Вентильные двигатели

 

Вентильные  двигатели 

 

       1. Определение и функциональная  схема ВД 

      Вентильные  двигатели (ВД) считаются в настоящее время наиболее перспективными электромеханическими преобразователями.

      В иностранной литературе двигатели  такого типа называются "brushlessDC-Motor" – BLDC.

      Определение ВД тесно связано с базовой  функциональной схемой ВД (рис.1). 

      

      Рис.1. Базовая функциональная схема ВД  

      Можно выделить четыре основных элемента ВД

      1) Электромеханический преобразователь  (электрическая машина ЭМ).

      2) Инвертор, выполняющий функции коммутатора, подключающий и отключающий фазы электродвигателя от источника питания по определенному алгоритму. Отдельно выделена в виде блока силовая часть - К.

      3) Датчик положения ротора ДПР  (может отсутствовать как отдельный  элемент ВД в том случае, если положение ротора определяется по кривой ЭДС).

      4) Система управления ключами инвертора  СУ, обрабатывающая сигналы, поступающие  с датчика положения ротора  и других датчиков.

      Определение

      Вентильный  двигатель представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электрической машины ЭМ и полупроводникового коммутатора фазных обмоток К, управление ключами которого производится системой управления СУ в зависимости от положения ротора.

      Информация  о положении ротора может быть получена с помощью явновыраженного датчика положения ротора ДПР или программным способом после обработки сигналов ЭДС рабочей обмотки. 

 

       2. Особенности ВД 

      2.1 Общие особенности 

      1) Наличие инвертора

      2) Наличие позиционной (то есть по положению) обратной связи.

      3) Говоря "АД", "ДПТ" мы подразумеваем, как правило, электрическую машину, определенного типа, работающую в двигательном режиме. В понятие "ВД" входит совокупность ЭМ, инвертора и, в большинстве случаев, явновыраженный ДПР. По существу ВД является электроприводом (см. определение в п.1.3). 

      2.2 Сходство и отличие между ВД и синхронными двигателями 

      Сходство.

      1) Пропорциональность между частотой  вращения ротора ВД и частотой вращения магнитного поля статора.

      2) В обоих типах двигателей могут  использоваться синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов или индукторные машины с ОВ (называются при этом не синхронные двигатели, а вентильные двигатели на базе синхронной машины).

      Отличие.

      1) У синхронного двигателя частота  коммутации ключей задается исходя  из желаемой частоты вращения.

      2) У синхронного двигателя частота вращения ротора n определяется частотой питающего напряжения f1 (n=60f1/p), а у вентильного двигателя, напротив, частота вращения поля статора определяется частотой вращения ротора (f1=pn/60), которая, в свою очередь, зависит:

      - от напряжения питания и других величин, определяющих положение механической характеристики;

      - от момента сопротивления.

      Другими словами особенностью ВД является самосинхронизация  с помощью ДПР [6]. 

      2.3 Сходство и отличие между ВД и коллекторными двигателями постоянного тока (КДПТ) 

      Сходство.

      Оба двигателя имеют близкие по виду характеристики.

      Отличия.

      1) Функции отсутствующего механического коллектора в ВД выполняет полупроводниковый коммутатор (инвертор), а функцию щеток – датчик положения ротора.

      2) Рабочая обмотка у КДПТ находится на роторе, а у ВД на статоре.

      3) Число фаз у ВД мало - обычно  равно трем, реже четырем, шести или большему числу. Число секций у КДПТ намного больше.

      Если  бы ВД имел столько же фаз, чувствительных элементов ДПР и стоек транзисторов, сколько КДПТ имеет коллекторных пластин, то по своим свойствам и характеристикам они ничем бы не отличались друг от друга. Однако увеличение числа элементов сильно усложняет конструкцию машины [6]. Поэтому электромагнитный момент ВД имеет пульсации 

 

       3. Достоинства и недостатки ВД 

      3.1 Достоинства ВД 

      ВД  обладают основными достоинствами КДПТ и АД и не имеют их недостатков. Часть достоинств ВД зависит от типа электрической машины, применяемой в ВД.

      Перечислим  достоинства ВД на базе синхронных машин с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов Nd-Fe-B [5]:

      1) Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания (нет щеточно-коллекторного узла и контактных колец).

      Это достоинство присуще также АД с короткозамкнутым ротором и отсутствует у КДПТ и АД с фазным ротором.

      Как следствие:

      1.1) Существенно повышается ресурс и надежность электропривода. Наработка на отказ составляет 10000 ч и более.

      1.2) Упрощается эксплуатация двигателя.

      У КДПТ изнашиваемость щеток при эксплуатации требует проверки их состояния и замены через определенное время.

      1.3) Появляется возможность использования ВД во взрывоопасной и агрессивной среде [13]. Также отсутствуют все те недостатки, о которых было сказано в разделе КДПТ.

      2) Вентильная коммутация тока в  обмотках допускает значительное  напряжение между выводами —  до нескольких тысяч вольт.  Обычный механический коллектор  удовлетворительно работает при  напряжении между коллекторными  пластинами не более 30—32 В  (максимальное допустимое 37—42 В) [24].

      3) Широкие возможности по регулированию выходных показателей электропривода при относительной простоте реализации системы управления.

      Другими словами: Простота реализации различных  видов механических характеристик, требуемых исполнительными механизмами.

      Превосходит по этому качеству АД (у ВД возможно эффективное управление по напряжению), частотно-управляемый АД (у ВД более простая схема преобразователя) и ДПТ (возможность векторного управления).

      3.1) Обеспечивается широкий диапазон регулирования частоты вращения (до 1:10000 и более).

      3.2) Имеется возможность оптимизации режимов работы при изменении скорости и нагрузки. Это также способствует повышению ресурса электродвигателя и всего агрегата.

      4) Большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно кратность максимального момента равна 5 и более).

      Отсутствует у АД.

      5) Высокие энергетические показатели (КПД и соsφ).

      5.1) КПД вентильных двигателей могут превышать 90%, Соsφ ВД – более 0,95 [13].

      У АД максимальный КПД составляет не более 86%.

      Высокий КПД обусловлен тем, что основные электрические и магнитные потери в роторе ВД с возбуждением от постоянных магнитов отсутствуют. Также мал  ток холостого хода.

      Высокий соsφ обеспечивается рациональным выбором угла включения фазы. А это может быть достигнуто путем соответствующей настройки датчика положения ротора или при векторном управлении.

      5.2) КПД вентильного двигателя мало меняется при изменении нагрузки и при колебаниях напряжения питающей сети.

      У АД КПД более существенно зависит от изменения нагрузки и напряжения питания (момент пропорционален напряжению в квадрате).

      6) Два следствия п.5.

      6.1) Более низкий перегрев ВД по сравнению с АД при одинаковой мощности и одинаковых размерах.

      Перегрев  в этом случае зависит от потерь, величина которых тем меньше, чем выше КПД и соsφ.

      6.1.1) Это увеличивает ресурс изоляционных материалов, а значит и срок службы электропривода в целом.

      6.1.2) Это позволяет электроприводу работать в нестандартных режимах с возможными перегрузками.

      6.2) Меньшие масса и габаритные размеры.

      Более высокий КПД и соsφ, то есть меньшие  потери, позволяют для фиксированной  мощности спроектировать двигатель  меньших размеров по сравнению с  АД. Это обеспечивается возможностью реализации более высоких значений линейной нагрузки и тех же значений индукций в воздушном зазоре (порядка 0,6-0,8 Тл) (при использовании высококоэрцитивных магнитов).

      7) Следствие п.4 и п.6.2.

      Высокое быстродействие; точность позиционирования [13].

      Обусловлено малой массой, а значит малым моментом инерции ротора и большим пусковым моментом.

      8) Минимальное значение токов холостого хода.

      Отсутствует у АД, у которых он расходуется на проведение магнитного потока.

      Позволяет достаточно точно измерять нагрузку на привод (пропорциональную току) и  оптимизировать режим работы.

      9) Линейность характеристик.

      Присуще КДПТ и отсутствует у АД. 

      3.2 Недостатки ВД 

      1) В отличие от коллекторного  ДПТ вентильный двигатель имеет  мало секций в обмотке якоря,  что приводит к наличию пульсаций в картине электромагнитного момента [6] (см.п.5.6).

      Способы снижения пульсаций электромагнитного  момента:

      - использование многофазных ВД;

      - подбор формы фазных токов [7];

      - выбор рациональной геометрии зубцовой зоны;

      - введение скоса пазов статора  или дискретного скоса на роторе.

      2) Наличие позиционной обратной связи и необходимость наличия специального датчика положения ротора.

      До  недавнего времени этот недостаток препятствовал широкому распространению вентильных электроприводов в оборудовании, где электродвигатель и станция управления им находятся на значительном расстоянии или в оборудовании, которое подвергается значительным механическим воздействиям вибрационного и ударного характера. В настоящее время эта проблема решается при бездатчиковом способе управления вентильными электроприводами, когда информацию о положении ротора получают из сигнала по напряжению в фазных обмотках.

      3) Относительно более сложная система управления двигателем [13].

      4) Высокая стоимость двигателя  при использовании дорогостоящих  постоянных магнитов в конструкции ротора [13].

      5) Электронный блок имеет большие  размеры и стоимость, по сравнению  с механическим скользящим контактом  [9].

      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.