Вентильно-индукторный электропривод: современное состояние и перспективы развития

      3. Относительно более сложная система управления двигателем.

      4. Высокая стоимость двигателя при использовании дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора.

      5. Электронный блок имеет большие размеры и стоимость, по сравнению с механическим скользящим контактом.

      Эти недостатки, а также инерционность, присущая при внедрении новой  техники обусловили то, что электропривод  с ВД в течение трех десятилетий  пока так и не смог полностью вытеснить  привод с коллекторным ДПТ во многих областях применения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Особенности конструкции  индукторной машины.

     ИМ, входящая в состав ВИД, может иметь  различные конструктивные исполнения. На рис.1 для примера, приведено поперечное сечение 4^х–фазной ИМ конфигурации 8/6. При обозначении конфигурации ИМ первая цифра указывает число полюсов статора, вторая – ротора.

Рис. 1. Поперечное сечение 4^х–фазной ИМ конфигурации 8/6.

     Анализ  рис. 1. показывает, что ИМ имеет следующие конструктивные особенности.

     1. Сердечники статора и ротора имеют явнополюсную структуру.

     2. Число полюсов относительно невелико. При этом число полюсов статора больше числа полюсов ротора.

     3. Сердечники статора и ротора выполняются шихтованными.

     4. Обмотка статора – сосредоточенная катушечная. Она может быть одно- или многофазной.

     5. Фаза ИМ, как правило, состоит из двух катушек, расположенных на диаметрально противоположных полюсах статора. Известны ИМ с удвоенным числом полюсов статора и ротора. В 4^х–фазном исполнении они имеют конфигурацию 16/12. Фаза такой ИМ состоит из двух пар катушек, которые располагаются на полюсах статора таким образом, что их оси ортогональны.

       6. Катушки фазы могут быть соединены в электрическом отношении параллельно или последовательно; в магнитном – согласно или встречно.

       7. Обмотка на роторе ИМ отсутствует.

     Конструктивно ИМ, преобразователь частоты и  система управления в ВИД могут  быть выполнены раздельно. При этом в процессе работы они могут находиться на достаточно большом удалении друг от друга. В последние время в  мире наблюдается устойчивая тенденция выполнения преобразователя частоты и двигателя в системе регулируемого электропривода в одном корпусе. Такое конструктивное исполнение в англоязычной литературе получило название combimaster, что на русский язык может быть переведено как электропривод интегрального исполнения. В ВИД интегральное исполнение преобразователя частоты и ИМ является более выгодным по сравнению с частотно–управляемым асинхронным приводом. Дело в том, что в отличие от асинхронной, фазы индукторной машины электрически не связаны между собой. Таким образом, если для соединения 3^х–фазного асинхронного двигателя с преобразователем частоты требуется три провода, то для 3^х–фазной индукторной машины – шесть. Очевидно, что увеличение числа фаз ведет к увеличению числа соединительных проводов. Следовательно, использование интегрального исполнения ВИД позволяет существенно снизить расход соединительных проводов или кабелей.

Рис. 2. Схема соединения электрической машины и преобразователя частоты

           а) в частотно–регулируемом асинхронном электроприводе;

           б) в ВИД. 
 
 
 
 
 
 

7. Принцип работы ВИД. 

      Принцип работы ВИД основан на свойстве ферромагнитных тел ориентироваться во внешнем магнитном поле таким образом, чтобы пронизывающий их магнитный поток принимал максимальное значение.

       

Рис.1 Распределение поля в ВИД конфигурации 12/8. 

      Рассмотрим  принцип работы ВИД на примере 4^х–фазного двигателя c ИМ конфигурации 8/6. На рис. 2.а показано так называемое рассогласованное взаимное положение сердечников статора и ротора для фазы А этой машины.

Рис. 2. К пояснению принципа работы ВИД:

а) рассогласованное положение сердечников для фазы А;

б) промежуточное  положение сердечников для фазы А;

в) согласованное  положение сердечников для фазы А. 

     Рассогласованным  положением сердечников статора и ротора для некоторой фазы ИМ называется такое положение, при котором ось каждой катушки этой фазы совпадает с одной из осей q (рис. 3) ротора, то есть зубцы фазы располагаются строго напротив пазов ротора. Это положение характеризуется минимальным значением индуктивности фазы и магнитного потока, сцепленного с ней, что объясняется максимальным значением магнитного сопротивления зазора между сердечниками. В теории ВИД рассогласованное положение одной из фаз принимается за начало отсчета углового положения сердечников статора и ротора. В рамках данного пособия за начало отсчета принято рассогласованное положение фазы А.

       

       Рис. 3. Расположение осей d и q ротора ИМ. 

       Предположим, что в этом положении по сигналу  системы управления произойдет коммутация ключей преобразователя частоты и к фазе А будет приложено постоянное напряжение U_А, тогда по катушкам фазы потечет ток i_A, который создаст МДС F_A. Эта МДС, в свою очередь, возбудит в машине магнитное поле. В магнитном поле фазы А ротор будет стремиться ориентироваться таким образом, чтобы магнитный поток, пронизывающий его, принял максимальное значение. При этом на сердечники статора и ротора будут действовать одинаковые по значению и обратные по направлению пондеромоторные силы (ПС) тяжения. Очевидно, что силы, действующие на 1^ый и 4^ый зубцы ротора, будут стремиться повернуть его по часовой стрелке, а силы, действующие на 2^ой и 5^ый зубцы – против. В силу того, что ротор в данном положении симметричен относительно оси возбужденной фазы, равнодействующая азимутальной составляющей этих сил будет равна нулю. Таким образом, в рассогласованном положении ИМ и ВИД не развивают вращающего момента. Действительно, если под действием какого–либо внешнего воздействия ротор отклонится от рассогласованного положения в том или ином направлении, то равнодействующая азимутальных составляющих ПС сердечников уже не будет равна нулю. Следовательно, возникнет вращающий момент, который будет стремиться повернуть ротор в направлении от рассогласованного положения. Возьмем другое положение ротора, показанное на рис. 2.б. Здесь фаза А имеет большее потокосцепление и индуктивность, чем в рассогласованном положении, что объясняется меньшей величиной зазора между сердечниками. При этом равнодействующая азимутальных составляющих ПС сердечников отлична от нуля, и созданный ею электромагнитный момент стремиться повернуть ротор ИМ против часовой стрелки. Вращение ротора будет продолжаться до тех пор, пока он не займет положение, показанное на рис. 2.в Оно называется согласованным положением фазы А. Согласованным положением сердечников статора и ротора ИМ для какой–либо фазы называется такое положение, при котором ось каждой катушки этой фазы совпадает с одной из осей d ротора, то есть зубцы фазы располагаются строго напротив полюсов ротора. Это положение характеризуется максимальным значением индуктивности фазы и сцепленного с ней магнитного потока, что объясняется минимальной величиной магнитного сопротивления  зазора между сердечниками. В этом положении ПС притяжения сердечников имеют только радиальные составляющие. В силу чего вращающий момент ИМ в этом положении равен нулю. Действительно, если под действием какой–либо внешней силы ротор отклонится от согласованного положения в ту или иную сторону, то возникший электромагнитный момент будет стремиться вернуть его в согласованное положение. Для того чтобы продолжить однонаправленное вращение ротора, необходимо еще до достижения согласованного положения фазы А осуществить коммутацию ключей преобразователя частоты, в результате которой фаза А должна быть отсоединена от источника питания, а фаза, момент которой стремиться продолжить вращение ротора в прежнем направлении, подключена к нему. В данном случае это фаза В. Взаимное положение сердечников статора и ротора, близкое к согласованному положению для фазы А, является для фазы В близким к рассогласованному положению, то есть при подаче на нее напряжения и протекании по ее катушкам тока возникнет отличный от нуля вращающий момент, который будет стремиться повернуть ротор против часовой стрелки.

       

Рис. 4. Контуры замыкания тока в фазе ВИД на интервале коммутации:

а) ключи  SV1, SV2 – замкнуты;

б) ключ SV1 – разомкнут, SV2 – замкнут;

в) ключи  SV1, SV2 – разомкнуты; к фазе приложено обратное напряжение;

       Необходимость коммутации фаз еще до достижения согласованного положения сердечников диктуется желанием получить как можно меньшее значение тока в отключаемой фазе при достижении ее согласованного положения. Дело в том, что после отключения фазы накопленная в ней энергия магнитного поля не может исчезнуть мгновенно. Она расходуется на поддержание постоянства потокосцепления фазы, в силу чего в ней возникает ЭДС самоиндукции, и ток фазы остается отличным от нуля еще некоторое время после ее коммутации. Он замыкается через встречно включенный диод D2, ключ SV2 преобразователя частоты и питающую сеть (рис. 4.б). В конечном итоге ток достигнет нулевого значения (энергия магнитного поля выделится в виде электрических потерь на активных сопротивлениях фазы, встречно включенного диода D2 и ключа SV2). Однако если этот ток будет отличен от нуля в согласованном положении фазы, то при дальнейшем вращении ротора созданное им магнитное поле приведет к возникновению тормозного электромагнитного момента. С целью более быстрого гашения поля в ИМ после отключения фазы на нее подают напряжение обратной полярности (рис. 4.в). Фаза В будет находиться под напряжением до тех пор, пока ротор не достигнет положения, близкого к согласованному. При достижении этого положения от ДПР в систему управления поступит соответствующий сигнал, обработка которого приведет к выдаче управляющего воздействия на преобразователь частоты и переключению фаз В и С. Цикл повторится. Таким образом, проводя последовательную коммутацию фаз, можно осуществить однонаправленное вращение ротора ИМ. Последовательность коммутации фаз определяется алгоритмом, заложенным в систему управления. Исходными данными для ее работы являются сигналы о положении ротора, поступающие от ДПР, что исключает возможность неправильной коммутации фаз.  
 

8. Шумы и вибрации ВИД.

 

  Пондеромоторные силы взаимодействия сердечников статора  и ротора в ВИД имеют две  составляющих: азимутальную, определяющую вращающий момент двигателя, и радиальную, наличие которой влечет за собой  деформацию сердечников. Деформация сердечников  приводит к возникновению вибрации двигателя и излучению звуковых волн. Основным элементом конструкции ВИД, излучающим звуковые волны, является сердечник статора. Как всякая механическая система, сердечник статора имеет резонансные частоты собственных колебаний. При совпадении частоты какой–либо гармоники пондеромоторной силы с одной из собственных частот колебаний статора возникает явление механического резонанса, которое сопровождается резким возрастанием амплитуды деформаций сердечника по данной гармонике, и, следовательно, уровня шума излучаемого двигателем. Наиболее важными являются первые три резонансные частоты. Характер деформаций статора при возникновении резонанса по ним для случая 3^х-фазного двигателя конфигурации 6/4 представлен на рис. 1, 2 и 3.

Рис. 3. Деформация статора при резонансе по третьей резонансной частоте.

     Для снижения уровня шумов и вибраций следует проектировать ВИД таким образом, чтобы резонансные частоты сердечника статора принимали как можно большие значения. При этом резко снижается вероятность того, что первые гармоники в кривой пондеромоторной силы будут иметь частоты, совпадающие с резонансными.

9. Заключение.

     Завершая  краткий обзор современного состояния  разработок ВИП и переходя к оценке перспектив, необходимо упомянуть о  некоторых проблемах не технического, а скорее экономического плана. Уже существует огромное число установленных в различном оборудовании асинхронных двигателей и двигателей с постоянными магнитами. На разработку, практическую реализацию и поддержку эксплуатации систем с ПЧ израсходованы огромные финансовые средства, в результате чего это техническое решение фактически доведено до совершенства. Затраты на разработку и освоение нового производства и относительно небольшой объем выпуска на начальных этапах производства увеличивают цены ВИП и снижают его конкурентоспособность по сравнению с оборудованием, уже имеющимся на рынке. Анализ известных применений ВИП и его электромеханических свойств позволяет предположить, что дальнейшее развитие в первую очередь найдут применения, где обычным двигателям трудно или невозможно обеспечить требуемые режимы. Прежде всего, это низкооборотные, но высокомоментные приводы, позволяющие в ряде случаев исключить механический редуктор, чем упростить конструкцию механизма, а также высокооборотные приводы в металлообработке, лабораторном оборудовании, бытовой технике. В первом случае эксплуатируется свойство ВИП - при простом токовом управлении создавать требуемый момент вплоть до нулевой скорости, во втором - предельно простая и прочная конструкция ротора, позволяющая выдерживать огромные механические напряжения, возникающие из-за центробежных сил на высоких скоростях. Как дальше будет развиваться ВИП-технология, покажет время. В любой ситуации можно смело утверждать, что еще долгое время ВИП будет интересным объектом научных изысканий, предметом применения последних достижений в анализе и синтезе сложных электромеханических систем средствами компьютерного моделирования. Может быть, все закончится тогда, когда будет решена задача, которую достаточно четко можно сформулировать уже сегодня: оценить предельные возможности ВИП и сравнить их с показателями альтернативных вариантов регулируемых электроприводов. Только сделать это необходимо и в теоретическом, и в практическом плане. 

10. Литература.

   1. Дискретный электропривод с шаговыми  двигателями / Под общей ред.  М. Г. Чиликина. - М.: Энергия, 1971. - 624 с.

   2. Electronic Control of Switched Relu-ctance Machines / Edited by T. J. E. Miller. -Newnes, 2001. - 272 p.

   3. Bartos, F. J. Springtime for Switched-Reluctance Motors // Control Engineering, Feb. 2003. - PP. 47-49.

   4. Bartos, F. J. Switched-Reluctance Motors and Controls Offer an Alternative Solution. 5/29/2003 11:32:00 AM Online Extra to Feb. 2003 Control Engineering.