МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

Дослідження вентильних мікродвигунів

Методичні вказівки

до лабораторної роботи з предмету

«Електричні машини систем автоматики»

для студентів базового напрямку 6.0922

«Електромеханіка»

Затверджено на засіданні

кафедри «Електричні машини та апарати»

Протокол № від р.

Державний університет «Львівська політехніка», 2000

Методичні вказівки до лабораторної роботи “Дослідження вентильних мікродвигунів” з предмету “Електричні машини систем автоматики” для студентів базового напрямку 6.0922 «Електромеханіка»/ І. І. Андрейко, І. Є. Біляковський, М. В. Бурштинський. - Львів, ДУЛП, 2000, 12 с.

Автори:

І. І. Андрейко, к.т.н., доц.

І. Є. Біляковський, к.т.н., доц.

М. В. Бурштинський, ст. викл.

Відповідальний за випуск:

І. Є. Біляковський, к.т.н., доц.

Рецензент:

В. І. Ткачук

 Державний університет «Львівська політехніка», 2000

Мета роботи - ознайомитися з будовою, схемами з'єднань обмоток та вентильних комутаторів різних типів вентильних двигунів (ВеД), з фізичними явищами, які протікають в них та визначають їх електромеханічні характеристики; засвоїти основні підходи до аналізу ВеД і розрахунку їх основних характеристик та оволодіти методиками експериментального їх дослідження.

1. Теоретична частина

В еД - це позиційно керований електродвигун, обвитки якого, звичайно двосекційні або трисекційні, живляться від джерела сталої частоти - _д з кількістю фаз m_д через керований вентильний комутатор (КВК), комутаційна функція p_k якого формується при обертанні ротора його давачами положення (ДПР) (рис.1).

Застосовується ВеД у керованих електроприводах, де забезпечує незалежну зміну частоти обертання виконавчого вала _R при сталій частоті мережі живлення _д.

u_gr _gr m_gr

Рис. 1. Структурна схема ВеД

В исока надійність та добрі регулювальні й енергетичні показники та малі габарити керованих електроприводів з ВеД сприяли за останні десятиліття широкому їх використанню як для малих потужностей, так і для великих.

Щоб глибше з'ясувати суть фізичних явищ у ВеД, які визначають його робочі характеристики, розглянемо найпростішу схему неявнополюсного ВеД з однією керованою вентильним комутатором обвиткою на статорі та з однією обвиткою ротора (рис.2).

Рис. 2. Схема з’єднання ВеД з односекційними обвитками статора і ротора

i_gr

Нехай миттєві значення струмів джерел живлення обмоток статора і ротора змінюються за гармонічними законами таким чином

(1)

д

е I_дSm, I_дRm – максимальне значення струмів джерел; _дS, _дR - їх колові частоти та _дS, _дR - їх початкові фази.

Якщо _дS=_дR=0 маємо ВеД постійного струму. У випадку, коли _дS_дR0 маємо тоді ВеД змінного струму двобічного живлення. Якщо ж _дR=0, а _дS0, або навпаки, -_дR0 та _дS=0, ВеД є тоді машиною двобічного живлення постійно-змінним струмом.

Частоту обертання ротора машини визначають за просторовою координатою _m (рис. 2).

(2)

де - оператор диференціювання за часом t; p - кількість пар полюсів машини;  - просторовий кут повертання осі обвитки ротора d відносно осі обвитки статора D в електричних радіанах.

Частоту обертання _p симетричних складових намагнічувальних сил (НС) ротора відносно обвитки осі ротора d обчислюють

. (3)

Відносна частота обертання симетричних складових НС ротора відносно осі D статора тоді може бути записана у вигляді

(4)

Просторова вісь К на рис. 2, – це лінія, в точках К’-К” якої здійснюється комутація вентилів КВК та струму i_S обвитки статора за сигналами від ДПР у відповідності з комутаційною функцією p_k(t). Частоту зміни цієї функції _k можна обчислити за просторовою координатою  в координатній системі статора

(5)

Частота _k може бути постійною - тоді КВК називають синхронним, або змінною - тоді КВК називають асинхронним.

Для двополюсного ВеД постійного струму вентилі КВК змінюють напрям струму в обмотці статора кожного пів оберта ротора з таким розрахунком, щоби миттєве значення його електромагнітного моменту

(6)

а бо середнє його значення за оберт було максимальним. У цьому випадку струм в обмотці статора i_S змінюється за графіком рис. 3а, а його значення може бути обчислене за виразом

(7)

а) де

Рис. 3. Залежність струму статора i_S(t) після КВК та залежність комутаційної функції p_k(t) КВК

б) Якщо ж частота зміни струмів джерела живлення статора , а в момент комутації змі­нюється тільки фаза цього струму (рис. 3б), то зв'язок між вхідним і вихідним струмом КВК теж має вигляд (7).

Якщо комутаційну функцію КВК розкласти в ряд Фур'є, то отримаємо з урахуванням (1), (7) основну гармоніку струму (НС) обвитки статора

(8)

де - амплітуда основної гармоніки комутаційної функції КВК.

Щоби у ВеД утворився електромагнітний момент від взаємодії потоку ротора, утвореного його НС F_R з частотою обертання , та струму статора i_S з частотою необхідно, щоби ці частоти при однаковій кількості полюсів були однакові, тобто, щоби задовільнялося співвідношення

(9)

Це рівняння (9) можна підтвердити, виходячи з визначення електромагнітного моменту ВеД як похідної за координатою _M від магнітної енергії його поля W_М

. (10)

Якщо врахувати, що для неявнополюсної машини власні індуктивності L_S статора та L_R ротора є сталими (нехтуємо реактивними моментами), а змінюється при обертанні ротора тільки взаємна індуктивність

(11)

то, враховуючи (1), (10), (11) для електромагнітного моменту отримаємо

(12)

Щоби середнє значення моменту M за період для усталеного режиму роботи двигуна при , яке обчислюють як

(13)

було максимальним, необхідно, щоб аргумент гармонічної функції (13) прямував до нуля або при

(14)

Із (9) та (14) можна зробити висновок, що при заданих частотах джерел живлення обмоток статора і ротора для однонаправленого електромеханічного перетворення енергії у ВеД необхідно забезпечити відповідне співвідношення між частотами _k та _R.

ВеД з односекційними обвитками практично не використовується, бо коли вісь ротора збігається з віссю D обвитки статора (рис. 2), електромагнітний момент машини, як видно з (6) та (12), зменшується до нуля. Тут має місце “мертве положення ротора”, з якого машина може вийти при заданому моменті навантаження М_н тільки за рахунок моменту махових мас – , де J_p- момент інерції рухомої частини приводу. Щоб уникнути “мертвих положень ротора”, ВеД проектують двох, трьох, чотирьох або багатосекційними. Чим більша кількість секцій обвитки якоря, тим менші пульсації моменту та менша нерівномірність ходу виконавчого вала. Але тоді зростає кількість вентилів КВК, кількість чутливих елементів ДПР, ускладнюється схема та зростає вартість двигуна. Суттєвим в цьому сенсі є й алгоритм комутації вентилів. Він також визначає крок дискретної зміни положення осі потоку якоря Ф_а, що в свою чергу відповідно вимагає більш чи менш складної системи керування.

Для малопотужних силових керованих електроприводів загального промислового призначення, для побутової та спеціальної техніки, а також для виконавчих приводів систем автоматики та інформатики найчастіше використовують ВеД постійного струму з магнітоелектричним збудженням. Силова схема такого ВеД з трисекційною обвиткою статора та ДПР – А’6, С”1, В’2, А”3, С’4, В”5 наведені на рис. 4. Там же показані часові діаграми гіпотетичних струмів секцій статора такої машини.

Р ис 4. Схема трисекційного ВеД з магні тоелектричним збудженням та з двополярною напругою живлення

На рис. 5 показані табиця з алгоритмом комутації вентилів КВК при двополярному його керуванні, які часто застосовують на практиці, та просторові положення результуючого потоку статора - якоря Ф_а за тактами комутації вентилів. Транзистори КВК пронумеровані за черговістю їх вмикання, яка згідно з тактами, записується 1,2 - 2,3 - 3,4 - 4,5 - 5,6 - 6,1 ... Аналогічно пронумеровані чутливі елементи ДПР, магнітна система яких насичується обертовим постійним магнітом ПМ ДПР (рис.4).

Такти		1	2	3	4	5	6	1
Положення потоку Фа								
Струми секцій	iA	0	+1	+1	0	-1	-1	0
	iB	-1	-1	0	+1	+1	0	-1
	iC	+1	0	-1	-1	0	+1	+1
Комутація вентлів	А		Т3	Т3		Т6	Т6
	B	Т2	Т2		Т5	Т5		Т2
	C	Т1		Т4	Т4		Т1	Т1

Рис. 5. Алгоритм комутації вентилів КВК

Схема КВК трисекційного ВеД наведена на рис. 4 забезпечує подачу до секцій (фаз) машини двополярної напруги (струму), що за фізичними явищами уподібнює її до класичних синхронних машин чи машин постійного струму.

А ле часто такий ВеД малої потужності використовується з спрощеним КВК з однополярною напругою живлення фаз, які теж при відповідній комутації вентилів КВК утворюють в машині обертовий магнітний потік якоря Ф_а. Така схема ВеД типу БДС 0,2 показана на рис. 6. На цьому рисунку теж показані нерухомі та рухомі елементи ДПР, а також часові діаграми струмів секцій i₁, i₂, i₃.

Рис. 6. Схема трисекційного ВеД малої потужності магніто елек­тричного збудження з одно­полярним керуванням

Конструкція малопотужного трисекційного ВеД магнітоелектричного збудження типу БДС-0,2 наведена на рис. 7.

Рис. 7. Конструкція малопотужного трисекційного ВеД магнітоелектричного збудження типу БДС-0,2

На цьому рисунку, крім самого ВеД, показана конструкція ДПР трансформаторного типу, магнітопровід яких насичується за допомогою обертового аксіально-намагніченого ПМ. Якщо магнітопровід трансформатора ДПР насичений, його вихідна напруга мінімальна і, відповідно, вентиль, який ним керується, не працює. Підбираючи величину дуги ПМ ДПР b_дпм= 240⁰, можемо у ВеД мати циклічно почергове вмикання секцій(фаз) якоря АВС без їх перекриття. При дещо вужчому полюсному наконечнику ПМ можливе циклічне почергове вмикання секцій (фаз) обвитки якоря, але з їх перекриттям, тобто А-АВ-В-ВС-С-СА-А ... В першому випадку скачки обертового потоку якоря дорівнює 120⁰, у другому - 60⁰; але в першому випадку маємо симетричне керування КВК, а результуючий магнітний потік двигуна - коловий, а в другому випадку - керування несиметричне, а результуючий магнітний потік – не коловий.

Що стосується методу аналізу ВеД, то якщо вони застосовуються з КВК двополярного керування вихідною напругою (струмом) та з обертовим двополярним магнітним потоком, то вони, як випливає з вище викладеного, є за фізичними явищами, якщо нехтувати комутаційними процесами, частотнокерованими синхронними двигунами з самосинхронізацією і їх тому слід аналізувати як синхронні машини. Приймаючи до уваги тільки першу гармоніку напруги (струму) якоря та вважаючи, що X_dX_qX_C з урахуванням активного опору секції R_1, з векторної діаграми (рис. 8) знаходимо величину поперечної складової с труму якоря

.

Рис. 8 Векторна діаграма СД

ЕРС неробочого режиму машини обчисляють як

За цими величинами, якщо ввести відношення можна обчислити електромагнітний момент машини

.

Величина пускового моменту

є максимальною при 0.

Якщо вважати, що  невеликий, то наближено

Якщо за базові одиниці прийняти для моменту М_еп та частоту неробочого режиму , то електромагнітний момент ВеД, як СД у відносних одиницях записують, прийнявши ²0,

,

де

Як показує остаточний вираз для механічної характеристики ВеД при прийнятих допущеннях, вона є подібна до механічної характеристики ДПС з незалежним збудженням (рис. 9)

Ч асто, маючи КВК для регулювання частоти _R, використовують широтно-імпульсне регулювання напруги або струму, середнє значення яких є U_аср.1, I_аср.1 (рис. 10), тоді механічна характеристика ВеД при щілинності переміщається до положення прямої 4 рис. 9.

Рис. 9. Механічні характеристики ВеД

Я кщо ВеД постійного струму використовується за схемою рис. 6 при однополярній напрузі керування з циклічною почерговістю вмикання секцій та з уніполярним обертовим магнітним потоком, його фізичні явища можуть бути описані як квазіусталений режим машини постійного струму з незалежним збудженням, при сталому потоці індуктора Ф_і, майже сталій частоті обертання ротора _R та циклічному вмиканні секцій обвитки якоря.

Рис. 10. Часова діаграма напруги та струму.

Якщо знехтувати тривалістю комутаційного процесу вмикання-вимикання секцій, то електромагнітний перехідний процес машини при описують рівнянням

,

звідки знаходять струм якоря де - електромагнітна стала машини.

Електромагнітний момент двигуна визначають

Перша складова цього моменту збігається з таким рівнянням класичної машини постійного струму (криві 2 та 4 на рис. 9). Друга складова моменту зумовлюється індуктивністю якоря L_a і гальмує машину (реальні криві 1 та 3 на цьому ж рисунку).