Тепловые модели вентильно-индукторных двигателей в электроприводе

В настоящее время все большее количество электроприводов, которые еще недавно были нерегулируемыми, приобретают возможность быть управляемыми. Это стало возможным благодаря достижениям силовой полупроводниковой техники — созданию мощных управляемых силовых ключей, коммутирующих с большой частотой значительные токи и имеющих высокие обратные напряжения, а также, благодаря появлению микропроцессорных устройств, производимых такими компаниями, как Texas Instruments, Motorola, Analog Devices и предназначенных для построения систем управления электроприводов.

Именно эти достижения электроники оказали сильное, определяющее влияние на развитие современного электропривода: появились доступные преобразователи частоты, кардинально изменившие традиционный массовый электропривод с короткозамкнутыми асинхронными двигателями, возникла целая гамма новых электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей — синхронными реактивными, синхронными с постоянными магнитами, индукторными и др., и электронными коммутаторами — аналогами традиционных коллекторов. Среди всех этих новых, рожденных электроникой электроприводов, особенно выделяется одинвентильно-индукторный (ВИЛ) или в англоязычной литературе — Switched Reluctance Drive (SRD).

Внешне вентильно-индукторный электропривод очень прост, и в этом одна из его привлекательных сторон. Он состоит (рис. В.1) из собственно двигателя — индукторной машины ИМ, электронного коммутатора К, подключенного к выпрямителю В параллельно с конденсатором С и управляемого обычно датчиком положения ротора ДП через схему управления СУ. ИМ имеет явнополюсный статор, например, с п = 8 полюсами, несущий сосредоточенные катушки, образующие п/2 фаз и явнополюсный пассивный ротор, число полюсов которого отличается от числа полюсов статора, например, т-6.

Катушки связаны с электронным коммутатором, подающим на каждую фазу двигателя импульсы токав рассматриваемом примере на фазу приходятся два ключа — транзистора и два диода (на рис. В.1 показана только одна фаза).

Работу ВИД на принципиальном уровне можно свести к поочередному последовательному включению электромагнитов (индукторов), якорями у которых являются зубцы ротора. Возбуждение фазы при несогласованном положении зубцов статора и ротора вызывает возникновение электромагнитных сил притяжения между зубцами этой фазы статора и ближайшими к ним зубцами ротора. В результате ротор перемещается в согласованное положение (совпадение осей зубцов статора и ротора). Так как число зубцов статора и ротора различно, то в согласованном положении ротора для одной фазы следующая фаза оказывается в рассогласованном положении, т. е. подготовленной к включению. Последовательная коммутация фаз с помощью, например, датчика положения ротора обеспечивает непрерывное создание вращающего момента и, следовательно, непрерывное вращение ротора. Управление движением — выбор моментов включения и отключения фаз, формирование нужных импульсов тока и т. п. осуществляется схемой управления СУ [16].

Принцип работы ВИД очень схож с работой индукторных шаговых двигателей в дискретном электроприводе, появившемся в 60-е годы на волне развития первых полупроводниковых приборов и применяющемся для преобразования цифры или кода в дозированные механические перемещения. В 60 — 70-е годы этот электропривод получил серьезное развитие в нашей стране благодаря работам М. Г. Чиликина, Б. А. Ивоботенко и их учеников. Были сформулированы основные принципы его организации, критически осмыслены и обобщены многочисленные варианты конструкций, отработаны алгоритмы управления, предложены эффективные новые технические решения, построена теория дискретного электропривода [10].

Рис. В.1 Упрощенная функциональная схема ВИП.

Однако, в то время не удалось перейти к силовой версии электропривода, построенного на шаговом принципе в силу ограниченности элементной базы. Переход к силовой версии шагового привода был предпринят в 80-е годы прошлого столетия. Роль создателя силового вентильного электропривода (Switched Reluctance Drive) по праву принадлежит проф. П. Лоуренсону (Лидс, Великобритания), первые работы которого, демонстрирующие преимущества SRD [43], открыли целую волну разработок и публикаций на эту тему. Часть их удачно собрана и обобщена в монографии Т. Миллера [44], дающей достаточно полное представление о состоянии дел с этой проблемой в мире.

К основным особенностям ВИД можно отнести предельно простую, технологичную, дешевую и надежную конструкцию собственно вентильно-индукторного двигателя ВИД. В нем не используются существенно усложняющие технологию производства и дорогие постоянные магниты. Отсутствует технологическая операция заливки ротора, обязательная при производстве к.з. асинхронных двигателей. Обмотки (катушки) статора хорошо приспособлены к машинному производству, проста сборка и, что важно при массовых применениях, разборка для ремонта или утилизации. Пропитка осуществляется только собственно катушек, а не статора в целом, как у других типов машин, что также снижает долю технологических затрат. Таким образом, машина в ВИП позволяет преодолеть уже устойчивую тенденцию роста на 1012% в год цены основных типов электрических машин. Оптимально спроектированная вентильно-индукторная машина в сравнении с асинхронным двигателем той же мощности имеет на 20−25% меньше меди и на 10−15% меньше стали. В условиях мелкосерийного производства ВИД эти двигатели дешевле асинхронных в 1,4 — 1,6 раза, при больших сериях разница будет около 2 раз за счет отсутствия участка заливки ротора, машинного изготовления катушек обмотки, и других особенностей, указанных выше [2].

Электронный коммутатор К должен обеспечивать подачу на фазы ИМ однополярных импульсов, что позволяет выполнить его более надежным в сравнении с аналогичным преобразователем частоты для асинхронного электропривода — ликвидируется опасность сквозных коротких замыканий, упрощается защита. Среди большого числа исполнений коммутатора, разработанных для дискретного электропривода еще в 60-е годы, удается найти варианты с наименьшим количеством дорогих ключей — транзисторов, снизив в итоге его стоимость. Система управления ВИП определяется требованиями к характеру функционирования привода и может видоизменяться в широких пределах — от одной микросхемы до развитого микропроцессорного модуля [2].

По основным массо-габаритным и энергетическим показателям ВИП не уступает и даже превосходит за счет использования насыщения магнитной цепи ВИД [3], например, частотно-регулируемый асинхронный привод. Так, в [43] приводятся кривые КПД английских ВИД вместе с аналогичными кривыми для электропривода с электромагнитной муфтой и асинхронного электропривода обычного исполнения, а также массо-габаритные и энергетические показатели вентильно-индукторного привода, в сравнении с приводом постоянного тока (ДПТ) и асинхронным (АД) для двигателей с высотой оси 112 мм (см. табл. 1).

Таблица 1 дпт АД ВИП.

Рн, кВт 7 9 11,3.

Рн / Vct)* 1 1,23 1,74.

КПД, % 76 81 86.

Благоприятные функциональные особенности ВИД — большие моменты при низких скоростях и небольших токах, гибкое управление скоростью, простая реализация тормозных режимов и т. п. делают этот привод весьма привлекательным для широких применений. Большое разнообразие структур ВИД (различные отношения п/т — 4/2, 6/4, 8/6 и др., различные способы коммутации фаз) делают этот привод хорошо применимым как в низкооборотных (сотни об/мин), так и высокооборотных (десятки тысяч об/мин) версиях [16].

В настоящий момент ВИП уже получил некоторое развитие. Разработан ряд типоразмеров фирмой SRD Ltd в Лидсе, перешедшей во владение американской корпорации Эмерсон, выпускаются SRD в Италии, Великобритании (фирмы Allenwest и Jeffrey Diamond), КНР, пропагандирует SRD немецкая фирма MACCON [16]. В России также существует ряд фирм, начавших производство или разрабатывающих данный тип привода (см. табл. 2). Варианты реализации данного типа электродвигателей проиллюстрированы на рисунках В.2 — В.4. Мощности уже существующих ВИП значительны и достигают 500 кВт (компрессор на одной из шахт в Великобритании).

Рис.В.2 ВИП запорной арматуры.

Рис. В. З ВИП электровелосипеда Рис.В.4 ВИП насоса.

Таблица 2.

Организация Сфера деятельности.

ОАО «ELDIN» производство вентильно-индукторных электродвигателей [36].

ОАО НИПТИЭМ производство вентильно-индукторных электродвигателей [39].

ЗАО КАСКОД производство вентильно-индукторных электроприводов для запорной арматуры [38].

ОАО «Канашский завод электропогрузчиков» подготавливается запуск в производство электропрогрузчиков на базе тягового вентильно-индукторного электродвигателя [41 ].

ООО «АРК-Электропривод» производство вентильно-индукторных приводов для насосного применения[40].

ЗАО Производственно-инженерная фирма «» ЭлКоН" проходит испытания привод электротележки мощностью 5,5 кВт[32].

ФГУП СКБ «ТОПАЗ» подготовлен к выпуску электропривод ВИП-500−10 000, Рном 500 Вт, п = 10.000 об/мин [34].

ООО «ПК ЗТЭО» (на базе ОАО Татэлектромаш) разработка тяговых электроприводов на базе ВИД для нефтедобывающей промышленности и грузопассажирских лифтов [42].

КБ Автоматики разработка систем управления вентильно-индукторными электроприводами [33].

ОАО «ЧЕБОКСАРСКИМ ЭЛЕКТРОАППАРАТНЫЙ ЗАВОД» производство вентильно-индукторных электродвигателей [35].

Вентильно-индукторному электроприводу посвящено большое количество работ. Они относятся главным образом к созданию совершенной схемы управления ВИП, которая должна получать сигналы о фактическом положении ротора в данный момент и формировать на этом основании с учетом параметров и режимов привода воздействие на ключи коммутатора.

Решению проблемы рационального управления ВИП посвящены работы М. Г. Бычкова [3,4,7], П. А. Дроздова [14], В. А. Семенчука [27], С. Ю. Уткина [29], Р. В. Фукалова [31]. Комплексу исследований ВИП методом имитационного моделирования посвящена работа А. Б. Красовского [23]. В работах Е. В. Бычковой, А. Г. Федорова и др. разработаны процедуры проектирования вентильно-индукторных двигателей [20]. В этих работах подробно изучен и описан объект управления, проведены экспериментальные исследования с использованием специального компьютеризированного испытательного оборудования, позволяющего регистрировать весьма сложные процессы в реальном времени и в легко перестраиваемых структурах, найдены рациональные алгоритмы проектирования и управления, разработан соответствующий программный продукт. В процессе исследований удалось в основном избавиться от датчика положения ротора, заменив его простыми датчиками напряжения и тока. Это повлияло на конструктивный облик ВИД — теперь эта машина стала заметно проще основного конкурента — короткозамкнутого асинхронного двигателя.

Несмотря большое количество проведенных исследований такими исследователями как Бычков М. Г. [3,4,5], Дроздов П. А. [14], В. Ранлин [45], группа Т. Миллера [37,44], до настоящего времени не построены тепловые модели, достоверно описывающие поведение ВИД в составе электропривода. Такие модели необходимы для правильного проектирования электропривода с ВИД, оптимального использования данного типа двигателя, рациональной организации защит.

Данная работа посвящена тепловым моделям вентильно-индукторных электродвигателей в составе электропривода.

Тепловые исследования в рамках данной работы проводятся с применением теории планирования инженерного эксперимента [17], что позволяет на основе специально организованных испытаний образцов строить тепловые модели, описывающие объект исследования в определенных, заданных границах изменяемых факторов.

Для создания обобщенной тепловой модели ВИД будет использовано распространение результатов испытаний отдельных образцов на ряд подобных двигателей с помощью теории подобия и представление тепловых моделей подобных двигателей в виде критериев подобия.

В первой главе рассматриваются возможные способы построения тепловых моделей электрических машин, приводятся результаты предварительных тепловых испытаний ряда образцов вентильно-индукторных двигателей и обосновывается принцип и алгоритм построения тепловых моделей в форме критериев подобия.

Во второй главе формулируются условия и допущения и разрабатывается математический аппарат построения тепловых моделей в форме критериев подобия.

Третья глава посвящена испытательным стендам и образцам ВИД со встроенными термопарами.

В четвертой главе представлено описание экспериментальных исследований образцов вентильно-индукторного электродвигателя и обработка экспериментальных данных.

В пятой главе представлена проверка адекватности полученных тепловых моделей, сопоставление экспериментальных характеристик и кривых, построенных по моделям. Приведены примеры использования полученных тепловых моделей.

5.6 Выводы.

1. Представлен алгоритм использования тепловых моделей в форме критериев подобия на основе пересчета масштабов величин. Входящих в критерии подобия.

2. Проверка адекватности тепловых моделей на базовом образце в «модельном» режиме работы показала удовлетворительное совпадение теоретических кривых, вычисленных по модели и соответствующих экспериментальных характеристик.

3. Проверка адекватности на образцах ВИД № 2 и № 3 свидетельствует о применимости моделей к двигателям другой конфигурации и обращенной конструкции: погрешности не превышают 15% при усреднении коэффициента теплоотдачи и других сильных допущениях.

4. Тепловые испытания базового образца в «рабочем» режиме и проверка адекватности тепловых моделей при применении для «рабочего» режима подтверждают предположение о возможности учета потерь в стали эквивалентным увеличением плотности тока. Это делает тепловые модели, полученные в результате простых «модельных» испытаний, эффективным инструментом оценки теплового состояния вентильно-индукторных двигателей в составе электропривода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Получены универсальные тепловые модели вентильно-индукторных электродвигателей в виде экспериментальной базовой характеристики гбаз (/баз) и двух безразмерных комплексов — критериев подобия, содержащих минимальное количество параметров и отражающих тепловые процессы в наиболее нагретой зоне двигателя.

2. Построение тепловых моделей и определение коэффициентов теплоотдачи, входящих в критерии подобия, основано на специально организованных «модельных» экспериментах на базовом образце двигателя, в которых исключены потери в стали.

3. Показано, что потери в стали магнитопровода могут учитываться эквивалентным увеличением входной величины — плотности тока.

4. Адекватность тепловых моделей подтверждена экспериментами на двигателях 0,16 кВт, 5 кВт и 7,5 кВт с различной геометрической структурой и параметрами.

5. Тепловые модели могут использоваться как при паспортизации вентильно-индукторных электродвигателей, так и при их эксплуатации в составе электропривода.