Вентильные двигатели

      12.3 Векторное управление ВД [22] 

      В современном вентильном электроприводе используются алгоритмы векторного управления.

      Идея  векторного управления для ВД состоит в следующем:

      1) формирование синусоидального тока

      2) разложение синусоидального тока  на две составляющих:

        - проекция вектора тока на продольную ось - ось полюса (direct axis) – Id; отвечает за создание потока (потокосоставляющий ток); эта составляющая тока аналогична току возбуждения ДПТ.

      - проекция вектора тока на поперечную  ось (quadrature axis) – Iq; отвечает за создание момента (моментосоставляющий ток); эта составляющая тока аналогична току якоря ДПТ.

      3) управление отдельными составляющими  тока

      Алгоритмы векторного управления широко используются в асинхронном электроприводе и  вентильных двигателях.

      В отличие от АЭП, в вентильном двигателе  на базе СМПМ и ИМ с ОВ поток создается  системой возбуждения. Поэтому управление по току Id может проводиться двумя способами:

      1) эта составляющая поддерживается  на нулевом уровне;

      2) либо изменяется (с целью ослабления  поля возбуждения). Цель: а) оптимизация процесса электромеханического преобразования энергии; б) осуществление регулирование частоты вращения СДПМ выше основной с постоянством мощности (как при двухзонном регулировании).

      Управление  током Iq производится таким образом, чтобы получить необходимые значения момента и частоты вращения.  

      12.4 Реверсирование ВД [15] 

      Для изменения направления вращения ВД необходимо изменить знак создаваемого двигателем электромагнитного момента.

      Согласно  выражению (3): 

      M=Fc*Фр*sin γ 

      При этом ВД должен иметь одинаковые (симметричные) характеристики при обоих направлениях вращения.

      Это условие выполняется при нейтральной  коммутации, при которой:

      - угол включения фазы 30 эл.град (угол  опережения 0);

      - среднее положение вектора потока  ротора Ф перпендикулярно вектору  МДС статора Fc.  

      

      Рис.13. Положение векторов Ф и Fc 

      Ротор стремится повернуться против часовой  стрелки, чтобы совместить вектор Ф (направлен вдоль оси полюса S-N) с вектором МДС статора Fc.

      Чтобы изменить знак момента, а значит и  направление вращения ротора, достаточно сдвинуть на 180 градусов положение одного из векторов (изменить его направление):

      - вектора МДС статора Fc.

      - вектора потока ротора Ф.Угол g между векторами Ф и Fc изменится на 180 градусов. 

      М=Ф Fc sin (g+180)= –Ф Fc sin g (12) 

      При этом ротор, стремясь совместить вектора потока ротора Ф и МДС статора Fc, сначала затормозится, а потом станет вращаться по часовой стрелке.

      Изменение положения вектора Ф возможно, если в качестве ЭМП в ВД используется двигатель с электромагнитным возбуждением.

      Способы изменения положения вектора  Ф аналогичны способам, применяющимся в КДПТ.

      1) Изменение полярности напряжения, подводимого к обмотке возбуждения при независимой ОВ.

      Этот  способ не может быть реализован при обычной схеме регулятора возбуждения, когда последовательно с ОВ включен ключ.

      2) Использование двух обмоток возбуждения с разным направлением намотки. Такой способ применяется и при последовательном возбуждении.

      Недостаток: постоянно работает только одна обмотка, а размесить нужно две.

      Способы изменения положения вектора  МДС статора Fc.

      1) Изменение полярности подводимого  напряжения к обмотке якоря  (как в коллекторном ДПТ). 

 

      

      Рис. 14. Схема инвертора, позволяющая  изменить полярность напряжения питания [15] 

      Возможно  только при специальных схемах инвертора, когда каждая фаза подключена к источнику питания, а последовательно соединенный с ней ключ включен в диагональ выпрямительного моста из четырех диодов (рис.14). Применение такой схемы приводит к дополнительным потерям в диодах, включенных последовательно с ключами.

      2) Переключение начал и концов фаз обмотки статора (рис.15). 

      

      Рис.15. Переключение начал и концов фаз [15] 

      Если  реверс происходит при работающем двигателе, такой способ реверса сопряжен с  переключением силовых цепей  и разрывом больших токов.

      3) Применение двух комплектов чувствительных элементов ДПР.

      4) Сдвиг на 180 эл.град. сигналов, поступающих  на управляющие электроды ключей  инвертора (достигается соответствующей  обработкой сигналов с ДПР).

      Наиболее  распространенный вариант. 

      12.5 Торможение ВД [15] 

      В тормозных режимах электромагнитный момент и скорость вращения направлены противоположно.

      Поэтому чтобы перевести ВД в режим  торможения, необходимо изменить знак создаваемого им электромагнитного  момента.

      При этом двигатель будет потреблять как электрическую, так и механическую энергию. Вся потребляемая энергия преобразуется в тепловую и расходуется внутри машины на нагрев ее частей, а также рассеивается в окружающую среду. Тормозные режимы – самые тяжелые с точки зрения нагрева частей электрической машины, поэтому большинство двигателей рассчитано лишь на кратковременную работу в тормозных режимах. 

      12.5.1 Торможение противовключением

      1 вариант. Торможение противовключением  получают путем изменения знака напряжения, подаваемого на фазу по отношению к ЭДС фазы.

      Было: W>0, I =(Uф –E)/ Rф, E>0, Uф>E, I>0, M=IE/W>0

      Стало: I =(–Uф–E)/Rф, E>0, I <0, M=I E/W<0; W>0 

      

      Рис. 16. Переход ВД в режим противовключения 

 

       Момент двигателя станет тормозным (направленным встречно инерционному вращению двигателя): (точка b рис.16, второй - левый верхний - квадрант снизу) и превышающим по модулю пусковой момент [23].

      Точке с соответствует останов двигателя (рис. 16).

      Если  при этом не отключить двигатель  от источника питания (если стоит  задача реверсирования), то при реактивном моменте сопротивления новый установившийся двигательный режим наступит в точке d (третий квадрант, рис. 16). Если момент сопротивления потенциальный – в точке е (четвертый квадрант снизу) (рис. 16) [23

      Торможение  противовключением является самым  эффективным видом электрического торможения.

      Режимы  торможения противовключением характеризуются  резким увеличением фазных токов (до значений, превосходящих пусковой ток). Поэтому и при торможении ток  ограничивают. Однако, эффективность  торможения при этом снижается, так  как уменьшаются тормозные моменты [23].

      Реализация  этого варианта торможения возможна одним из способов, применяемых для  реверсирования. 

      12.5.2 Динамическое торможение ВД

      ВД (инвертор) отключают от источника  питания и подключают на сопротивление Rд. В частном случае ВД может быть замкнут накоротко.

      Ток двигателя будет при этом равен I=–E/(R+Rд); E>0, I<0, M=IE/W<0

      В процессе торможения с уменьшением  скорости, уменьшается ЭДС, а вместе с ней ток и тормозной момент. Если бы на валу не было бы момента сухого трения, ВД при динамическом торможении останавливался бы за бесконечное время.

      

      Рис. 17. Переход ВД в режим динамического  торможения 

      В координатах механической характеристики рабочая точка из положения а  перейдет в положение b2 (рис.17) и остановится  в точке 0

      Пример  реализации режима динамического торможения

      После подключения инвертора на сопротивление  все транзисторы запираются (отключаются  цепи управления ДПР, от него приходит нулевой сигнал, соответствующий  отключенному состоянию ключей). Под  действием ЭДС вращения в фазах генерируются токи, замыкающиеся на сопротивление через обратные диоды. 

      12.5.3 Рекуперативное (генераторное) торможение

      От лат. recuperatio – возвращение.

      При таком виде торможения накопленная  кинетическая энергия не рассеивается в виде тепла, а возвращается в сеть. При этом двигатель работает как генератор (в генераторном режиме), что возможно благодаря свойству обратимости электрических машин. Обеспечивается экономия электроэнергии. Наиболее эффективно и широко используется в электрическом транспорте, имеющем большую массу (большую инерционность) (на электровозах, электропоездах и электромобилях). 

 

      

      Рис. 18. Переход ВД в режим рекуперативного  торможения 

      Участок механической характеристики, соответствующий  генераторному торможению, лежит во втором квадранте (рис.18).

      Увеличенная скорость возможна за счет потенциальной  энергии при движении транспорта под уклон (1) (отрицательный момент сопротивления), либо за счет кинетической энергии при замедлении движущейся системы (при уменьшении напряжения или увеличения потока) (2).

      Реализация:

      Все транзисторы инвертора заперты (напряжение снижено до нуля). Скорость ВД такова, что ЭДС Ed, полученная после выпрямления обратными диодами фазных ЭДС, больше напряжения питания: Ed>Uп. При этом:

      Iп(Iф)=(Uп–Ed)/Rц, Ed>0, U<Ed, Iп (Iф)<0, в момент Еф>0, т.е. M=IфEф/W<0.

      Энергия, накопленная во вращающихся массах, возвращается в источник питания, например, заряжая АБ.

      Под действием тормозного момента двигателя  скорость снизится, вместе с ней  снизится Ed до уровня Ed=U и процесс рекуперации энергии остановится.

      Отметим, что ВД на базе ИМ с последовательным возбуждением свойством рекуперативного  торможения не обладают (механическая характеристики не пересекает оси ординат).

  Размещено на Allbest.ru