Структура тягового вентильного привода

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)»

 

 

Кафедра: «Электротехника»

 

 

Реферат

На тему: «Структура тягового вентильного привода».

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. 9АТМ

Иванов К.О.

Проверил Шмелев Г.А.

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012 г.

Содержание.

Введение.

Структура тягового вентильного привода. Принцип его работы.

Заключение.

Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Основным недостатком  коллекторных машин постоянного  тока является наличие у них щеточно-коллекторного  узла. Этот недостаток проявляется в следующем:

•  в среднем 25 % отказов  коллекторных машин постоянного  тока происходит из-за выхода из строя  щеточно-коллекторного узла;

•  щеточный контакт существенно  ограничивает допустимую линейную скорость вращения ротора электрической машины (80... 100 м/с), что не позволяет создать конструкций коллекторных машин, имеющих высокую мощность при малой массе и габаритах;

•  коллектор создает  дополнительные электрические и  механические потери;

•  щеточный контакт усложняет  обслуживание машины, загрязняет внутренние полости машины графической пылью, снижающей электрическую прочность изоляции.

Одним из радикальных путей  повышения надежности, расширения функциональных возможностей и улучшения характеристик электрических машин постоянного тока является отказ от использования коллектора.

Применение управляемых  полупроводниковых приборов — транзисторов и тиристоров позволило создать на этих элементах полупроводниковый коммутатор (ППК), способный заменить щеточно-коллекторный узел в машинах постоянного тока. Такие машины называют вентильными двигателями (ВД) и вентильными генераторами постоянного тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура тягового вентильного привода. Принцип его работы.

Вентильный электропривод  представляет собой электромеханическую систему (рис. 6.7), включающую три основных функциональных элемента: синхронный двигатель (СД), датчик положения ротора (ДПР) и полупроводниковый коммутатор (ППК). По такой простейшей схеме строятся относительно маломощные электроприводы, в которых ППК выполняется на транзисторах. В электроприводах значительной мощности, как отмечалось ранее, ППК выполнен на тиристорах и конструкцию электропривода дополняют блоком управления инвертором (БУ).

Рис. 1. Схема вентильного электропривода.

На статоре синхронного  двигателя размещена якорная  обмотка. На практике чаще всего используют двух- и трехфазные, реже четырех- и шестифазные обмотки. В рассматриваемом примере якорная обмотка имеет три фазы, сдвинутые относительно друг друга на угол 120^О. Начала обмоток обозначены на рис. 1 как А, В и С, концы соответственно X,Y и Z.                          

В качестве индуктора в  ВД относительно малой мощности используются постоянные магниты. Такие двигатели принято называть бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ). В более мощных машинах используется электромагнитный индуктор, получающий питание от сети постоянного тока через расположенные на валу ротора контактные кольца.

Вал СД механически соединен с датчиком ДПР, который выдает сигнал в БУ. Эти сигналы поступают на управляющие электроды тиристоров, открывая их в соответствии с пространственным положением ротора СД. Таким образом осуществляется подключение фаз обмотки двигателя к источнику постоянного тока напряжением U_C.

Конструктивное исполнение датчиков ДПР разнообразно. В них могут использоваться чувствительные элементы, реагирующие на изменения различных видов энергии: магнитной, электрической, световой и др. Наиболее чувствительными и малогабаритными являются датчики э.д.с. Холла (рис. 2). Такой датчик представляет собой тонкую полупроводниковую пластину с нанесенными на нее контактными площадками, к которым припаяны выводы 1-2, подключенные к источнику напряжения U₁, и выводы 3-4, с которых снимается выходной сигнал U₂. Если в цепи 1-2 протекает ток I, а датчик находится в магнитном поле, вектор магнитной индукции В которого перпендикулярен плоскости         пластины, то в датчике наводится э.д.с. и на выводах 3-4 появляется напряжение U₂. Значение э.д.с. зависит от величины тока I и магнитной индукции В, а полярность – от направления тока I в цепи 1-2 и направления вектора магнитной индукции В.

Число чувствительных элементов  ДПР обычно равно числу фаз  якорной обмотки машины. В ряде случаев благодаря особым схематическим решениям удается уменьшить их число и тем самым упростить ДПР и повысить надежность всей системы.

В вентильных двигателях небольшой  мощности (не более нескольких сотен ватт) коммутатор выполняют с использованием транзисторов. В более мощных применяют тиристоры, так как эти элементы способны коммутировать токи значительной величины. Имеет место также конструкция мощных ВД с ППК на составных транзисторах.

Тиристоры или транзисторы  работают в коммутаторе в режиме ключа, т. е. они имеют лишь два  устойчивых положения: открытое для  прохождения тока и закрытое. Переход  из одного положения в другое и  наоборот происходит в зависимости  от пространственного положения  ротора двигателя.

Рассмотрим работу вентильного  электропривода, упрощенная схема которого изображена на рис. 1. Для упрощения в некоторых источниках вентильный электропривод обозначается термином — вентильный двигатель (ВД). Пусть в некоторый момент времени ротор и связанный с ним поток возбуждения Ф_в занимают положение, показанное на рисунке, а БУ по сигналам ДПР включает соответствующие тиристоры VS1, VS4 и VS6. Последние, в свою очередь, подключают к источнику электроэнергии фазы обмотки двигателя СД, по которым начинают протекать токи I_АХ, I_YB, I_ZC. Порядок индексов в обозначении токов соответствует направлению токов в проводниках обмотки. Результирующая магнитодвижущая сила (МДС) обмоток, возникающая вследствие протекания указанных токов, создает магнитный поток Ф_1-4-6, направленный под некоторым углом к потоку Ф_в. Благодаря магнитным силам возникает электромагнитный момент и ротор СД начинает поворачиваться так, чтобы поток Ф_в совпал с потоком Ф_1-4-6.

Здесь индексы 1-4-6 указывают номера тиристоров, открытых при данном положении индуктора. Когда оси потоков сблизятся, ДПР выдает сигнал в БУ на переключение соответствующих элементов ППК, а именно на выключение тиристора VS6 и на включение VS5, благодаря чему ток I_ZC меняет свое направление. Как результат, поток якоря скачком переводится в положение Ф_1-4-6, что вызывает дальнейший поворот ротора СД против часовой стрелки. При сближении осей потоков Ф_в и Ф_1-4-6 по сигналу ДПР блок БУ вновь переключает элементы ППК — выключает VS1 и включает VS2. Теперь ток I_АХ меняет свое направление, вызывая очередной скачкообразный поворот потока якоря на угол 60° в положение Ф_1-4-6, что ведет к дальнейшему повороту ротора СД, и т.д. Порядок коммутации тиристоров по мере поворота ротора, а также изменение направления токов в обмотках фазы якоря показаны на рис. 3. За начало отсчета выбран момент, когда ротор СД занимал положение, изображенное на рис. 1. На диаграмме символом i_B обозначена первая гармоника фазного тока i_B. Первые гармоники i_A, i_B и i_C соответствующих фазных токов (на диаграмме показан только i_B ) сдвинуты относительно друг друга на угол 2π/3, т. е. инвертор таким образом преобразует постоянный ток в переменный трехфазный.

Рис. 3. Временные диаграммы токов трехфазного мостового ППК.

Если ротор выполнен явнополюсным, т. е. δ_d > δ_g , то X_ad > X_ag.

Если ротор неявнополюсный, т. е. δ_d = δ_g , то X_ad - X_ag. (рис. 4). В общем случае для синхронного двигателя согласно второму закону Кирхгофа имеем:

                         (1)

Здесь — индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря;

R_a — активное сопротивление якоря: .

Реакция якоря приводит к  существенному размагничиванию  машины. Если реакция якоря проявляет себя слабо, то ВД по протекающим в нем процессам ближе к коллекторному двигателю постоянного тока, чем к синхронному двигателю.

Процесс коммутации вентилей зависит от элементарной базы, на которой  выполнен тот или иной ППК. Как  уже отмечалось, конструктивно инвертор может быть выполнен на различных полупроводниковых элементах, выбор которых в первую очередь зависит от величины коммутируемых токов.

В неуправляемых  ППК используются диоды, содержащие два электрода — анод и катод. При прямом приложенном напряжении, когда анод положительный, а катод отрицательный, диод проводит ток. При обратном — диод закрыт. То есть открытие или закрытие осуществляется в зависимости от полярности приложенного напряжения. В настоящее время выпускают диоды, рассчитанные на токи до нескольких килоампер.

В управляемых  ППК применяют транзисторы, содержащие три электрода — эмиттер, коллектор и базу. Включить и отключить транзистор можно в произвольные моменты времени, подавая или снимая потенциал с его базы. Транзистор является полностью управляемым полупроводниковым прибором и используется в ППК, рассчитанных на токи до нескольких десятков ампер.

Помимо диодов и транзисторов в качестве элементов для ППК также используются тиристоры. В отличие от транзистора тиристор не полностью управляемый прибор, поскольку его отключение не может осуществляться в произвольный момент времени с помощью управляющего электрода. Для отключения тиристора необходимо создать паузу рабочего тока (10,..30 мкс). Создание такой паузы возможно либо за счет естественных процессов в цепях переменного тока, когда рабочий ток периодически падает до нуля (естественная коммутация), либо за счет дополнительных сменных элементов, создающих в нем паузу (искусственная коммутация). Тиристоры выдерживают значительные перегрузки по току и, как следствие, используются в ППК мощных ВД.

Рассмотрим параметры, характеризующие  процесс коммутации вентилей, на примере временных диаграмм фазных токов трехфазного мостового ППК на тиристорах (см. рис. 1) с естественной коммутацией.

Время, за которое ток  в отключаемом вентиле спадает  от некоторого значения I_d, имеет некоторое конечное значение, поскольку индуктивное сопротивление обмоток фаз не равно нулю. Этому периоду, называемому периодом коммутации, соответствует угол у (см. рис. 3).

Индуктивное сопротивление  обмотки фазы во время коммутации определяется выражением

 

где - частота фазного тока, обусловленная коммутацией вентилей;

L_k — индуктивность обмотки при коммутации. В оценочных расчетах часто принимают X_к = .

По окончании периода  коммутации, когда ток в отключенном  вентиле упал до нуля, к вентилю  в течение δ_н приложено обратное напряжение. Это создает требуемую паузу тока для надежного отключения тиристора. Угол δ_н  называется углом запаса запирающей способности вентиля. Он не должен быть меньше некоторой предельной величины:

 

где — время паузы тока ( 10...30 мкс).

В общем случае параметром, характеризующим работу ППК, является угол опережения инвертора β, который определяется как

 

Скачкообразное перемещение  потока относительно ротора сглаживается за счет использования демпферных обмоток, и можно полагать, что для ВД большой и средней мощности поток якоря вращается равномерно со средней скоростью ротора. То есть в ВД имеются вращающаяся м.д.с. якоря и ротор с магнитными полюсами, вращающийся с той же (синхронной) скоростью, что и м.д.с. якоря.

Что касается характеристик  вентильных двигателей, то они зависят от способа управления полупроводниковыми элементами инвертора.

Если управление инвертором независимое, когда его работа не связана с пространственным положением ротора двигателя, то ВД по своим характеристикам  в принципе не отличается от синхронного  двигателя. Но основная задача при создании ВД — получить двигатель со свойствами коллекторного двигателя постоянного тока. Это оказывается возможным лишь при зависимом управлении работой инвертора, когда переход его элементов из открытого состояния в закрытое и наоборот происходит в зависимости от пространственного положения ротора двигателя.

На основании вышеизложенного  следует, что анализ ВД можно проводить  как на базе теории синхронных машин, так и по средним параметрам, с  использованием элементов теории машин  постоянного тока.

Основные особенности  органичного объединения ППК  и СД в вентильный двигатель начинают проявляться именно при зависимом управлении элементами коммутатора. В этом случае помимо того, что системой управления регулируется подводимое к двигателю напряжение U_С и э.д.с. холостого хода Е₀, в случае электромагнитного возбуждения, частота тока в обмотке якоря также может изменяться. Кроме этого, на работу ВД большое влияние оказывают коммутация вентилей и реакция якоря.

В рабочем режиме синхронной машины по обмотке якоря течет  ток I, который создает магнитный поток реакций якоря Ф_а, замыкающийся через статор и ротор, а также поток рассеяния Ф_ωа, замыкающийся вокруг обмотки якоря и не сцепленной с ротором.

Поток Ф_а состоит из продольного потока Ф_ad и поперечного Ф_аq, каждый из которых наводит в обмотке якоря свою э.д.с. реакции:

                                                (2)

                                                 (3)

где и — индуктивные сопротивления продольной и поперечной реакции якоря;

 и — токи, создаваемые соответственно потоками Ф_аd и Ф_aq.

Значения параметров X_ad и X тем больше, чем больше потоки Ф_ас/ и Ф а последние, в свою очередь, тем больше, чем меньше воздушные зазоры 8   и 8_d по осям d и q (рис. 4).

Рис. 4. Поперечное сечение  синхронной машины:

а – с явнополюсным ротором; б – с неявнополюсным.

Зависимость между основными  осредненными электромагнитными и механическими показателями ВД могут быть представлены формулами, подобными аналогичным формулам для коллекторных машин постоянного тока.

Среднее значение линейной противо-э.д.с. определяется следующим способом:

                                                           (4)

где

                                                            (5)

                                                  (6)

где - коэффициент инвертирования;

Ф — максимальный магнитный  поток с учетом реакции якоря  и рассеяния;

ω — угловая частота вращения, 1/с;

Р — число пар полюсов;

N — число проводников обмотки якоря;

k₀ — обмоточный коэффициент.

Уравнение напряжений двигателя  в установившемся режиме имеет вид:

                                                    (7)

где U_d равно приложенному напряжению U_c;

I_d — среднее значение тока, потребляемое двигателем;

R_a — некоторое эквивалентное сопротивление цепи якоря.

Тогда с учетом (4) получим:

                                                      (8)

Электромагнитная мощность двигателя:

                                                         (9)

С учетом (6) развиваемый двигателем момент будет определяться как:

                                                (10)

где ω_р - угловая частота вращения ротора ВД:

 

Формулы (8) и (10) подобны аналогичным формулам коллекторных двигателей постоянного тока. Специфика ВД проявляется в наличии коэффициента k_U и использовании полного потока Ф с учетом реакции якоря, которая, как уже отмечалось, приводит к существенному размагничиванию машины.

Как следует из выражений (8) и (10), частоту вращения ротора ВД можно регулировать, изменяя напряжение питания, активное сопротивление в цепи якоря, ток возбуждения (в случае электромагнитного возбуждения ВД) и угол опережения инвертора. Первые три способа такие же, как для двигателей постоянного тока, четвертый способ является специфическим для ВД.

На рис. 5 показан внешний вид регулировочных характеристик ВД для указанных способов управления.

Рис. 5. Регулировочные характеристики вентильного электропривода.

Характер зависимости  ω(β) объясняется тем, что при увеличении β сильнее проявляется размагничивающая реакция якоря, полный магнитный поток уменьшается и для создания необходимой противо-э.д.с. при U_d = const требуется большая частота ω. Пределы изменения β выбираются с учетом того, что при его малых значениях угол запаса инвертора δ_и приближается к δ_{и пр}, а при больших β двигатель может выпасть из синхронизма.

Механические характеристики вентильного двигателя соответствуют механическим характеристикам двигателя постоянного тока независимого возбуждения на рис. 6 и 7. В первом случае регулирование угловой скорости двигателя осуществляется изменением питающего напряжения. Во втором — изменением сопротивления якорной цепи.

Рис. 6. Механические характеристики вентильного электропривода при различных напряжениях питания U_н > U₁ > U₂.

Рис. 7. Механические характеристики при реостатном регулировании угловой скорости вентильного электропривода R_д1 > R_д2.

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

В последнее время, этот тип  двигателей быстро приобретает популярность, проникая во многие отрасли промышленности. Находит применение в различных  сферах использования: от бытовых приборов до рельсового транспорта.

ВД с электронными системами  управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Достоинства:

1) широкий диапазон изменения частоты вращения

2) бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина

3) возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде

4) большая перегрузочная способность по моменту

5) высокие энергетические показатели (КПД более 90 %)

6)большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов

Недостатки:

1) относительно сложная система управления двигателем

2) высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора

3) во многих случаях более рациональным оказывается применение асинхронного двигателя с преобразователем частоты.

Для применений, комбинирующих  максимально достижимый КПД с предельно простыми и надёжными блоками управления (ключевой коммутатор, не использующий ШИМ), можно также выделить следующую особенность: Несмотря на то, что обороты могут широко варьироваться управляющим блоком, приемлемый КПД можно получить лишь в относительно узком интервале угловых скоростей. Это определяется индуктивностью обмоток. Если скорость будет ниже оптимальной, продолжающаяся подача тока в данную фазу, после достижения предела магнитного потока, будет приводить лишь к ненужному нагреву. На скоростях выше оптимальной, магнитный поток в полюсе не достигнет максимума из-за ограниченного индуктивностью времени нарастания тока. Примерами таких двигателей являются модельные бесколлекторные комплекты. Они должны быть эффективными, лёгкими и надёжными, а для того чтобы обеспечить оптимальную угловую скорость при заданной нагрузочной характеристике, производители выпускают модельные ряды с различными индуктивностями (числом витков) обмоток. При этом, меньшее число витков соответствует более быстроходному двигателю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

1. «Электрический привод»,  Овсянников Е.М. – М.: ФОРУМ, 2011.

2. «Электрооборудование  Автотранспортных средств с тяговыми электроприводами», Овсянников Е.М., Долбилин Е.В., Кошеляев Е.М. – М.: Издательство «Палеотип», 2010.