Вентильные двигатели

При рассмотрении обобщенной машины было отмечено, что в машине постоянного тока механический преобразователь частоты — коллектор может быть заменен полупроводниковым преобразователем частоты на тиристорах или транзисторах. Вентильные двигатели — это электрические машины, функционально объединенные с управляемым полупроводниковым коммутатором. Они близки по конструктивным признакам и характеристикам к коллекторным двигателям. Так же как и коллекторные двигатели, вентильные двигатели имеют частоту вращения вала, не зависящую от частоты сети, регулирование частоты вращения осуществляется путем изменения потока возбуждения и тока в якоре. Вентильные двигатели обладают высоким пусковым моментом и хорошими энергетическими показателями. Благодаря отсутствию коллекторно-щеточного узла вентильные двигатели имеют большую надежность и долговечность.

Вентильные двигатели, как и коллекторные, имеют широкое разнообразие конструкций и схем включения обмоток.

На рис. 5.94 представлена схема вентильного двигателя, который имеет такую же обмотку якоря, как и машина по-

Многофазный вентильный двигатель стояипого тока

Рис. 5.94. Многофазный вентильный двигатель стояипого тока. На роторе вентильного двигателя 1 расположены обмотка возбуждения или постоянные магниты. В пазах статора располагается многофазная обмотка якоря 2, секции или группа секций которой присоединены через полупроводниковые блоки 3 к распределительным шипам 4 и сети.

В положении, показанном на рис. 5.94, открыты тиристоры 1' и 5". Ток якоря 1Я в обмотке статора проходит по двум параллельным ветвям, и, как в обращенной машине постоянного тока, создается вращающий момент. При движении ротора происходит переключение тиристоров датчиками положения ротора.

При повороте ротора по часовой стрелке на угол 360/т, где т — число отпаек (фаз) обмотки якоря (в рассматриваемой машине т = 8), происходит переключение тиристоров. Включаются тиристоры 2' и 6'", а 1' и 5" — отключаются

И т.д.

Таким образом, при вращении ротора вращается и поле якоря. При этом, как и в обычной машине, происходит электромеханическое преобразование энергии.

При реверсе работают пары тиристоров: 1" и 5', 2" и 6' и т.д. Включение и отключение тиристоров осуществляется путем подачи импульсов напряжения со специальных датчиков, реагирующих на положение ротора.

Схема трехфазного вентильного двигателя

Рис. 5.95. Схема трехфазного вентильного двигателя

Коммутатор по схеме рис. 5.94 получается громоздким, и вентильные двигатели по этой схеме практически не применяются. Чтобы упростить коммутатор, надо уменьшить число фаз машины.

Простейшей схемой вентильного двигателя является двухфазная схема, но наибольшее применение нашла трехфазная схема (рис. 5.95). В этой схеме вентильная коммутация осуществляется трехфазным инвертором.

Система вентильной коммутации обычно состоит из датчика синхронизирующих сигналов, системы формирования сигналов управления и управляемого коммутатора.

Датчик синхронизирующих сигналов задает порядок и частоту переключения элементов коммутатора. При позиционном управлении — это датчик положения ротора, а при фазовом — датчик фазы напряжения якорной обмотки. Датчик положения ротора представляет собой встроенный в машину узел, состоящий из чувствительных элементов, закрепленных на статоре, и сигнальных элементов, закрепленных на роторе. Обычно используются фотоэлектрические или магнитомодуляционные датчики.

Система формирования сигналов управления обеспечивает усиление и формирование синхронизирующих сигналов.

Управляемый коммутатор осуществляет бесконтактные переключения в силовых цепях вентильного двигателя и выполняется па полупроводниковых приборах или других переключающих элементах, например герконах.

В управляемых коммутаторах на полупроводниковых приборах используются полностью управляемые приборы (транзисторы, двухоперационные тиристоры) и не полностью управляемые (тиристоры, семисторы).

По способу коммутации управляемые коммутаторы на не полностью управляемых полупроводниковых приборах можно разделить на три вида: с естественной, принудительной и смешанной коммутацией. При естественной коммутации переключения происходят под действием ЭДС якорной обмотки. При принудительной коммутации управление тиристорами осуществляется под действием коммутирующего напряжения отдельного источника либо напряжения питающей сети. При смешанной коммутации имеет место комбинация первого и второго способов.

Вентильные двигатели могут питаться от сети как постоянного, так и переменного тока. Если управляемый коммутатор питается от сети постоянного тока, он представляет собой инвертор — преобразователь постоянного тока в переменный. Если управляемый коммутатор подключен к сети переменного тока, он выполняет функции преобразователя частоты.

Комбинации различных структур управляемых коммутаторов, способов инвертирования, типов ключевых элементов и схем их коммутации позволяют получить весьма обширную гамму коммутаторов, которые подробно рассматриваются в курсе промышленной электроники. Однако, несмотря па разнообразие, схемы управляемых коммутаторов

можно разделить по принципу преобразования электрических величин на преобразователи напряжения и тока.

В схеме инвертора напряжения в течение межкоммутационного интервала напряжение на нагрузке равно напряжению звена постоянного тока. Переток реактивной мощности обеспечивается обратным мостом и конденсатором.

В схеме инвертора тока благодаря сглаживающему реактору входной ток не меняет своего значения при переключениях вентилей.

Напряжение на нагрузке повторяет форму ЭДС фазы якоря. В инверторе напряжения синхронизируется фаза основной гармоники напряжения, а в инверторе тока — фаза основной гармоники тока.

Электромеханическая часть вентильных двигателей постоянного тока, как правило, аналогична известным конструктивным модификациям синхронных машин. Для маломощных приводов используются двигатели с постоянными магнитами, а также гистерезисные, реактивные и индукторные двигатели. В приводах средней и большой мощности используются двигатели с электромагнитным возбуждением.

Обычно конструкция вентильного двигателя идентична конструкции общепромышленных синхронных двигателей. Поскольку вентильные двигатели средней и большой мощности, как правило, питаются от управляемых коммутаторов, работающих в режиме инвертора тока с естественной или смешанной коммутацией, одним из требований к ним является минимальная длительность процесса коммутации. В целях снижения x'J и х" вентильные двигатели средней и большой мощности снабжают демпферной обмоткой с минимальным сопротивлением. Демпферная обмотка выполняется медной и имеет сечение проводников не менее 15-^20% сечения проводников якорной обмотки. В ряде применений целесообразно для снижения x’J и х" использовать якорь с беспазовой укладкой обмотки в немагнитном слое.

В первом приближении расчет вентильных двигателей можно проводить считая, что источник питания — управляемый коммутатор имеет бесконечную мощность. Тогда расчет электромеханической части вентильного двигателя проводится по обычной методике с учетом нссинусоидальности питающего напряжения.

Средний электромагнитный момент определяется так же, как и в синхронных машинах.

Как и двигатели с механическим коллектором, вентильные двигатели позволяют регулировать частоту вращения вверх от номинальной путем изменения тока в обмотке возбуждения, а вниз от номинальной — путем изменения тока в якоре.

Если полюсное регулирование частоты вращения не вызывает затруднений, то якорное регулирование, обеспечивающее широкий диапазон изменения частоты вращения, требует усложнения управляемых коммутаторов. Для этого в цепь якоря вводится широтно-импульсный модулятор. При якорном управлении вентильными двигателями средней и большой мощности регулирование частоты вращения осуществляется за счет регулирования тока в управляемом выпрямителе. Как и в двигателях постоянного тока, при глубоком регулировании частоты вращения вентильных двигателей усложняется схема регулирования и растут потери в коммутаторе.

Характерной особенностью вентильных двигателей, отличающей их от двигателей постоянного тока, является наличие дополнительного канала управления по углу синхронизации инвертора. Этот канал используется для обеспечения необходимой жесткости механической характеристики и достижения большей перегрузочной способности.

Вентильные двигатели применяются и в приводах небольшой мощности, где нежелательно применение механического коммутатора (проигрыватели, приборы магнитной записи и др.). Вентильные двигатели большой мощности нашли применение там, где ранее использовались нерегулируемые асинхронные или синхронные двигатели. Выполнены вентильные двигатели мощностью 1600 кВт с регулированием частоты вращения для привода компрессоров холодильных машин и насосов циркуляционных систем.

Особенно удачным является применение вентильных двигателей в космической электромеханике. Наличие сети постоянного тока и основное требование к двигателям — надежность и большой срок службы обеспечили широкое применение бесконтактным двигателям постоянного тока (БДПТ). На космических летательных аппаратах используют три серии БДПТ, работающие практически на всех искусственных спутниках Земли. Если в земных условиях основным двигателем является асинхронный двигатель, то в космосе — БДПТ [6].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >