Тема 5.1 Вентильные и асинхронные двигатели

Устройство и особенности конструкции асинхронных и вентильных тяговых двигателей. Режимы работы. Характеристики. Регулирование частоты вращения асинхронных тяговых двигателей.

Литература: [2] с.32-35.

Методические рекомендации

Вентильный электродвигатель (ВД) - это замкнутая электромеханическая система, состоящая из синхронной машины с синусоидальным распределением магнитного поля в зазоре, датчика положения ротора, преобразователя координат и усилителя мощности.

Механическая и регулировочная характеристики вентильного двигателя линейны и идентичны механической и регулировочной характеристикам электродвигателя постоянного тока. Как и электродвигатели постоянного тока, вентильные двигатели работают от сети постоянного тока. ВД можно рассматривать как двигатель постоянного тока, в котором щёточно-коллекторный узел заменён электроникой, что подчёркивается словом "вентильный", т.е. "управляемый силовыми ключами" (вентилями). Фазные токи вентильного двигателя имеют синусоидальную форму. Как правило, в качестве усилителя мощности применяется автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией.

Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре и характеризуется прямоугольной формой фазных напряжений.

Достоинства вентильного двигателя:

- широкий диапазон изменения частоты вращения;

- бесконтактность и отсутствие узлов, требующих частого обслуживания (коллектора);

- возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде;

- большая перегрузочная способность по моменту;

- высокие энергетические показатели (КПД выше 90 %);

- большой срок службы и высокая надёжность за счёт отсутствия скользящих электрических контактов.

Вентильные двигатели характеризуются и некоторыми недостатками, главный из которых - высокая стоимость. Однако, говоря о высокой стоимости, следует учитывать и тот факт, что вентильные двигатели обычно используются в дорогостоящих системах с повышенными требованиями по точности и надёжности.

Недостатки вентильного двигателя:

- высокая стоимость двигателя, обусловленная частым использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора.

- относительно сложная структура двигателя и управление им.

Конструкция вентильного двигателя:

Конструктивно современные ВД состоят из электромеханической части (синхронной машины и датчика положения ротора) и из управляющей части (микроконтроллер и силовой мост).

Синхронная машина, используемая в ВД, состоит из шихтованного (собранного из отдельных электрически изолированных листов электротехнической стали — для снижения вихревых токов) статора, в котором расположена многофазная (обычно двух- или трёхфазная) обмотка и ротора (обычно на постоянных магнитах).

В качестве датчиков положения ротора в ВД применяются вращающиеся трансформаторы и накапливающие датчики.

Информация о положении ротора обрабатывается микропроцессором, который, согласно программе управления, вырабатывает управляющие ШИМ-сигналы. Низковольтные ШИМ-сигналы микроконтроллера затем преобразуются усилителем мощности (обычно транзисторным мостом) в силовые напряжения, подаваемые на двигатель.

Статор имеет традиционную конструкцию. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника. Обмотка разбита на фазы, которые уложены в пазы таким образом, что пространственно сдвинуты друг относительно друга на угол, определяемый числом фаз. Известно, что для равномерного вращения вала двигателя машины переменного тока достаточно двух фаз. Обычно синхронные машины, применяемые в ВД, трёхфазные, однако встречаются также и ВД с четырёх- и шестифазными обмотками.

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

Для изготовления ротора раньше использовались ферритовые магниты, что определялось их распространённостью и дешевизной. Однако такие магниты характеризуются низким уровнем магнитной индукции. В настоящее время интенсивно используются магниты из сплавов редкоземельных элементов, поскольку они позволяют получить более 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 — фотоэлектрическом, индуктивном, трансформаторном, на эффекте Холла и проч. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические датчики, обладающие низкой инерционностью и обеспечивающие малые запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Система управления содержит микроконтроллер, контролирующий силовой инвертор согласно заданной программе управления. В качестве силовых ключей инвертора обычно применяют транзисторы, реже тиристоры.

Асинхронная машина - электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

Достоинства:

- лёгкость в изготовлении.

- отсутствие электрического контакта ротора со статической частью машины.

Недостатки:

- небольшой пусковой момент.

- значительный пусковой ток.

Конструкция

Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части - конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения.

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае - многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120°. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения тока в обмотке статора, поэтому его набирают из пластин электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь. Основным методом сборки магнитопровода в пакет является шихтовка.

По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора - из пластин электротехнической стали.

Принцип действия

На обмотку статора подаётся переменное напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создаёт вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на обмотку ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в ней ЭДС. В обмотке ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора создаёт собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый зубец магнитопровода ротора действует сила, которая, складываясь по окружности, создаёт вращающий электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться.

Чтобы в обмотке ротора возникала ЭДС необходимо чтобы скорость вращения ротора отличалась от скорости вращения поля статора. Поэтому ротор вращается асинхронно относительно статора, а двигатель называется - асинхронным. Относительное отставание скорости вращения ротора от поля статора называется скольжением.

Вопросы для самоконтроля:

1 Дайте определение вентильному электродвигателю.

2 Назовите преимущества и недостатки вентильного двигателя.

3 Расскажите конструкцию вентильного двигателя.

4 Дайте определение асинхронной машине.

5 Назовите преимущества и недостатки асинхронной машины.

6 Расскажите конструкцию асинхронной машины.