Вентильный двигатель расчет характеристик

Вентильный двигатель расчет характеристик

В. И.Ткачук, канд. техн. наук

РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ВЕНТИЛЬНОГО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предложена математическая модель вентильного реактивного двигателя с емкостным накопителем энергии для средних значений, которая позволяет рассчитывать механическую, моментную и рабочие характеристики по известным геометрическим размерам и обмоточным данным.

Запропонована математична модель вентильного реактивного двигуна з ємнісним нагромаджувачем енергії для середніх значень, що дозволяє розраховувати механічну, моментну і робочі характеристики по відомим геометричним розмірам і обмоточним даним.

Switched reluctance motor (SRM) is the simpler, more technological and cheaper then other known electrical motors. In the paper the average values mathematical model for SRM is proposed, which give a way to calculate its static characteristics. Example of calculation of mechanical and working characteristics is presented.

Вентильный двигатель (ВД) — это электромеханическая система, состоящая из трех взаимосвязанных узлов: электромеханического преобразователя (ЭМП), датчика положения ротора (ДПР) и электронного коммутатора (ЭК). В качестве ЭМП чаще всего применяют индукционную машину с возбуждением от постоянных магнитов (ПМ), размещенных на роторе. Наличие ПМ на вращающейся части машины усложняет конструкцию и технологию изготовления, повышает стоимость. Одним из самых простых по конструкции, технологии и надежности является ЭМП с явнополюсным статором и сосредоточенными катушками обмотки якоря и зубчатым пассивным ротором. Такой ЭМП проще, дешевле и технологичнее самых простых из электричеcких машин — асинхронных с короткозамкнутым ротором, а ВД на их основе, называемые вентильными реактивными двигателями (ВРД), по регулиро-вочным свойствам не уступают коллекторным двигателям постоянного тока. Применение ЭК с емкостным накопителем энергии значительно улучшает энергетические показатели ВРД за счет более полной утилизации энергии магнитного поля. На рис. 1 приведена схема ЭК с отдельными последовательными накопителями в каждой фазе, а на рис. 2 — диаграмма работы его силовых транзисторных ключей, зависимости

©Ткачук В.И.,1998

от угла взаимного положения ротора и статора индуктивности одной фазы, ее тока и напряжения на накопительном конденсаторе. Для исследования динамических и квазиустановившихся режимов работы электропривода на базе ВРД служит математическая модель ВРД для мгновенных значений [1]. Однако часто необходимы рабочие и механическия характеристики ВРД, для расчета. которых и предназначена предлагаемая упрощенная модель для средних значечений. Используя уравнение баланса средних на интервале переключения фаз значений мощностей

U . I_ = w . M + D PM + D PCT + D PK , (1)

где U,I_ — средние значения напряжения и потребляемого от сети тока; w , M — средние значения частоты вращения и момента нагрузки на валу; D PM, D PCT, D PK — мощности потерь в меди, в стали и в коммутаторе соответственно, можно получить выражение механической характеристики ВРД, а также виражения для составляющих потерь. Потребляемый ток, а значит, и среднее значение тока фазы при изменении частоты вращения в широком диапазоне и при постоянном моменте на валу не изменяются. Эта особенность позволяет определять электромагнитный момент ВРД в установившемся режиме по среднему на интервале переключения значению тока фазы.Учитывая особенности протекания электромагнитных процессов в ВРД, целесообразно принять некоторые допущения, которые позволят получить относительно простые выражения для среднего значения электромагнитного момента, а также отдельных составляющих потерь, практически не снижающие их точность: нелинейную магнитную цепь заменяем эквивалентной линейной, в которой насыщение стали учитывается коэффициентом насыщения (см. рис.3); — индуктивность фазы при взаимном перемещении ротора и статора изменяется по закону L = L + L1 . Cos q (см. рис. 2); — угол включения b (рис. 2) принимаем равным нулю; — полагаем, что силовые транзисторные ключи и диоды ЭК в закрытом состоянии имеют бесконечно большое сопротивление, а в открытом насыщенном состоянии мощность потерь учитывается прямым падением напряжения D Uk; динамическими потерями на переключение ключей пренебрегаем; — электромагнитным моментом, создаемым током фазы на интервале t (с момента запирания силового транзисторного ключа) пренебрегаем, так как индуктивность фазы на указанном интервале изменяется незначительно; — на интервале возбуждения фазы g реальную кривую тока фазы заменяем средним значением I , а на интервале спадания тока t — по линейному закону, как показано на рис. 2; — механическими потерями пренебрегаем; — частоту вращения ротора на интервале переключения считаем неизменной.

Читайте также:  Как установить тнвд на двигатель 4м40

Учитывая, что электромагнитный момент ВРД [2], где — магнитная коэнергия, Q m — геометрический угол между осями паза ротора и зубца статора, Q = Zr . Q m — этот же угол в электрических градусах, и изложенные допущения Zr — число зубцов ротора; D,l — диаметр расточки и аксиальная длина статора; d — длина воздушного зазора между зубцами статора и ротора; wz — число витков обмотки статора на одном зубце; a s — коэффициент полюсного перекрытия статора; . (3)

Мощность потерь в меди расчитывается, как:

D PM = I 2 . R . ( g * + k1 . w ) , (4)

где — коэффициєнт, учитывающий потери в меди от тока заряда накопительного конденсатора, t — время спадания тока фазы; ; m — число фаз. Обозначим

(5)
Тогда и (4) запишем в виде: D PM = k2 2 . M . R . ( g * + k1 . w ). (6).

Учитывая, что в любой момент времени ток фазы протекает через два полупроводниковых элемента мощность потерь в ЭК расчитываем по формуле:

D PK = I . 2 . D UK . ( g * + k3 . w ) , (7)

где (см. разъяснение коэфициєнта ).

Подставив (5) в (7), получим выражение для расчета потерь в коммутаторе в виде

(8)

Рис.3. К определению коэффициента K m Рис. 4. Статические характеристики ВРД

В соответствии с принципом работы ВРД его фазы возбуждаются однополярным током и форма кривой магнитной индукции B(t) далека от синусоидальной. С другой стороны, в ВРД в любой момент времени перемагничивается только часть магнитопровода, причем потери от вихревых токов доминируют над потерями от гистерезиса. Поэтому потери в стали ВРД с большой достоверностью можно представить в виде:

(9)

где POB — удельные потери в стали от вихревых токов при индукции 1 Тл и частоте f ; — индукция в магнитопроводе при токе фазы I в момент, когда зубец ротора находится против зубца статора; kv — коэфициент дополнительных потерь в стали от высших гармоник индукции; GCT.P — расчетная масса стали, намагниченность которой изменяется при возбуждении одной фазы:

где GCT.S, GCT.R — масса стали статора и ротора соответственно.

Как (6) и (18) запишем формулу для расчета потерь в стали.

(10)

где .

Выразим ток фазы через ток от сети. В ВРД с последовательным ЕНЭ на интервале g от сети протекаєт ток только одной фазы, а на интервале перекрытия сигналов управления силовыми ключами — суммарный ток фаз, сигналы которых перекрываются. Поэтому

(11)

Учитывая (5), (7), (10) и (11) и сгруппировав коэффициенты при степенях w, перепишем (1) в виде:

(12)

Один из корней алгебраического уравнения (19), а именно — положительный является уравнением механической характеристики ВРД для средних значений.

Выражения (5), (7), (10) и (11) вместе с (4), (6) и (14) представляют математическую модель ВРД для средних значений, позволяют найти все основные величины, определяющие установившийся режим роботы двигателя для различных значений нагрузки на валу уже на стадии проектирования.

Для оценки адекватности математической модели физическому образцу на рис. 4 приведены расчетные характеристики для ВРД со следующими параметрами: D = 0.07 М, l = 0.03 M, d = 0.0003M, a s = 0.45, Zr = 10, m=3, KL = 0.43, wz = 85, g = 130 эл. градусов, t = 0.001C, R = 1.3 Ом, D U = 1.5 В.

Проведенное сравнение с опытными данными свидетельствует о достаточной адекватности математической модели физическому образцу, что дает основание для рекомендации предложенной математической модели для расчета рабочих, регулировочной и механической характеристик вентильного реактивного двигателя с последовательным емкостным накопителем в установившихся режимах работы.

Список использованной литературы

1. Ткачук В.І., Осідач Ю.В. Математичне моделювання електромеханічних процесів в електроприводі з вентильним реактивним двигуном. Вісник Держ. ун-ту. «Львівська політехніка» Електроенергетичні та електромеханічні системи. — 1995. — № 288. -С. 83 — 90.

Читайте также:  Как снять двигатель фольксваген гольф 3 без коробки

2. Ткачук В. Теорія створення електромагнітного моменту у вентильному реактивному двигуні. Електромеханіка. Теорія і практика. //Праці науково-технічної конференції, присвяченої 100-річчю від дня народження видатного українського вченого-електромеханіка Т. Губенка. — Львів, 1996. — C. 173 — 176.

Copyright © 1998-1999 Odessa State Polytechnic University. All Rights Reserved.

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:  Как промыть двигатель при замене масла ваз 2107

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