(495)510-98-15
Меню
Главная »  Комплексная автоматизация производства 

1 2 [ 3 ] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

тока полупроводниковых ключей равны нулю (без учета индуктивности секций якорной обмотки) и рассеиваемая на них мощность минимальна при прочих равных условиях. Вместе с тем для снижения массы на единицу мощности, стоимости и повышения надежности ВД настоятельно необходимым является упрощение коммутирующих устройств этих двигателей, т. е. совершенствование их структур, под которыми подразумевается число элементов, их сложность, число соединений между ними и т. д. Одним из возможных способов реализации данного условия является введение в схему ВД сфазированных источников вольтодобавки, которые и рассмотрены в следующей главе.

Глава 2

ВЕНТИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ СО СФАЗИРОВАННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ВОЛЬТОДОБАВКИ

2.1. О влиянии формы ЭДС в секциях якорной обмотки ВД на его энергетические свойства

д (а) - Z ei (а) ]

Выражение ----= 0, в котором и(а) -напряжение питания ВД; е,-(а) -ЭДС (-го источника ЭДС; а - текущее значение угла поворота рогора, устанавливает требования к форме суммарной ЭДС, действующей в цепях секций якорной обмотки, реализация которых обеспечивает предельное повышение КПД одного из основных узлов ВД - электрической машины. Согласно этому выражению для постоянного напряжения питания ВД прямоугольная форма суммарной ЭДС на интервале коммутации является оптимальной, так как обеспечивает минимальные пульсации тока, а следовательно, и минимальные потери мощности в секциях якорной обмотки машины. Кроме того, выполнение указанного условия позволяет существенно уменьшить потери на переключения в полупроводниковых ключах, так как в этом случае ток коллекторов транзисторов на концах интервала коммутации при прочих равных условиях будет минимальным.

В известных ВД прямоугольная (или близкая к ней) форма суммарной ЭДС обеспечивается последовательным включением нескольких секций, ЭДС вращения в которых сдвинуты между собой по фазе, уменьшением угла сигнального сектора ДПР

(рс < 180° эл.), выбором определенной конфигурации индуктора (постоянного магнита) и воздушного зазора машины, а также специальным распределением обмотки якоря и сокращением ее шага [6].

Рассмотрим условия, при которых достигаются минимальные пульсации ЭДС, а следовательно, и токов в обмотках наиболее распространенных в электроавтоматике ВД с последовательным и параллельным подключением секций к источнику питания.

Для ВД с последовательным подключением пар секций, сдвинутых между собой на 90° эл., оптимальной является ЭДС треугольной формы [10]. Наиболее близкой к ней и проще всего реализуемой является ЭДС синусоидальной формы, при которой максимальный КПД электрической машины с учетом потерь только в меди достигает 82 % [4].

Для ВД с параллельным подключением секций оптимальной является ЭДС прямоугольной формы [6, 7, 10]. При значениях углов сигнального сектора ДПР, лежащих в пределах n/s =gC sg: рс <С it, практически приемлемую форму ЭДС в секциях можно получить путем сокращения полюсной дуги магнита и шага обмотки якоря (s - число секций). Однако эти меры приводят к усложнению конструкции, значительному увеличению габаритов и снижению коэффициента использования электрической машины по мощности [4, б]. При синусоидальной ЭДС в секциях высоких значений КПД таких двигателей можно достичь путем уменьшения угла сигнального сектора ДПР до значения рс = n/s. Однако при этом значительно ухудшается использование активных материалов машины (коэффициент использования обмотки якоря в указанном случае при нереверсивном питании секций равен всего 0,25). Увеличение (Зс до л с целью повышения (в два раза) коэффициента использования активных материалов приводит к значительному снижению КПД (с 82 % до 40 %) и большим по амплитуде пульсациям тока в секциях [4, 10].

Вместе с тем при синусоидальной форме ЭДС в секциях, нереверсивном их питании вентильным электродвигателям с параллельным подключением секций присущи максимальная конструктивная простота, повышенная надежность и низкая стоимость. Кроме того, при (Зс = 180° эл. пусковой момент, развиваемый двигателем, достигает максимального значения, а его ток, протекая по нескольким секциям одновременно, обусловливает возможность применения в коммутаторе силовых транзисторов с небольшим коэффициентом загрузки по току или рассчитанных на меньшие в sj раз токи, чем в других типах ВД одинаковой мощности (s\ - число секций рассматриваемого ВД, одновременно подключенных к источнику питания через насыщенные транзисторы коммутатора). Последнее создает предпосылки для существенного упрощения и уменьшения массы и



габаритов коммутатора особенно в тех случаях, когда применение в ВД параллельного подключения секций вместо обмоток других типов позволяет использовать в его схеме простейшие транзисторные ключи.

Все здесь описанное объясняет повышенный интерес к исследованиям возможностей улучшения энергетических показателей ВД с параллельным подключением секций при синусоидальной ЭДС в них и значении угла сигнального сектора ДПР, равном 180° эл.

Рассмотрим способ формирования ЭДС, близкой по форме к прямоугольной, в цепях секций якорной обмотки ВД с одно-полупериодными и двухполупериодными (мостовыми) коммутаторами. Он заключается во введении в цепи секций якорной обмотки источников вольтодобавки, сфазированных с ЭДС вращения двигателя [11].

2.2. Формирование оптимальной противо-ЭДС в ВД

со сфазированными источниками вольтодобавки

На рис. 2.1, а представлена схема четырехсекционного ВД с источниками вольтодобавки. Секции Ы-L4 якорной обмотки электрической машины через транзисторы VT1-VT4 подключены параллельно к источнику питания, причем геометрические оси пар секций L1,L2 и L3,L4 сдвинуты между собой на 90° эл. К общей точке секций Ы, L2, геометрические оси которых сдвинуты между собой на 180° эл., подключены разноименные зажимы источников вольтодобавки es, еъ, соединенных между собой последовательно. Общая точка этих источников соединена с зажимом источника питания ВД. Управление источниками вольтодобавки осуществляется так, что амплитуда их ЭДС равна половине амплитуды ЭДС секций, а частота-удвоенной частоте ЭДС секций при любой частоте вращения ВД, отличной от нуля. Тогда при синусоидальных ЭДС будут справедливы соотношения:

--cos2pQ/; (2.1)

- cos 2pQt, (2.2)

где в\ - е4 - ЭДС в соответствующих секциях ВД; eiy е% - ЭДС вольтодобавки; Es = C£Q - амплитуда ЭДС в секциях ВД; CE - pkwws®t, - для параллельного подключения секций; р- число пар полюсов индуктора; Ф6 - магнитный поток индуктора в воздушном зазоре ЭМ, приходящийся на пару полюсов; ws - число витков в секции якорной обмотки; kw = kpky - обмоточный

ei=EssinpQt I е2 = -£s sin pQ/ J e3 = Es cos pQt J 4 = -Es cos pQt J

коэффициент; kp = ~ коэффициент распределения; q-

число катушек якорной обмотки на полюс и фазу; ky = cos е/2-

-о -U


\0ткрытУП0трытУТ2.


WW®открыт \0ткрыт

>2.<0)f


2ТС Lot

Рис. 2.1. Четырехсекционный ВД С источниками вольтодобавки: а - принципиальная схема; в - временнйе диаграммы, поясняюсь <со? щие принцип работы двигателя

коэффициент укорочения обмотки якоря; е- угол сдвига по фазе между ЭДС активных проводников катушки якорной обмотки, возникающий из-за укорочения витка; Q = 2яп/60 - угловая



частота вращения ротора ВД, с-1; п - частота вращения ротора, об/мин; 7 - угол сдвига по фазе между ЭДС соседних катушек якорной обмотки.

Аналогичные соотношения между амплитудами и частотами должны соблюдаться и при треугольной форме ЭДС в секциях ВД (рис. 2.1, б).

Для уяснения физики процессов в ВД с источниками вольто-добавки достаточно рассмотреть временные диаграммы, представленные на рис. 2.1,6 и отражающие взаимодействие треугольной ЭДС вращения в секциях с ЭДС источников воль-тодобавки при установившейся работе двигателя. Так как процессы коммутации секций ВД периодичны, рассмотрим указанные диаграммы только для двух следующих друг за другом интервалов коммутации, соответствующих подключению секций LI, L2(L3, L4) к источнику питания.

На рис. 2.1,6 представлена временная диаграмма ЭДС секций Ll(ei), L2 (ег), соответствующая следующим друг за другом моментам насыщения транзисторов VT1 и VT2. Там же изображены временные диаграммы ЭДС источника вольтодобавки е5 и суммы ЭДС е\ (е2) и еь. Кроме того, на рис. 2.1,6 приведены аналогичные диаграммы для секций L3, L4 и источника вольтодобавки е6.

Анализируя временные диаграммы на рис. 2.1,6, можно выявить важные особенности ВД со сфазированными источниками вольтодобавки.

Во-первых, ЭДС источников вольтодобавки и секций, подключенных к источнику питания через открытые транзисторы, суммируются для углов поворота ротора, соответствующих концам интервалов коммутации, обеспечивая тем самым постоянство амплитуды суммарной ЭДС (см., например, диаграммы для ЭДС е, и е5 при 0 со/ л/4 и Зл/4 < со/ л). Вид суммарной ЭДС в цепях секций L1{L2) и L3(L4), находящихся под током, показан на рис. 2.1,6 (ЭДС еБГ измерялась между точками Б и Г коммутатора при поочередной коммутации секций транзисторами VT1- VT4 в соответствии с сигналами ДПР и при отключенном источнике питания).

Указанное обстоятельство существенно уменьшает пульсации тока секций, увеличивая КПД и коэффициент использования двигателя в широком диапазоне нагрузок на его валу.

Во-вторых, ЭДС источников вольтодобавки и источника питания суммируются в цепях секций, обтекаемых током, для углов поворота ротора, соответствующих середине интервала коммутации, существенно увеличивая напряжение, приложенное к секции (см., например, диаграммы для ЭДС ех и е5 при л/4 со/Зл/4). Максимум вольтодобавки (ЭДС еь или е6) приходится на момент, когда угол между векторами магнитного потока ротора и МДС секций равен л/2, что обеспечивает максимальное приращение вращающего момента двигателя. Инте-

тральное действие этого приращения приводит к значительному увеличению частоты вращения и, следовательно, мощности электродвигателя по сравнению с их значениями для ВД без источников вольтодобавки.

2.3. Двухобмоточный дроссель в цепях секций ВД

как источник сфазированных вольтодобавок

На первый взгляд может показаться, что рассмотренный выше способ повышения энергетических характеристик ВД технически трудно реализовать из-за необходимости автоматического изменения частоты и амплитуды ЭДС источников вольтодобавки пропорционально частоте вращения электродвигателя. Для этой цели можно использовать или ЭДС синхронного генератора, совмещенного с ВД и имеющего индуктор с удвоенным по сравнению с индуктором двигателя числом полюсов, или ЭДС статического преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение треугольной формы, синхронизированное с частотой вращения ВД. Все эти методы приводят к существенному усложнению вентильного электродвигателя.

Наиболее просто реализовать управляемые источники вольтодобавки в ВД путем введения вольтодобавочного дросселя в цепи секций якорной обмотки. При работе двигателя в обмотках такого дросселя будут индуктироваться ЭДС, изменяющиеся во времени в соответствии с рис. 2.1,6. Покажем это.

На рис. 2.2, а представлена схема ВД с двухобмоточным дросселем в цепях секций якорной обмотки [11].

Взаимное расположение секций LI - L4 якорной обмотки, ЭМ и способ их подключения к источнику питания такие же. как и в предыдущей схеме. К общим точкам пар секций LI, L2 и L3, L4 подключены выводные концы двух согласно соединенных между собой обмоток дросселя L5, выполняющего функции источников вольтодобавки. Средняя точка обмоток дросселя О соединена с зажимом источника питания.

Для определения параметров ЭДС в обмотках дросселя рассмотрим электромагнитные процессы в схеме при установившейся частоте вращения ротора с учетом допущений, позволяющих значительно упростить математические выкладки:

1) ЭДС в секциях LI - L4 имеет синусоидальную форму;

2) угол сигнального сектора ДПР р\ = л;

3) индуктивность секций не влияет на электромагнитные процессы в ВД. Это допущение принимаем с учетом того, что для двигателей малой мощности с ротором в виде постоянного магнита индуктивность обмотки мала, так как мала проницаемость магнита;

4) напряжение, приложенное к обмоткам дросселя, не может насытить его магнитопровод;



1 2 [ 3 ] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31



© 2018 ООО "Стрим-Лазер": Лазерная гравировка.
Все права нотариально заверены. Копирование запрещено.