Устройство и принцип действия вентильных двигателей

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ВЕНТИЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Д

вигатели постоянного тока (ДПТ) позволяют создавать высокоэффективные ЭП разнообразного применения для различ-ных областей техники,но они имеют существенный недостаток – наличие щеточно-коллекторного узла. Между тем сфера приме­нения автоматизированного ЭП непрерывно расширяется (бытовая и медицинская техника, электрический транспорт, космические аппараты и т.д.), повышаются требования к их надежности в самых разнообразных условиях (вакуум, резкие перепады температуры, тряска, вибрация, агрессивная среда и т.п.). В этих условиях эксплуатации механический коммутатор двигателей постоянного тока (щетка – коллектор) является недостатком и не обеспечивает достаточного уровня надежности. Реше-нием является применение вентильных двигателей, у которых механи-ческий коммутатор заменен электронным (полупроводниковым).

Вентильный двигатель (ВД) представляет собой синхронный дви-гатель, регулируемый путем изменения частоты с самосинхронизацией.

Для понимания физических процессов в ВД вспомним принцип действия ДПТ. В обычных ДПТ по окружности якоря расположен ряд секций (катушек), которые соединены между собой и образуют замкну-тую обмотку. Неподвижные полюсы создают магнитное поле, в котором вращается якорь. Ток к якорю подводится через щетки и коллектор, поэтому магнитное поле якоря направлено вдоль оси щеток. Момент ДПТ создается за счет того, что поле якоря стремится занять положение, соосное с полем возбуждения. Машина развивает наибольший момент, когда векторы указанных полей направлены под углом 90° друг к другу. Наличие коллектора с большим числом пластин обеспечивает неизмен-ное направление потока якоря, который, взаимодействуя с потоком возбуждения, создает постоянный момент.

В ДПТ каждое ответвление обмотки якоря присоединено к одной из пластин коллектора. Когда пластина находится под щеткой, соответству-ющее ответвление обмотки подключается к положительному или отри-цательному выводу источника питания.

В ВД могут применяться обычные якорные обмотки ДПТ, а работу многоламельного механического коллектора воспроизводят статические коммутаторы.

Для коммутации таких двигателей в зависимости от мощности ис-пользуются тиристоры или транзисторы. ВД могут работать как бескон-тактные ДПТ, если магнитный поток создается обмоткой возбуждения, питающейся постоянным током, а тиристоры или транзисторы управ-ляются в функции положения ротора.

Обмотка якоря, управляемая статическим коммутатором, создает в воздушном зазоре магнитное поле, которое вращается с синхронной частотой по отношению к якорю, как в обычном многофазном двигателе переменного тока. Для того чтобы в статическом коммутаторе произ-вести операции, аналогичные тем, которые производятся на коллекторе, необходимо вместо каждой пластины иметь одну пару тиристоров. Один из них обеспечивает протекание тока от шины с положительной полярностью к соответствующему ответвлению обмотки, а второй – от этого ответвления к шине, имеющей отрицательную полярность. Меха-нический коммутатор автоматически осуществляет переключение сек-ций в требуемом положении ротора, в то время как коммутация тирис-торов должна контролироваться датчиком положения вала ротора. В этом случае частота коммутации пропорциональна частоте вращения ротора.

При замене механического коммутатора статическим устройством число переключений уменьшают с целью ограничения числа тиристоров и лучшего их использования. На рис.11.1,а показаны кольцевая обмотка и простейший коллектор из трех пластин. В схеме тиристорного моста рис.11.2,а, каждое из трех ответвлений якорной обмотки подключается с помощью двух тиристоров к шинам с положительной и отрицательной полярностями, в результате чего получается схема трехфазного моста. Графики на рис.11.1,б и 11.2,б справедливы при синусоидальном изменении во времени ЭДС отдельных секций обмотки. Формы кривых напряжений на обоих рисунках одинаковы.

При анализе работы механического коммутатора принято, что ось щеток смещена относительно нейтрали на угол θ, и учтена ширина щеток, которой соответствует угол δ. На рис. 11.2,б показана форма напряжения для трехфазной мостовой схемы, работающей в инвер-торном режиме с углом опережения β, обеспечивающим необходимый запас на коммутацию (угол у) и восстановление запирающих свойств тиристоров. В обычных ДПТ коллектор содержит большое число пластин, так как допустимое напряжение между пластинами ограничено из условий диэлектрической прочности изолирующих прокладок. В статическом коммутаторе таких ограничений нет, и удовлетворительный режим работы достигается при небольшом числе коммутаций за один оборот ротора.

При наличии статического коммутатора двигатель может иметь об-ращенную конструкцию, когда на роторе обращенного двигателя распо-ложены обмотка возбуждения и два контактных кольца, а кольца, пока-занные на рис.11.2,а, в этом случае не нужны.

Таким образом, питающийся от мостового инвертора трехфазный СД подобен ДПТ.

Рис.11.1.Кольцевая обмотка и простейший коллектор

Рис.11.2.Эквивалентная полупроводниковая схема электрической машины со статическим коммутатором

Применение нашли ВД с трехфазной обмоткой якоря. Схема трехфазного синхронного бесконтактного ВД рис. 11.3, получающего питание от сети переменного тока через промежуточное звено постоян-ного тока – управляемый тиристорный выпрямитель В. Ротор ВД двух-полюсный, с постоянными магнитами или электромагнитной системой возбуждения. На роторе закреплен датчик положения ротора ДПР, кото-рый через систему управления СУ обеспечивает управление инвертором И. Дроссель с индуктивностью L_d поддерживает неизменным значение первичного тока I_d.

Использование датчика положения ротора является особенностью ВД, так как сигналы на переключение тиристоров инвертора поступают от системы управления в зависимости от положения ротора, благодаря чему может изменяться частота тока в обмотке ротора. Если бы инвер-тор был независимым ичастота инвертируемого тока поддерживалась неизменной, то рассматриваемая электромеханическая система инвертор – электрическая машина являлась бы обычным СД без регулирования частоты вращения.

Промежуточное звено постоянного тока разделяет частоты сети переменного тока и выхода инвертора, поэтому частота вращения двига-теля не ограничивается частотой сети.

Для ВД небольшой мощности инвертор может быть создан на полностью управляемых элементах (транзисторах, двухоперационных тиристорах), а для ВД средней и большой мощности – на не полностью управляемых элементах (тиристорах, семисторах), а также на полностью управляемых тиристорах (GTOs – gateturnoffthyristors).В последние годы в ВД применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBTs.

При вращении ротора ДПР через систему управления включает вен-тили инвертора и тем самым переключает токи в фазах обмотки якоря. На рис. 11.3 показаны соответствующие положения магнитного потока якоря Ф_A, Ф_B, Ф_С для трех моментов времени t₁ t₂, t₃. Ротор стремится повернуться так, чтобы его магнитный поток возбуждения Ф_B совпал с потоком обмотки фазы якоря. Когда оси потоков ротора и фазы якоря сближаются, ДПР дает сигнал на включение тока в следующей фазе, что вызывает дальнейший поворот ротора и т.д.

Рис. 11.3. Схема трехфазного синхронного бесконтактного ВД

Инвертирование ВД осуществляется с помощью известных инвер-торных схем. Датчики положения ротора ВД представляют собой встро-енный в двигатель узел, состоящий из чувствительных элементов, закреп-ленных на статоре, и сигнальных элементов, закрепленных на роторе. В относительно мощных ВД наибольшее распространение получили индук-ционные датчики. Существуют ДПР на основе магнитодиодов и фото-элементов. Если требуется глубокое регулирование частоты вращения двигателя, применяют ДПР типа бесконтактного сельсина, который фик-сирует и частоту вращения двигателя.

Кроме ДПР в вентильных двигателях могут использоваться: дат-чики, фиксирующие положение амплитуды полного магнитного потока (на базе датчиков Холла или индукционных элементов с насыщающейся магнитной цепью при прохождении мимо датчиков амплитуды потока двигателя); датчики фазы напряжения якорной обмотки; датчики длительности периода коммутации тиристоров (углау); датчики, сигналы которых пропорциональны напряжению и току двигателя (датчики нагрузки).

Дата добавления: 2014-11-29