Введение
Вентильный электродвигатель – это 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. 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 частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора, которая 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 безынерционны 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. Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих импульсов, 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 1200 и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создается вращающееся магнитное поле.
Исходные данные для проектирования
Для дальнейшего исследования в качестве исследуемого двигателя примем высокомоментный двигатель ДВУ2М215М-Ф мощностью 3 кВт и частотой вращения 3000 об/мин., характеристики которого представлены в таблице №1.
Условное обозначение двигателя серии ДВУ: ДВУ — двигатель вентильный управляемый, где 215 — диаметр окружности расположения центров отверстий на крепительном фланце; М—условная длина сердечника статора.
Таблица №1.
Тип двигателя ДВУ2М215М-Ф[1] (для приводов подачи станков) | |||
Максимальная частота вращения nmax, об/мин | 3000 | Электромеханическая пост. времени Тм, мс | 4,1 |
Вращающий момент при nmax М, Нм | 40 | Электромагнитная пост. времени Те, мс | 16,4 |
Номинальный момент при n=500 об/мин Мdo, Нм | 47 | Тепловая постоянная времени Тт, мин | 80 |
Длительный момент при n=0 Мо, Нм | 48 | Постоянная вращ. момента при 20С0 Км,Нм/А | 1,37 |
Номинальный ток фазы при 20С0 Ido, А | 36 | Сопротивление фазы при 20С0 Rф, Ом | 0,095 |
Максимальный ток Imax, A | 95 | Индуктивность 2-х фаз последовательно L, мГн | 3,1 |
Масса двигателя исполнение Т1, кг | 57 | Момент инерции ротора J, кгм2 | 0.0225 |
Рассчитаем параметры элементов силовой цепи.
Эквивалентное активное сопротивление двух фаз статора двигателя, включенных последовательно:
Rэ=Rдв =2 Rф = 2*0,095 = 0,19 Ом.
Индуктивность двух фаз статора двигателя:
Lдв =3,1 мГн.
Электромагнитная постоянная времени якорной цепи:
.
Номинальная скорость вращения двигателя:
.
Суммарный момент инерции привода:
.
Механическая постоянная времени:
.
Коэффициент обратной связи по скорости:
, примем
Коэффициент обратной связи по току:
Зададимся условиями ограничения параметров системы и примем
С учетом этих условий примем коэффициент обратной связи по току:
Примем km=0.1.
- коэффициенты пропорциональности между током и моментом; между угловой скоростью и ЭДС.
- коэффициент передачи преобразователя.
- число пар полюсов.