Файл: Разработка модели вентильного двигателя.docx

Оглавление

Введение

В настоящее время основные задачи электромеханики – это создание такого преобразователя энергии, у которых высокая энергетическая эффективность и минимальные материальные затраты.

Стоимость электрической машины снижается, так как она становится универсальной, то есть применяются в различных устройствах. В 30 годах прошлого столетия был описан вентильно-индукторный электропривод (ВИЭП) и на данный момент он является одним из развивающихся видов преобразователей энергии.

Выпрямительно-инверторный преобразователь используют в различных отраслях.

Японская компания Nidec Motor Corporation лидер за рубежом по разработке и внедрению ВИЭП. Данная компания выпускает машины мощностью от 14,7-308,7 кВт с перегрузочной способностью до 250%.

В России ВИЭП применяют, как трансмиссия бульдозернорыхлительного аппарата ДЭТ-400. Введение вентильно-индукторных машин увеличило надежность трансмиссии в 2 раза, а так же повышение к устойчивости к повышенной влажности – сравнение было с трактором ДЭТ-250М и ДЭТ-320. Это обеспечивает мощностью во всем тяговом диапазоне. ДЭТ-400 выпускается челябинским тракторным заводом.

Фирма «Вектор» поставляет ВИП и разрабатывает системы управления на отечественной и импортной элементной базе.

У данной фирмы последний проект ВИЭП с независимым возбуждением с диапазоном мощностей от 350 до 1250 кВт.

В приводе используют двигатель, который состоит из нескольких секций, и к ним подключается преобразователь частоты, и работают они не зависимо от других. И поэтому надежность данной системы высока, так как если вдруг отказывает какая-либо секция, то двигатель все равно продолжает работу.

---

Если количество числа секций увеличивается, то и происходит рост суммарного электромагнитного момента – это может варьировать выходную мощность привода в высоких пределах.

ВИЭП работает на теплостанциях Москвы и используется для насосов, вентиляторов и приводов дымососов.

Обеспечение регулирования скорости движения в широком диапазоне и оптимизация режимов работы двигателя и это преимущества инновационной электромеханической трансмиссии.

Программное обеспечение контроллера электротрансмиссии позволяет легко создавать полностью автоматизированные безэкипажные машины, работающие при минимальном расходе топлива и с максимальным КПД.

Достоинства вентильно-индукторного двигателя:

1. 
   Отсутствие механического коммутатора.
   
2. 
   Очень простая конструкция.
   
3. 
   Разгон и торможение с необходимым ускорением.
   
4. 
   Высокий КПД в широком диапазоне частот вращения более 92%.
   
5. 
   Большое разнообразие конфигураций – различных отношений – 4/2, 6/4, 8/6.
   
6. 
   Массогабаритные характеристики, по которым ВИЭП превосходит частотно-регулируемый асинхронный электропривод.
   

7. Экономическая эффективность при эксплуатации двигателя.

Однако дискретная коммутация фаз, наличие нескольких каналов управления и нелинейности приводят к несостоятельности использования существующих подходов описания работы привода, основанных на различных вариантах аналитических моделей, применяющихся в традиционном электроприводе.

Описание работы ВИЭП с помощью фундаментальных законов физики для установления однозначных связей между искомыми характеристиками, параметрами и переменными приводит к введению множества допущений, искажающих реальные процессы в приводе. Данный подход не применим в случае, если исследователя интересуют не только количественные оценки работы, но и поведение привода в различных ситуациях.

Цель работы: разработка конкретной системы вентильно-индукторного двигателя.

Задачи работы:

1. 
   Провести обзор конструкций вентильного двигателя.
   
2. 
   Разработка модели вентильного двигателя.
   
3. 
   Разработка схемных решений.
   
4. 
   Разработка системы.
   

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

1. Устройство вентильного двигателя

Вентильно–индукторный двигатель – это относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии, который сочетает в себе свойства и электрической машины, и интегрированной системы регулируемого электропривода. На статоре есть обмотка якоря, разбитая на фазы, которые уложены в пазы таким образом, что пространственно сдвинуты друг относительно друга на угол, определяемый числом фaз. Благодаря этому углу поворота, который определяется встроенными датчиками Холла происходит подача управляющих команд.

---

Ниже приведён рисунок, показывающий структуру вентильного двигателя на примере семейства Faulhaber (рисунок 1.1)



Рисунок 1.1 − Структура вентильного двигателя
Семейство вентильных двигателей Faulhaber имеет двухполюсный магнит на основе ротора и трехфазную обмотку статора, которая определяется интегрированными датчиками Холла. Общая конструкция может иметь разное количество пар полюсов и традиционный внешний вид статора. Обычно используется статор с тремя обмотками, соединенными в звезду или треугольник без вывода средней точки. Лучшей структурой с минимальным числом обмоток считается трехфазная структура.

Вентильно-индукторный двигатель − это синхронный двигатель с реактивным ротором и статором, имеющими зубцы и катушки с вентильным коммутатором, который создает однополярные импульсы тока по определенному алгоритму. Самые часто встречающиеся - 8/6 и 6/4 с числом фаз обмотки, где Zs – общепринятое обозначение числа выступов статора.

Конструктивная схема ВИД конфигурации 6/2 изображена на рисунке 1.2.



Рисунок 1.2 – Конструктивная схема ВИД
На рисунке 1.2 показаны две катушки a₁-a_s и a_s-a_4, расположенные по оси a. Эти катушки соединены последовательно и согласно. Они образуют обмотку фазы «a», в которой вентильный коммутатор (ВК) создает однополярный импульс тока i_a, называемый током фазы «a».

В катушках, установленных на осях b-bʹ и c-cʹ происходят аналогичные процессы. Фазные токи i_aʹi_b и i_с ВК создаются напряжениями U_aʹ U_b и U_с, называемыми фазными напряжениями ВИД.

В проекте рассматривается одиночная симметричная коммутация фаз, где импульс тока протекает по одной фазе в любой момент времени в порядке a-b-c-a.



Рисунок 1.3 – Силы, действующие на ротор в радиальном направлении
На рисунке 1.3 (а) силы и

---

, действующие на зубцы ротора, равны и противоположно направлены, чтобы предотвратить изгиб вала ротора и повысить надежность двигателя. Катушки должны быть установлены на нескольких зубцах статора, чтобы избежать изгибания ротора и износа. Также для обеспечения вращения ротора требуется, чтобы выполнялось условие (1.1):

(1.1)
где – количество зубцов (выступов) ротора;

– количество зубцов (выступов) статора.

1.2 Принцип действия

Рассматривая рисунок 1.2. можно объяснить принцип действия ВИД. Когда включается фаза «а», верхняя и нижняя катушки притягивают верхний и нижний выступы ротора, заставляя его вращаться против часовой стрелки до совпадения осей d и a. Согласованным положением ротора относительно фазы «a», так называется данное положение.

Фазы, через которые протекает электрический ток, называются активными фазами, а угол ϴ от активной фазы до оси ротора - углом рассогласования. Положение ротора, при котором угол рассогласования составляет ±90°, называется положением неустойчивого равновесия. Вращение будет кратковременным, если фазу «а» включить на долгий период.

Чтобы не произошло остановки в этом положение, нужно под углом включить фазу «b», а фазу «а» отключить. Чтобы ротор продолжал вращаться непрерывно, необходимо последовательно переключать фазы a-b-c-a… создавая циклическое движение магнитного поля.

На рисунке 1.4 показаны направления магнитодвижущих сил обмоток фаз «a», «b» и «c».



Рисунок 1.4 – Схема вращения магнитного поля ВИД конфигурации 6/2

Если при коммутации включена только одна обмотка, то ее МДС создает результирующее магнитное поле, сходное с направлением этой обмотки. При такой коммутации в индукторной машине результирующая МДС поля статора будет скачкообразно вращаться в секторе φ, и среднее значение результирующей МДС будет направлено по оси b-bʹ и отлично от нуля.

Из этого следует, что в вентильно–индукторный двигатель есть постоянное магнитное поле, кроме иных полей. Такие машины называются индукторными.

---

1.3 Особенности источников питания ВИД

Рассматриваемый двигатель получает питание через однополярные импульсы, а не от постоянных магнитов, что делает необходимым соблюдение специальных требований для работы преобразователя напряжения. Для питания ВИД каждый преобразователь должен выполнять три этапа цикла коммутации обмотки двигателя: подачу максимально допустимого напряжения, регулирование напряжения для поддержания магнитной индукции на заданном уровне и отключение обмотки для избежание возникновения тормозных моментов. Существует множество решений для топологии преобразователей для коммутации обмоток ВИД, и объясняются они следующими факторами:

1. 
   Попытка оптимизировать электромагнитные процессы с целью достижения желаемых электромагнитных свойств.
   
2. 
   Сокращение расходов на элементы схемы.
   

Все преобразователи могут быть классифицированы на 4 категории.

1. «Классическая» полумостовая схема и ее модификации.

2. Преобразователи с накоплением энергии путем дополнительных обмоток или конденсаторов (не популярны из-за высокой стоимости).

3. Преобразователи с дополнительным звеном постоянного тока используют повышающие преобразователи напряжения и применяются в высокоскоростных приводах.

4. Преобразователи с рассеиванием энергии из отключаемой фазы преобразуют магнитное поле в тепло. Они имеют низкую стоимость и простую конструкцию, но также имеют низкий КПД.

В данной работе рассмотрена математическая модель полумостовой схемы, включающей транзисторы и диоды на диагонали.

1.4 Принципы управления частотой вращения ВИД

Для управления угловой скоростью движения ротора можно использовать два способа, аналогичных тем, которые применяются для вентильных двигателей постоянного тока: изменение амплитуды фазных напряжений или изменение углов включения и отключения обмоток.

Чтобы управлять частотой вращения, можно изменять амплитуды фазных напряжений так же, как при управлении частотой вращения ВДПТ.

Другой способ − изменять угол включения и отключения на примере ВИД конфигурации 6/2.

Ротор движется благодаря электромагнитному моменту, который зависит от положения ротора, расположения активной фазы в текущий момент времени и тока активной фазы.

Рассмотрим электромагнитный момент одной фазы «a» при постоянном электрическом токе

---