Вентильные электродвигателии

Сибирский государственный  аэрокосмический  университет им. Академика  М.Ф. Решетнева 
 

Кафедра ТМС 
 
 

Вентильные  Электродвигатели 
 
 
 

Выполнил: Веретнов Игорь ст-т гр. Т-92

Проверила: Зверинцева Людмила Васильевна 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 2011

Принцип работы трехфазного вентильного двигателя

Вентильный электродвигатель — тип синхронной машины, реализованный  в замкнутой системе с использованием датчика положения ротора, системы  управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя. Часто их также называют бесконтактными двигателями постоянного тока или  обращенной машиной постоянного тока. 

Описание ВД 

Этот тип двигателя  создан с целью улучшения свойств двигателей постоянного тока.

В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в  виде постоянных магнитов), якорная  обмотка находится на статоре. Напряжение питания обмоток двигателя формируется  в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его  функцию выполняет полупроводниковый  коммутатор.

Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью  ДПР, в результате чего у ВД, наоборот, частота вращения поля пропорциональна  частоте вращения ротора, а частота  вращения ротора зависит от напряжения питания. 

Статор 

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки уложенной  в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Обычно это трехфазные, реже четырехфазные двигатели.

По способу укладки  витков в обмотки статора различают  двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной и синусоидальной формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально. 

Ротор 

Ротор изготавливается  с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного  и южного полюсов.

Вначале использовались ферритовые магниты для изготовления ротора. Они распространены и дешевы, но им присущ недостаток в виде низкого  уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты редкоземельных сплавов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

В двигателях большой  мощности вместо постоянного магнита  на роторе используется электромагнит. Напряжение питания к нему подается через контактные кольца установленные на роторе. 

Датчик положения  ротора 

Датчик положения  ротора (ДПР) реализует обратную связь  по положению ротора, выполняет ту же функцию, что и коллектор в  двигателе постоянного тока. Его  работа может быть основана на разных принципах — фотоэлектрический, индуктивный, на эффекте Холла, и  т. д. Наибольшую популярность приобрели  датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безинерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Фотоэлектрический датчик, в классическом виде, содержит три  неподвижных фотоприемника, которые  поочередно закрываются шторкой  вращающейся синхронно с ротором. Это показано на рисунке. Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть  различных положений ротора. Сигналы  датчиков преобразуются управляющим  устройством в комбинацию управляющих  напряжений, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трех обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создается вращающееся магнитное поле. 

Система управления ВД 

Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры  или силовые транзисторы с  изолированным затвором. Из них собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Система управления ключами обычно реализуется на основе использования  микроконтроллера. Наличие микропроцессора  требует большое количество вычислительных операций по управлению двигателем. 

Принцип работы ВД 

Принцип работы ВД, основан  на использовании датчика положения  ротора (ДПР), преобразователя координат  и силового полупроводникового преобразователя. Они совместно формируют на обмотках статора машины фазные напряжения таким  образом, чтобы результирующий вектор напряжения всегда был сдвинут на угол 90° и неподвижен относительно оси магнитного поля ротора.

Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф0 поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создается вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и  создает момент на валу двигателя.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает  МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном  режиме МДС статора отстает от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР. 

Управление двигателем 

Скорость ВД регулируется величиной подводимого напряжения к статору. На обмотки статора  необходимо последовательно подавать напряжение.

Регулирование подводимого  напряжения к двигателю осуществляется с помощью силовых ключей. Кроме  этого силовые ключи регулируют подводимое к двигателю напряжение, за счет чего и осуществляется изменение  скорости на валу двигателя.

В отличие от щеточного  электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется и  контролируется с помощью электроники.

Распространены системы  управления, реализующие алгоритмы  широтно-импульсного регулирования  и широтно-импульсной модуляции  при управлении ВД.

Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования  скорости — у двигателей с векторным  управлением. С помощью преобразователя  частоты осуществляется регулирование  скорости двигателя и поддержание  потокосцепления в машине на заданном уровне.

Особенность регулирования  электропривода с векторным управлением  — контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которым осуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.

Недостатком этих систем является сложность управляющих  и функциональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости. 

Достоинства и недостатки ВД 

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:

    • Высокое  быстродействие и динамика, точность  позиционирования

    • Широкий  диапазон изменения частоты вращения

    • Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина

    • Возможность  использования во взрывоопасной  и агрессивной среде

    • Большая  перегрузочная способность по  моменту

    • Высокие  энергетические показатели (КПД  более 90 % и соsφ более 0,95)

    • Большой  срок службы, высокая надежность  и повышенный ресурс работы  за счет отсутствия скользящих  электрических контактов

    • Низкий  перегрев электродвигателя, при  работе в режимах с возможными  перегрузками

Недостатки:

    • Относительно  сложная система управления двигателем

    • Высокая  стоимость двигателя, обусловленная  использованием дорогостоящих постоянных  магнитов в конструкции ротора