Микроконтроллер формирует основные управляющие сигналы, которые поступают на 3- или 4-фазный драйвер, обеспечивающий управление силовыми транзисторами электронного коммутатора. Конфигурация блока питания может быть изменена в зависимости от типа и величины напряжения питания, что позволяет на базе одного блока создавать электроприводы и генераторы различного назначения. При низковольтном напряжении питания (5 — 200 В) в блоке коммутатора используются MOSFET-транзисторы, а при высоковольтном (200 В и более) — IGBT-транзисторы. Применение современных мощных IGBT-транзисторов позволяет создавать электронные коммутаторы мощностью 5000 кВт и более, обеспечивая высокие энергетические и весогабаритные характеристики вентильным реактивным электроприводам / генераторам.

Основная управляющая программа контроллера хранится во Flash-памяти объемом до 256 Кбайт и может быть легко изменена через последовательный интерфейс RS232, что позволяет оперативно изменять основные характеристики и алгоритм работы стартера / генератора в процессе настройки или во время его эксплуатации.

Наличие микропроцессора в системе управления ВРД обеспечивает следующие режимы его работы:

  • регулирование оборотов в широких пределах и стабилизацию их на заданном уровне;
  • коррекцию естественно падающей механической характеристики ВРД для оптимизации параметров электропривода с тяговой, вентиляторной, крановой, экскаваторной и другими типами нагрузок;
  • разгон и торможение с необходимым ускорением;
  • пуск электропривода без превышения пусковых токов над номинальными, с предварительным выбором люфта редуктора;
  • рекуперацию энергии при торможении;
  • реверсирование;
  • самоторможение для исключения вращения нагруженного электропривода;
  • шаговый режим работы;
  • питание от сетей постоянного и переменного (однофазного и 3 фазного) напряжения; для генератора — стабилизацию и формирование выходного напряжения;
  • выдачу на дисплей текущих параметров электродвигателя / генератора и любой информации, поступающей с периферийных датчиков;
  • прием и выдачу команд и информации как в аналоговом, так и в цифровом виде;
  • дистанционное изменение параметров электропривода / генератора и алгоритма его работы;

Для связи с внешними компьютерными системами, активными пультами управления или для обеспечения параллельной работы и синхронизации нескольких электроприводов / генераторов в блоке управления может использоваться сетевой CAN-интерфейс (международный стандарт CAN 2.0 CiA-301). CAN (Controller Area Network) — сетевой интерфейс разработан фирмами «BOSСH» и «INTEL» для построения распределенных встраиваемых мультипроцессорных систем реального времени бортового и промышленного назначения. CAN обеспечивает надежную работу системы даже в условиях сильных электромагнитных помех. На рисунке 9 показано подключение нескольких электродвигателей к CAN-сети.

Читайте также:  Сколько всего подушек двигателя на хонда цивик 4д
Рис. 9. Подключение нескольких электродвигателей к CAN-сети

CAN сеть обеспечивает эффективный обмен информацией между электронными блоками электродвигателей, а также обмен между пультом или несколькими пультами и каждым электродвигателем. Высокая скорость передачи (до 1Мбит/сек), гибкая система задания приоритетов CAN устройств позволяет передавать по сети синхросигналы или команды с критическим временем выполнения. На рис. 10 приведен пример организации следящей системы с использованием CAN-сети.

Источник

Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификация

Постоянное совершенствование технологий и развитие точного электрооборудования приводит к созданию новых и преобразованию старых устройств. Такому совершенствованию подвергаются и электрические машины, которые неоднократно преобразовывались для получения точного позиционирования. При массовом внедрении полупроводниковых приборов появилась возможность заменить классические щетки на p-n переходы, в результате чего был создан вентильный двигатель.

Конструкция и принцип работы

Конструктивно вентильный агрегат представляет собой разновидность синхронного двигателя.

В его состав входят:

  • Ротор, как правило, из магнитного материала, реагирующий на воздействие электромагнитного поля.
  • Статор, включающий в себя фазы обмоток, намотанные в катушки станину и диэлектрическую прокладку.
  • Измерительные датчики (чаще всего Холла), позволяющие определить положение вращения вала.
  • Микропроцессорный блок, формирующий импульсы, их форму, задающие частоту вращения ротора, сравнивающий показания датчиков и подаваемого переменного тока на фазные обмотки.

Пример конструкции вентильного двигателя приведен на рисунке ниже:

Рис. 1. Конструкция вентильного двигателя

Принцип работы вентильного двигателя заключается в четком позиционировании постоянных магнитов на роторе по отношению к формируемому пику электромагнитного импульса на фазных электрических обмотках. При движении магнитов датчики воспринимают информацию об их положении в пространстве и меняют пропускную способность реактивных вентильных преобразователей, что позволяет валу вращаться дальше. Таким образом, управление вращением осуществляется без использования скользящего контакта, поэтому данная категория электрических машин относится к категории бесколлекторных электродвигателей.

Статор

Конструктивно статор мало чем отличается от классических моделей синхронных и асинхронных двигателей. Это металлический цельнолитой или наборной магнитопровод, в пазах которого укладываются фазные провода. Количество обмоток якоря определяется числом подключаемых фаз и периодичностью их чередования. Чем чаще уложены обмотки статора, тем точнее контролируется вращение вентильного электродвигателя.

Полюса статора также могут характеризоваться смещением на строго определенный угол, как и его обмотки. По количеству фаз коммутации вентильные двигатели бывают двух-, трех-, четырех- и шестифазными.

Ротор

В зависимости от конструкции ротора бесконтактные двигатели могут иметь внутрироторное и внешнероторное исполнение.

Рис. 3. Внешнероторные и внутрироторные модели

Количество пар полюсов также может отличаться, но уже без каких-либо привязок к обмоткам, как правило, этот параметр варьируется от двух до шестнадцати с парным шагом.

В более старых моделях для бесколлекторных двигателей использовались постоянные магниты из ферритовых сплавов. Которые отличались доступностью и относительно более низкой себестоимостью, но имели слишком низкие показатели индукции. Однако с постепенным развитием технологий, на смену им пришли магнитные элементы из редкоземельных металлов. Этот вариант обладает более точным позиционированием, но и стоит он дороже.

Рис. 4. Вентильный двигатель с внешним ротором

Датчик положения ротора

В синхронных электродвигателях датчик необходим для осуществления обратной связи с положением вала механического устройства. В зависимости от принципа действия могут применяться датчики:

  • Фотоэлектрического принципа действия;
  • Трансформаторного;
  • Индуктивного;
  • На эффекте Холла.

Рис. 5. Датчик положения ротора

Наиболее распространенными вариантами для практической реализации стали фотоэлектрические датчики и датчики с эффектом Холла. Они обладают большей точностью и меньше запаздывают при передаче данных в канале связи. Датчики привязываются к определенным маркерам на валу и реагируют на их прохождение.

Система управления

В состав блока управления, как правило, входит микроконтроллер и электронный ключ для подключения к двух- или трехфазным обмоткам двигателя. Микроконтроллер или микропроцессор необходим для обработки получаемых с датчиков сигналов и последующего преобразования синусоидальной коммутации в более удобную форму сигнала. Электрические преобразователи выполняется на базе полупроводниковых транзисторов, соединенных по мостовой схеме. Они производят широтно-импульсную модуляцию питающего напряжения в соответствии с заданным режимом работы.

Читайте также:  При прогретом двигателе заводится не с первого раза

Рис. 6. Электронный ключ вентильного двигателя

Классификация

По типу питания вентильные электрические машины подразделяются на электродвигатели постоянного и переменного тока.

По способу взаимодействия магнитного поля статора и ротора встречаются синхронные, асинхронные и индукторные аппараты.

Помимо этого, в зависимости от числа задействованных фаз они разделяются на:

  • Однофазные – представляю собой наиболее простой вариант, где используется минимум линий передачи питающего напряжения от блока управления к его обмоткам. Однако в некоторых позиция существует трудность пуска такого вентильного двигателя под нагрузкой.
  • Двухфазные – обладают хорошей связью между обмоткой и статором. Но выдают довольно сильные пульсации, которые могут привести к негативным последствиям в работе.
  • Трехфазные – наиболее распространенные варианты, способные выдать плавный пуск и нормальный режим работы вентильного двигателя. Характеризуется четным количеством обмоток и хорошими тяговыми характеристиками. К его недостаткам относят лишь чрезмерный шум во время работы.
  • Четырехфазные – характеризуются минимальными пульсациями низким пусковым моментом. Но, в сравнении с другими моделями, они имеют высокую себестоимость, из-за чего применяются редко.

Рис. 7. Четырехфазный вентильный двигатель

Технические характеристики

При выборе конкретной модели важно определить ее соответствие месту установки, поэтому важно обращать внимание на следующие характеристики вентильных двигателей:

  • номинальное напряжение – определяет питающую величину, которая должна подаваться на вентильный двигатель для получения номинального усилия;
  • потребляемая мощность – характеристика электродвигателя, показывающая величину мощности, расходуемую на работу устройства;
  • КПД – показывает соотношение полезной работы, совершаемой вентильным двигателем к израсходованной мощности;
  • мощность на валу – полезная работа электрической машины, совершаемая за счет тягового усилия;
  • номинальная частота – определяет количество оборотов в минуту, которые вентильный двигатель может совершать в номинальном режиме работы;
  • диапазон регулировки частоты – показывает, в каких пределах можно изменять частоту оборотов вала для конкретной модели;
  • номинальный крутящий момент – определяет усилие, создаваемое на валу вентильного двигателя при оптимальных параметрах работы, также в параметрах может регламентироваться пусковой и максимальный момент;
  • коэффициент нагрузки – показывает, насколько снижается эффективность электрической машины, в зависимости от подъема над уровнем моря;
  • габаритные размеры и масса вентильного двигателя.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами электрических машин, вентильный двигатель имеет ряд качественных отличий, дающих ему как выгодное, превосходство, так и определенные недостатки.

К преимуществам вентильных двигателей относят:

  • Относительно небольшая величина магнитных потерь из-за отсутствия постоянно действующего поля, как в классических синхронных и асинхронных электродвигателях.
  • Обеспечивает безопасное вращение даже с максимальной нагрузкой, в отличии от коллекторных электродвигателей.
  • За счет встроенного преобразователя частоты коммутация вентильного преобразователя обеспечивает широкий спектр скоростей вращения, которые отличаются плавным переходом от одной к последующей.
  • Хорошая динамика работы и точность позиционирования, способная создать конкуренцию шаговым двигателям.
  • Относительно большая степень надежности и длительный срок эксплуатации без обслуживания за счет отсутствия скользящего контакта, в отличии от коллекторных двигателей.
  • Может применяться во взрывоопасной среде, в отличии от электродвигателей постоянного и переменного тока со щетками.

К недостаткам вентильных агрегатов следует отнести их высокую себестоимость, наличие дополнительных элементов, усложняющих последующую эксплуатацию. Также существенным минусом считается сложность управления и задания логики перемещения рабочих органов трехфазных бесколлекторных двигателей в соответствии с меняющимися факторами производственного процесса.

Применение

Вентильные двигатели применяются во всех сферах, где требуется регулировать скорость вращения рабочего элемента. Такие синхронные приводы имеют точное позиционирование и применяются для компьютерной техники, устройств привода, винчестера, куллеров обдува и т.д.

Рис. 8. Вентильный двигатель в компьютере

Помимо этого он используется в робототехнике, строительстве спутников, летательных аппаратов. Для бытовой техники, в устройствах автомобилестроения, в медицинской сфере. Также нашел широкое применение в станочном оборудовании, горнодобывающих машинах, используется в компрессорных установках и насосных станциях.

Источник

Adblock
detector