Современное состояние вопроса в области проектирования ВД
- 2.1 Вентильный индукторный двигатель
- 2.2 Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов
- 2.3 Выбор конструкции ВД
- 3 .1 Расчет ротора
- 3 .2 Расчет статора
- 3 .3 Расчет трапециидального паза
В настоящее время большинство развитых стран широко внедряют высокотехнологичную электротехническую продукцию [1], которая не только решает вопросы снижения энергопотребления, но и позволяет создавать электротехнические комплексы с малым выделением потерь и целым рядом новых качеств. Успехи в области силовой и микропроцессорной техники открыли благоприятные условия для создания нового поколения электроприводов на базе вентильных электродвигателей (ВД).
Практически все ведущие электротехнические фирмы мира осваивают в настоящее время выпуск таких электродвигателей.
Ведущими электротехническими компаниями освоен выпуск вентильных электродвигателей (от единиц ватт до сотен киловатт) для различных областей, в том числе аэрокосмической, транспортной, медицинской, станкостроительной, вычислительной техники и т.д.
Одним из основных препятствий для широкого внедрения вентильных приводов в оборудовании, является большая стоимость постоянных магнитов. Поэтому основное применение ВД нашли в авиационной и космической области, где стоимость изделия является второстепенным параметром.
В проекте разработано техническое задания на проектирование вентильного двигателя, рассмотрены методы анализа электромагнитных и электромеханических процессов в ВД, произведён аналитический расчет магнитной системы вентильного электродвигателя и построена компьютерная модель магнитной системы.
Основные направления совершенствования ВД[2]: разработка и использование более совершенных магнитных материалов, разработка новых вариантов конструкции ЭМП, миниатюризация электронной части машины, создание датчиков новых типов. В течение последних 10-15 лет у нас в стране и за рубежом разработаны технологии и налажен выпуск высококоэрцитивных магнитотвердых материалов на основе интерметаллических соединений кобальта с редкоземельными металлами. Высокая удельная энергия редкоземельных постоянных магнитов позволяет существенно снизить массу и габаритные размеры электрических машин. Совершенствование схем, конструкций и технологии изготовления ПК в настоящее время происходит путем широкого использования гибридной тонкопленочной технологии производства больших интегральных схем и силовых больших интегральных схем (СБИС), трудоемкость изготовления которых слабо зависит от их структурной сложности. Открываются принципиально новые функциональные и схемотехнические возможности интеграции цифровой и аналоговой обработки данных, фильтрации и преобразования сигналов, важнейшей из которых является создание отказоустойчивых мощных интегральных распределенных структур, «само защищённых» от перегрузок, нарушений в нагрузке и питании, и сохраняющих характеристики системы при локальных отказах в самой структуре.
Динамический расчет системы автоматического управления
... КЗ приведена на рис. 10. ;; . В результате расчетов значения элементов корректирующей цепочки будут: передача редуктор автоматический управление Определяем коэффициент передачи корректирующего звена Так как второе корректирующее ... 4.5 ПФ замкнутой САУ по ошибке от управляющего воздействия: 4.6 ПФ замкнутой системы по ошибке от возмущающего воздействия: 5. Синтез корректирующих звеньв 5.1 Синтез ...
Структуры СБИС позволяют практически детерминировано задать почти любой ресурс электронной части ВД. Наряду с совершенствованием материалов, элементов, конструкций, технологии производства и технических характеристик все более жесткие требования предъявляются к надежности ВД. Наиболее ярко эти требования проявляются при разработке и создании исполнительных элементов регулируемых электроприводов специальных механизмов и систем автоматики летательных аппаратов, когда в зависимости от назначения двигателя и условий его применения надежность определяется сочетанием нескольких свойств: безотказности, долговечности и сохраняемости. В качестве показателей надежности чаще всего выдвигаются требования обеспечения высокой вероятности безотказной работы (р=0,99500 … 0,99999), наработки до отказа (5000 … 20000 ч), назначенного ресурса ( 110000 … 350000 включений) при суммарном времени работы 250 …5500 ч) или назначенного срока службы (14 …20 лет), среднего срока сохраняемости (9 … 20 лет).
В связи с этим уже на стадии проектно-конструкторской проработки вариантов исполнения ВД необходимо учитывать современный уровень развития технологии электромашиностроения и электроники, проанализировать возможные отказы элементов и исследовать их влияние на выходные характеристики и работоспособность двигателя, предусмотреть оптимальные способы резервирования, мероприятия по диагностике технического состояния и управлению надежностью ВД. Эти вопросы являются составляющими частями системного подхода к проектированию сложных технических систем. Одним из путей создания двигателей повышенной надежности является увеличение числа фаз ЭМП при неизменной мощности двигателя. Это позволяет уменьшить величину тока в каждой фазе разомкнутой обмотки и выполнить ПК в интегральном исполнении, что дает возможность встраивать последний внутри корпуса электрической машины. Получаемое при этом многообразие возможных схем соединения, способов питания и алгоритмов коммутации фаз обмотки якоря позволяет реализовать ЭМП, структура и параметры которого могут автоматически меняться в зависимости от целей и условий функционирования, а автономное исполнение каналов коммутации каждой фазы обеспечит повышенную надежность машины на основе принципов функционального резервирования.
Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания
... элемент изображается прямоугольником, а взаимодействие элементов показывается стрелками. Рис.1.1. Функциональные схемы: а) двигателя; b ) регулятора c ) системы регулирования d ) системы управления Рис.1.2. Схема автоматического регулятора Уатта. 1- вал машины; ... обратной связи. Рис. 1.3 Виды регулирующих воздействий: а) отклонение регулируемого параметра; б) непрерывное воздействие регулятора; в) ...
Если в машине с малым числом фаз подавляющее большинство отказов элементов приводит к полному отказу двигателя, то в многофазной машине работоспособность может сохраниться, хотя при этом изменяются выходные характеристики двигателя. Отсюда появляется возможность иного пути резервирования. Увеличение числа фаз ЭМП уменьшает влияние отказа в канале управления или фазы ЭМП на характеристики ВД. С другой стороны, увеличение числа фаз приводит к увеличению вероятности отказа в одном из них. Поэтому здесь необходимо искать разумный компромисс, исходя из требований к выходным характеристикам с одной стороны, ресурсом и надежностью машины, с другой стороны. При известной вероятности отказа одного канала можно найти такое количество фаз ЭМП, при котором обеспечиваются заданные показатели надежности двигателя с учетом возможности возникновения одного или нескольких отказов в аппаратуре управления и удовлетворительные выходные характеристики ВД. Использование такого способа резервирования имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при исследовании физических процессов и проектировании ВД в целом. Способ совпадает с общим стремлением к увеличению числа фаз ЭМП, исходя из условий улучшения характеристик. Для решения перечисленных задач необходимо разработать общие методы исследования электромагнитных процессов для получения количественной оценки характеристик многофазных ВД в штатных режимах работы и при отказах отдельных элементов схемы.
В составе ВД нашли применение, главным образом, три типа бесконтактных электрических машин:
1) Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов.
2) Индукторные машины с обмоткой возбуждения (их также называют аксиальные).
3) Синхронно-реактивные машины (вентильный двигатель на их основе называют также вентильный индукторный двигатель, что вносит путаницу в терминологии названий ВД на базе машин 2 и 3).
Принципиально возможно использовать в составе ВД и классическую синхронную машину с электромагнитным возбуждением и даже асинхронную машину. Но в первом случае теряется одно из главных преимуществ ВД — бесконтактность, а в другом случае — сложно реализовать обратную связь по положению ротора.
2.1 Вентильный индукторный двигатель
Вентильноиндукторный двигатель (ВИД) [3] — это относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии, который сочетает в себе свойства и электрической машины, и интегрированной системы регулируемого электропривода. Как всякий электродвигатель, он обеспечивает преобразование электрической энергии, которая поступает от питающей сети, в механическую энергию, передаваемую в нагрузку. Как система регулируемого электропривода, ВИД дает возможность осуществлять управление этим процессом в соответствии с особенностями конкретной нагрузки: регулировать частоту вращения, момент, мощность и так далее.
ВИД представляет собой достаточно сложную электромехатронную систему, структурная схема которой приведена на рис. 2.1
Рисунок 2.1 — Структурная схемаВИД
В ее состав входят: индукторная машина (ИМ), преобразователь частоты, система управления и датчик положения ротора (ДПР).
Функциональное назначение этих элементов ВИД очевидно: преобразователь частоты обеспечивает питание фаз ИМ однополярными импульсами напряжения прямоугольной формы; ИМ осуществляет электромеханическое преобразование энергии, система управления в соответствии с заложенным в нее алгоритмом и сигналами обратной связи, поступающими от датчика положения ротора, управляет данным процессом.
Управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором
... асинхронного двигателя и работой двигателя при малых скольжениях также увеличиваются. При регулировании частоты в процессе управления скоростью асинхронного двигателя возникает необходимость изменения и амплитуды (действующего значения) напряжения источника питания. Так, электродвижущая сила обмотки статора асинхронного двигателя ...
По своей структуре ВИД ничем не отличается от классической системы регулируемого электропривода. Именно поэтому он и обладает всеми ее свойствами. Однако в отличие от регулируемого электропривода, например, с асинхронным двигателем, ИМ в ВИД не является самодостаточной. Она принципиально неспособна работать без преобразователя частоты и системы управления. Преобразователь частоты и система управления являются неотъемлемыми частями ИМ, необходимыми для осуществления электромеханического преобразования энергии. Это дает право утверждать, что совокупность структурных элементов, представленных на рис. 1, является не только системой регулируемого электропривода, но и электромеханическим преобразователем энергии.
ИМ, входящая в состав ВИД, может иметь различные конструктивные исполнения. На рис. 2.2, для примера, приведено поперечное сечение 4х-фазной ИМ конфигурации 8/6. При обозначении конфигурации ИМ первая цифра указывает число полюсов статора, вторая — ротора.
Рис. 2.2 Поперечное сечение 4х-фазной ИМ конфигурации 8/6.
Анализ рис. 2.2 показывает, что ИМ имеет следующие конструктивные особенности.
- Сердечники статора и ротора имеют явнополюсную структуру.
- Число полюсов относительно невелико. При этом число полюсов статора больше числа полюсов ротора.
- Сердечники статора и ротора выполняются шихтованными.
- Обмотка статора — сосредоточенная катушечная. Она может быть одно- или многофазной.
— Фаза ИМ, как правило, состоит из двух катушек, расположенных на диаметрально противоположных полюсах статора. Известны ИМ с удвоенным числом полюсов статора и ротора. В 4х-фазном исполнении они имеют конфигурацию 16/12. Фаза такой ИМ состоит из двух пар катушек, которые располагаются на полюсах статора таким образом, что их оси ортогональны.
- Катушки фазы могут быть соединены в электрическом отношении параллельно или последовательно; в магнитном — согласно или встречно.
- Обмотка на роторе ИМ отсутствует.
ВИД является и электрической машиной, и интегрированной системой регулируемого привода. Он представляет собой органическое единство ИМ, преобразователя частоты и микропроцессорной системы управления. Поэтому все его достоинства и недостатки можно разделить на две группы:
- характеристики, обусловленные ИМ;
- характеристики, обусловленные преобразователем частоты и системой управления;
- В соответствии с этими группами ниже приведены достоинства и недостатки ВИД.
Достоинства ВИД и недостатки, обусловленные ИМ:
- простота и технологичность конструкции ИМ;
- низкие потери в роторе;
- минимальные температурные эффекты;
- низкий момент инерции;
- возможность работы на больших частотах вращения;
- возможность работы в агрессивных средах;
- высокая степень утилизации.
- высокий уровень шумов и вибраций;
- плохое использование стали;
- работа возможна только совместно с преобразователем частоты;
- значительные отходы при штамповке;
Достоинства и недостатки ВИД, обусловленные преобразователем частоты и системой управления:
Обслуживание и ремонт электрических двигателей (ремонт синхронного двигателя)
... обслуживание и своевременный ремонт, а также соблюдать электробезопасность. В дипломной работе приведены технические данные ... роторами. коллекторных постоянного тока - Конструкция машин постоянного тока более сложная, стоимость выше и эксплуатация более дорогая, чем асинхронных, поэтому двигатели постоянного тока применяются в приводах, требующих широкого и плавного регулирования частоты ...
- возможность оптимального управления процессом электромеханического преобразования энергии для конкретного нагрузочного устройства;
- высокие массогабаритные и энергетические характеристики.
- пониженная электросовместимость с сетью из-за высокого содержания высших гармоник в токах обмоток.
Области применения ВИД
Наиболее целесообразно использовать ВИД в качестве электропривода механизмов, в которых по условиям работы требуется осуществление регулирования в широком диапазоне частоты вращения. Примером здесь могут быть электроприводы станков с числовым программным управлением и промышленных роботов.
Эффективность использования ВИД существенно повышается, если необходимость регулирования частоты вращения сочетается с тяжелыми условиями работы, как это имеет место быть в электроприводах для металлургии, горнодобывающей промышленности и подвижного состава электрического транспорта.
В промышленности есть большой класс устройств и механизмов, использующих нерегулируемый электропривод, где энергетическая эффективность существенно возрастает при использовании регулируемого электропривода. К таким устройствам, прежде всего, относятся компрессоры, насосы и вентиляторы. Использование здесь ВИД является весьма перспективным.
2.2 Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов
Вентильный электродвигатель [4] — это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока, потому что контроллер такого двигателя обычно питается от постоянного напряжения.
Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока. Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесколлекторных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ или BLDC).
Конструктивно они напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора. БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессор обработки сигналов. Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса питания — достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.
Двигатель постоянного тока
... сопротивление обмотки для установившегося режима. Потери и КПД. дипломная работа [336,8 K], добавлен 04.07.2014 Источник [Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/diplomnaya/dvigateli-postoyannogo-toka-2/ Двигатели постоянного тока Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока. Особенность ...
В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель).
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 (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором).
Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора.
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. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз — синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.
По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.
Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.
Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из сплавов редкоземельных элементов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.
Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. 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.
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 трёх 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 создаётся вращающееся магнитное поле.
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. Наличия микроконтроллера требует большое количество вычислительных операций по управлению двигателем.
Принцип работы ВД основан на том, что контроллер ВД коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекающим через обмотки ВД, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.
Бесконтактные двигатели
... обычного коллекторного двигателя бесконтактный двигатель постоянного тока обладает рядом характерных особенностей. 1. Силовая обмотка якоря расположена на статоре и состоит из нескольких катушек, сдвинутых относительно друг друга в пространстве. Ротор выполняют в ...
Градусы при расчете — электрические. Они меньше геометрических градусов в число пар полюсов ротора. Например, в ВД с ротором имеющим 3 пары полюсов оптимальный угол между векторами будет 90°/3 = 30°
Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся 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 создаёт 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 отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.
Управление двигателемосуществляется контроллером ВД. Контроллер ВД регулирует момент, действующий на ротор, меняя величину ШИМ.
В отличие от щёточного 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.
- 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 cosц более 0,95)
- Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов
- Низкий перегрев электродвигателя, при работе в режимах с возможными перегрузками
- Относительно сложная система управления двигателем
- Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора
2.3 Выбор конструкции ВД
В данном курсовом проекте стоит задача аналитического расчета вентильного двигателя мощностью 11 ватт и частотой вращения 15000 об/мин и последующим компьютерным моделированием магнитной системы в программе Elcut для последующей оптимизацией магнитной системы. Исходя из требуемых выходных параметров целесообразным будет выбор вентильного двигателя с постоянными магнитами. Статор имеет традиционную конструкцию в пазах которого уложена трёхфазная обмотка. Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов марки КС37А-130 имеет четыре полюса с бандажом, выполненным из титана рис. 2.3.
Техническая эксплуатация и ремонт двигателей постоянного тока
... Обсудим некоторые важные вопросы пуска и работы двигателей постоянного тока. Из уравнения электрического состояния двигателя следует, что I я = (U -- E)/Rя (11) В рабочем режиме ток якоря I я ограничивается э. д. ...
Рисунок 2.3 — конструкция ротора ВД
Источник
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/ventilnyiy-dvigatel/
