6.4. Электропривод с вентильным электродвигателем
Как известно, ДПТ независимого возбуждения обладают хорошими регулировочными свойствами в статических, и динамических режимах работы. Вместе с тем они имеют существенный недостаток, определяемый наличием коллектора. Этот узел, с одной стороны, осложняет условия эксплуатации электропривода постоянного тока, а с другой – определяет повышенный расход меди, увеличение габаритов, массы и стоимости электропривода. Стремление устранить механический выпрямитель – коллектор и сохранить в то же время высокие регулировочные качества ДПТпривело к разработке так называемого вентильного двигателя.
Вентильным двигателем (ВД) называется устройство, состоящее из электродвигателя, управляемого вентильным коммутатором (ПЧ) в функции положения ротора двигателя. Отличительным признаком ВД является наличие вентильного коммутатора, который по своим функциям заменяет коллектор и щетки двигателей постоянного тока.
Вентильные двигатели различаются по типу ПЧ, конструктивному исполнению двигателя, способу контроля углового положения ротора и устройству системы управления. Несмотря на многообразие конструкций ВД, все они имеют общие свойства и характеристики, а именно широкие возможности по регулированию скорости за счет изменения подводимого к статору напряжения, тока возбуждения и угла управления вентилями инвертора. Характеристики ВД аналогичны характеристикам ДПТ.
Отметим, что при питании ВД от сети постоянного тока или аккумуляторов его часто называют бесколлекторной машиной постоянного тока.
Применяемый в ВД двигатель по своей конструкции является синхронным. На статоре двигателя располагается трехфазная обмотка переменного тока, питаемая от вентильного коммутатора. Ротор обеспечивает возбуждение двигателя и может иметь два конструктивных исполнения – в виде постоянного магнита или с обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока через контактные кольца и щетки.
Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов выполняются на мощности до 30 кВт обычно в многополюсном исполнении. В этом диапазоне мощности двигатели с постоянными магнитами имеют меньшие габариты и массу и более высокий КПД по сравнению с двигателями, имеющими обмотку возбуждения.
В ВД средней и большой мощности обычно используются СД обычной конструкции с обмоткой возбуждения, расположенной на роторе.
В последнее время в ВД мощностью от 30 до 200 кВт стали использоваться бесконтактные СД с обмоткой возбуждения, специальным образом располагаемой на статоре вместе с трехфазной обмоткой якоря. Ротор в этом случае представляет собой безобмоточное зубчатое колесо (зубчатку), через зубцы (выступы) которого замыкается магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения и переменного тока. Ротор вращается синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазной обмоткой. Обмотка возбуждения усиливает магнитный поток и тем самым увеличивает вращающий момент двигателя. Такая схема возбуждения аналогична схеме индукторного ШД с пассивным ротором.
В ВД используются оба основных вида ПЧ: с промежуточным звеном постоянного тока (двухзвенные) и с непосредственной связью (непосредственные). Принципиальные схемы обоих видов ПЧ рассмотрены в § 4.6.
Коммутация тока в вентилях инвертора ПЧ может быть естественной или искусственной. Естественная коммутация вентилей используется в тех случаях, когда нагрузка инвертора (трехфазная обмотка СД) содержит источник ЭДС той же частоты, что и выходное напряжение инвертора. При этом благодаря действию этой ЭДС осуществляется коммутация вентилей, получившая название естественной.
Принципиальная схема ВД с, естественной коммутацией вентилей инвертора приведена на рис. 67. Схема содержит управляемый выпрямитель УВ, сглаживающий реакторL, инверторИ, тиристорный возбудительТВдвигателяМи системы управления выпрямителемСУВи инверторомСУИ. Угловое положение ротора ВД контролируется косвенно – по фазе напряженияU() на выходах обмотки статора двигателяМ.
Регулирование скорости в данной схеме производится изменением выпрямленного напряжения на выходе УВили тока возбуждения посредствомТВ.
Естественная коммутация вентилей, позволяющая использовать простой по схеме инвертор, может быть осуществлена только при сравнительно большой ЭДС двигателя, соответствующей скорости примерно не ниже 10 % номинальной. В связи с этим пуск ВД, когда его ЭДС отсутствует или очень мала, при таком способе коммутации вентилей оказывается затруднительным и требуется применение специальных мер для устранения этого недостатка. К ним относятся: 1) асинхронный пуск СД, имеющего пусковую обмотку, от сети включением вначале контактора K1(рис. 6.7), а затем отключением контактораK1и подключением инвертора контакторомK2, 2) переключение инвертора в режим искусственной коммутации; 3) импульсный метод, использующий специальную систему управленияУВ.
Инвертор с искусственной коммутацией вентилей – это преобразователь постоянного напряжения или тока в переменные с принудительной коммутацией вентилей, вследствие чего работа инвертора практически не зависит от характера и режима нагрузки. При использовании искусственной коммутации устраняются трудности при пуске ВД, характерные для инверторов с естественной коммутацией.
Схема ВД, в которой используется один из вариантов ПЧ с искусственной коммутацией вентилей инвертора, приведена на рис. 6.8.
Схема содержит инвертор, выполненный на тиристорах VS1–VS6; управляемый выпрямительУВ, коммутирующие тиристорыVS7иVS8; обратный мост на диодахVD1–VD6, разрядные резисторыR1,R2и диодыVD7'–VD8';силовой фильтрL1,C1и устройства коммутацииL2–L5,С2,СЗ.
Искусственная коммутация осуществляется за счет энергии, запасенной в конденсаторах С2иСЗот дополнительного источника подзарядaUп. Инвертор имеет групповую коммутацию тиристоров. Включение тиристоров анодной группы осуществляется элементамиС2,L2,L4,VS7, и тиристоров катодной группы – элементамиС3,L3,L5,VS8. При подаче сигнала управления, например, на тиристорVS7конденсаторС2 разряжается по цепиС2–C1–R2–VD2'(VD4',VD6') – (VD3', VD5') –L4–VS7–С2. После спадания тока в этом контуре до нуля тиристорыVS1,VS3,VS5закрываются, но продолжается колебательный подзаряд конденсатораС2через реакторL2, обеспечивая обратное напряжение на тиристорахVS1,VS3,VS5в течение времени, необходимого для восстановления их запирающих свойств.
После перезаряда конденсатора С2и закрывания тиристораVS7энергия, накопленная в реактореL2, частично гасится в резистореR1. Во внекоммутационный интервал конденсаторС2вновь перезаряжается от источника подзаряда. Спадающий во время коммутации ток нагрузки, протекающий через коммутируемый тиристорVS1, переводится на диодVD2'обратного моста.
Управление инвертором производится в функции положения ротора двигателя М, контролируемого датчиком положенияДПР, который воздействует наСУИ. Регулирование скорости двигателя в этой схеме возможно изменением выпрямленного напряжения, тока возбуждения и угла управлениятиристорами инвертора.
Как видно из приведенного примера, применение искусственной коммутации приводит к более сложным схемам преобразовательных устройств (ПУ), число которых не ограничивается рассмотренным примером.
Проблема пуска ВД не возникает также при использовании непосредственных ПЧ. В этих типах ПЧ коммутация вентилей преобразователя осуществляется при переходе сетевого напряжения через нуль. Однако, как отмечалось выше, непосредственный ПЧ обладает ограниченными регулировочными возможностями.
Для получения высокого качества регулирования координат электропривод с ВД чаще всего строится по принципам подчиненного регулирования. Пример такого электропривода иллюстрирует рис. 6.9, где показана структурная схема автоматического управления бесконтактным ВД последовательного возбуждения.
Система, управления электропривода построена по принципу подчиненного регулирования с последовательной коррекцией. Она содержит контур тока с регулятором тока РТи обратной связью по току, снимаемой с датчика токаЦТ, и контур скорости с регулятором скоростиPCи обратной связью по скорости, снимаемой с тахогенератораBR. Регулятор токаРТвоздействует на систему управления выпрямителемСУВ, изменяя необходимым образом ток и напряжение на входе инвертораИ.
Управление тиристорами инвертора Иосуществляется от датчика положения ротораДПР, установленного на валу двигателяМ.
Обмотка возбуждения ВД ОВвключена последовательно с якорем в цепь выпрямленного тока ПЧ и выполняет дополнительную функцию сглаживающего реактора.
При скорости ВД ниже 0,1номосуществляется искусственная коммутация вентилей инвертора, обеспечиваемая устройством коммутацииУKпо сигналам блока управленияБУ. При более высоких скоростях ВД по сигналу с датчика скоростиBRсрабатывает блок блокировок ББ и блокируетБУ, запрещая подачу импульсов управления наУK. Происходит переход на естественную коммутацию тиристоров инвертораИ, осуществляемую ЭДС ВД.
В заключение отметим, что из-за высокой стоимости и сложности ПЧ ВД пока имеют ограниченное применение. Перспективно использование ВД в мощных электроприводах малой или очень большой скорости.
